En termodinámica de radiación , un hohlraum ( alemán: [ˈhoːlˌʁaʊ̯m] ;alemanano específica para "espacio hueco" o "cavidad") es una cavidad cuyas paredes están enequilibrio radiativocon laenergía radiantedentro de la cavidad. Propuesta por primera vez porGustav Kirchhoffen 1860 y utilizada en el estudio dela radiación del cuerpo negro(hohlraumstrahlung),[1]esta cavidad idealizada puede aproximarse en la práctica mediante un recipiente hueco de cualquiermaterialopacoLa radiación que escapa a través de una pequeña perforación en la pared de dicho recipiente será una buena aproximación a la radiación de un cuerpo negro a la temperatura del interior del recipiente.[2] De hecho, un hohlraum puede incluso construirse a partir de cartón, como lo muestra el Black Body Box de Purcell, un demostrador de hohlraum.[3]
Los Hohlraums se utilizan en experimentos de Física de Alta Densidad de Energía (HEDP) y Fusión de Confinamiento Inercial (ICF) para convertir la energía láser en rayos X térmicos para implosionar cápsulas, calentar objetivos y generar ondas de radiación térmica. [4] También pueden usarse en diseños de armas nucleares.
El enfoque de accionamiento indirecto para la fusión por confinamiento inercial es el siguiente: la cápsula de combustible de fusión se mantiene dentro de un hohlraum cilíndrico . El cuerpo de hohlraum se fabrica utilizando un elemento de alto número atómico (alto número atómico), generalmente oro o uranio. Dentro del hohlraum hay una cápsula de combustible que contiene combustible de deuterio y tritio (DT). Una capa congelada de hielo DT se adhiere dentro de la cápsula de combustible. La pared de la cápsula de combustible se sintetiza utilizando elementos ligeros como plástico, berilio o carbono de alta densidad, es decir, diamante. La parte exterior de la cápsula de combustible explota hacia afuera cuando es eliminada por los rayos X producidos por la pared de hohlraum tras la irradiación con láser. Debido a la tercera ley de Newton, la porción interna de la cápsula de combustible implosiona, provocando que el combustible DT se supercomprima, activando una reacción de fusión.
La fuente de radiación (p. ej., un láser ) apunta al interior del hohlraum y no a la propia cápsula de combustible. El hohlraum absorbe y vuelve a irradiar la energía en forma de rayos X , un proceso conocido como impulso indirecto. La ventaja de este enfoque, en comparación con el accionamiento directo, es que las estructuras de modo alto del punto láser se suavizan cuando la energía se vuelve a irradiar desde las paredes de hohlraum. La desventaja de este enfoque es que las asimetrías de modo bajo son más difíciles de controlar. Es importante poder controlar las asimetrías tanto en modo alto como en modo bajo para lograr una implosión uniforme .
Las paredes de hohlraum deben tener una rugosidad superficial inferior a 1 micrón y, por lo tanto, se requiere un mecanizado preciso durante la fabricación. Cualquier imperfección de la pared de hohlraum durante la fabricación provocará una compresión desigual y asimétrica de la cápsula de combustible dentro del hohlraum durante la fusión por confinamiento inercial. Por lo tanto, se deben prevenir cuidadosamente las imperfecciones, por lo que el acabado de la superficie es extremadamente importante, ya que durante los disparos con láser ICF, debido a la intensa presión y temperatura, los resultados son muy susceptibles a la rugosidad de la textura hohlraum. La cápsula de combustible debe ser precisamente esférica, con una rugosidad de textura inferior a un nanómetro, para que comience la ignición por fusión. De lo contrario, la inestabilidad hará que la fusión fracase. La cápsula de combustible contiene un pequeño orificio de llenado con menos de 5 micrones de diámetro para inyectar gas DT en la cápsula.
La intensidad de los rayos X alrededor de la cápsula debe ser muy simétrica para evitar inestabilidades hidrodinámicas durante la compresión. Los diseños anteriores tenían radiadores en los extremos del hohlraum, pero resultó difícil mantener una simetría de rayos X adecuada con esta geometría. A finales de los años 90, los físicos de Target desarrollaron una nueva familia de diseños en los que los haces de iones se absorben en las paredes del hohlraum, de modo que los rayos X se irradian desde una gran fracción del ángulo sólido que rodea la cápsula. Con una elección sensata de materiales absorbentes, esta disposición, denominada objetivo de "radiador distribuido", proporciona una mejor simetría de rayos X y ganancia de objetivo en simulaciones que los diseños anteriores. [5]
El término hohlraum también se utiliza para describir la carcasa de una bomba termonuclear según el diseño de Teller-Ulam . El propósito de la carcasa es contener y enfocar la energía de la etapa primaria ( fisión ) para implosionar la etapa secundaria ( fusión ).