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En termodinámica de la radiación , un hohlraum ( en alemán: [ˈhoːlˌʁaʊ̯m] ^ⓘ ; una palabraalemanano específicaequilibrio radiativocon laenergía radiantedentro de la cavidad. Propuesta por primera vez porGustav Kirchhoffen 1860 y utilizada en el estudio deradiación de cuerpo negro(hohlraumstrahlung),^[1]esta cavidad idealizada puede aproximarse en la práctica mediante un recipiente hueco de cualquieropaco. La radiación que escapa a través de una pequeña perforación en la pared de dicho recipiente será una buena aproximación de la radiación de cuerpo negro a la temperatura del interior del recipiente.^[2]De hecho, un hohlraum puede incluso construirse con cartón, como lo demuestra la Black Body Box de Purcell, un demostrador de hohlraum.^[3]

En espectroscopia, el efecto Hohlraum se produce cuando un objeto alcanza el equilibrio termodinámico con un hohlraum que lo rodea. Como consecuencia de la ley de Kirchhoff , todo se fusiona ópticamente y el contraste entre las paredes y el objeto desaparece de forma efectiva. ^[4]

Los Hohlraums se utilizan en experimentos de Física de Alta Densidad de Energía (HEDP) y Fusión por Confinamiento Inercial (ICF) para convertir la energía láser en rayos X térmicos para implosionar cápsulas, calentar objetivos y generar ondas de radiación térmica. ^[5] También se pueden utilizar en diseños de armas nucleares.

El método 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 del hohlraum se fabrica utilizando un elemento de alto Z (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 de 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 se la ablaciona con los rayos X producidos por la pared del hohlraum al ser irradiada por láseres. Debido a la tercera ley de Newton, la parte interior de la cápsula de combustible implosiona, lo que hace que el combustible DT se supercomprima, lo que activa una reacción de fusión.

La fuente de radiación (por ejemplo, láser ) apunta al interior del hohlraum en lugar de a la propia cápsula de combustible. El hohlraum absorbe y vuelve a irradiar la energía en forma de rayos X , un proceso conocido como impulsión indirecta. La ventaja de este enfoque, en comparación con la impulsión directa, es que las estructuras de alto modo del punto láser se suavizan cuando la energía se vuelve a irradiar desde las paredes del hohlraum. La desventaja de este enfoque es que las asimetrías de bajo modo son más difíciles de controlar. Es importante poder controlar tanto las asimetrías de alto modo como las de bajo modo para lograr una implosión uniforme .

Las paredes del hohlraum deben tener una rugosidad superficial inferior a 1 micrón, por lo que se requiere un mecanizado preciso durante la fabricación. Cualquier imperfección de la pared del hohlraum durante la fabricación provocará una compresión desigual y no simétrica de la cápsula de combustible dentro del hohlraum durante la fusión por confinamiento inercial. Por lo tanto, se deben evitar cuidadosamente las imperfecciones, por lo que el acabado de la superficie es extremadamente importante, ya que durante los disparos láser ICF, debido a la intensa presión y temperatura, los resultados son muy susceptibles a la rugosidad de la textura del hohlraum. La cápsula de combustible debe ser exactamente esférica, con una rugosidad de textura inferior a un nanómetro, para que se inicie la ignición de la fusión. De lo contrario, la inestabilidad hará que la fusión fracase. La cápsula de combustible contiene un pequeño orificio de llenado con un diámetro inferior a 5 micrones 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 adecuada de los rayos X con esta geometría. A finales de la década de 1990, los físicos de objetivos 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 juiciosa de los materiales absorbentes, esta disposición, denominada objetivo de "radiador distribuido", proporciona una mejor simetría de rayos X y una mejor ganancia de objetivo en las simulaciones que los diseños anteriores. ^[6]

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 concentrar la energía de la etapa primaria ( fisión ) para hacer implosionar la etapa secundaria ( fusión ).

• NIF Hohlraum – Imagen de alta resolución en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.