?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Есть за Океяном такое чудо - Z машина. Она предназначена для пропускания сверхкоротких и сверхмощных импульсов тока сквозь металлическую проволоку.

От этого проволока мгновенно превращается в плазму, а сверхмощное магнитное поле, создаваемое током, эту плазму сжимает, от чего она нагревается до таких температур, что начинает излучать тепловое рентгеновское излучение. Сжимаемый полем тока жгут плазмы называется z-пинч, отчего и произошло название машины. Если взять много проволочек и разместить между ними капсулу с хорошо поглощающими рентген стенками и термоядерным топливом (например дейтерий-тритиевой смесью) внутри, то получится миниатюрная модель современной термоядерной бомбы, с точностью до замены запала с атомной бомбы на z-пинч. Kак вы понимаете, Z машина была построена кровавой американской военщиной как раз для испытаний моделей термоядерного оружия в лабораторных условиях. Заодно и на последствия одного из поражающих факторов ядреного взрыва можно полюбоваться:


Дальнейшее является пересказом двух статей одной и той же группы авторов - 2010 и 2012 годов выпуска. Если знаете толк в извращениях, то можете также почитать несколько туманную заметку, являющуюся пересказом пресс-релиза, посвященного выходу статьи 2012г.


Поскольку полный КПД у двух последовательных преобразований (сначала преобразования кинетической энергии сжатия проволоки в рентген, а потом рентгена в кинетическую энергию сжатия стенок капсулы с топливом) меньше, чем у паровоза, при термоядерном минивзрыве капсулы энергии получается гораздо меньше, чем тратится на генерацию тока. Самоочевидная идея: убрать посредника в виде рентгеновского излучения, сделать капсулу в виде полого цилиндра с топливом внутри, и пропускать ток непосредственно сквозь стенки капсулы, чтобы стенки сжималась магнитным полем тока и сами сжимали (а вследствие сжатия - и нагревали) топливо. Тут однако возникает серьезная проблема в виде теплообмена - разогретая дейтерий-тритиевая плазма из-за наличествующих в ней свободных электронов хорошо проводит тепло и при контакте с более холодным веществом мгновенно остывает. Чтобы топливо смогло нагреться до 50 миллионов градусов и пошла термоядерная реакция, процедура сжатия должна быть неимоверно быстрой (стенки должны сжиматься со скоростью 300км/сек). Мощность, потребная для этого, находится далеко за пределами возможностей как Z-машины, так и ее обозримо-будущих аналогов.


С другой стороны, давно известно, что если плазму поместить в сильное магнитное поле, ее теплопроводность поперек поля уменьшится, поскольку магнитное поле будет мешать электронам двигаться в этом направлении. Магнитное поле линейного тока, которое сжимает капсулу, для этого, однако, не годится - внутри капсулы оно равно нулю, поскольку там нет тока. А чтобы подавить теплопроводность плотной плазмы нужно очень сильное поле.

Очень сильное поле можно получить с помощью процесса, аналогичному которому его приобретают нейтронные звезды: если намагнитить плазму, а потом эту плазму сжать - то сожмутся и силовые линии поля, а напряженность поля вырастет обратно пропорционально объему.


Предложенная авторами обзираемых статей схема такова: вокруг цилиндрической капсулы в плоскости перпендикулярной ее оси размещаются кольца, через которые пропускается относительно длительный и просто мощный импульс тока за миллисекунду до пропускания сверхмощного тока сквозь стенки капсулы.

MagLIF device scheme

Поперечный срез установки. Голубым обозначены генерирующие начальное магнитное поле кольца, серым – электроды Z машины, маленький цветастый объект в центре - капсула перед сжатием.

MagLIF device photo
А вот как это выглядит в металле

Эти кольца создают поле с индукцией в несколько десятков тесл (что очень много для постоянного поля, но на миллисекунду создать такое поле не проблема, это делал еще Резерфорд, точнее его малоизвестный аспирант по фамилии Капица), параллельное оси цилиндра, так что получается нечто похожее на обычную магнитную ловушку. Непосредственно в момент начала подачи основного импульса тока сквозь цилиндр, сквозь его боковую поверхность по его содержимому (газообразная дейтерий-тритиевая смесь под давлением в несколько атмосфер) бьет луч лазера, который нагревает газ до нескольких миллионов градусов, из-за чего тот немедленно ионизируется и превращается в плазму.



MagLIF liner scheme

Капсула после удара лазерного луча, но до сжатия.

Магнитное поле колец оказывается "замороженным" в этой плазме, так что когда цилиндр схлопывается к своей оси после пропускания сквозь его стенки тока Z-машины, а бывший газ превращается в тоненькую иголочку с высотой, равной высоте бывшего цилиндра и радиусом в 50 раз меньше начального, магнитное поле тоже сжимается и достигает индукции в 10000 тесл!


Такого поля уже вполне хватает, чтобы настолько подавить теплопроводность плазмы в поперечном направлении (в продольном направлении тепло может утекать только через основания цилиндра, площадь которых на заключительной стадии сжатия, когда потери наиболее существенны, очень мала), что для достижения вожделенных 50 миллионов градусов требуется, чтобы стенки камеры сжимались со скоростью всего 100 км/сек (сокращение скорости по сравнению со случаем отсутствия магнитного поля всего в три раза, но это дает уменьшение требующейся энергии на порядок).


Тут уместно упомянуть, что сама схема с сжатием предварительно нагретой и намагниченной плазмы была предложена еще тридцать лет назад, и тогда же было рассчитано, что требующуюся скорость сжатия можно сократить и до 10 км/сек, но для этого нужно, чтобы плазма до сжатия имела начальную плотность в тысячу раз меньше плотности воздуха. Также очень давно были проведены успешные эксперименты с ударным сжатием намагниченной дейтерий-тритиевой плазмы, в них продемонстрировано, что в случае наличия магнитного поля ядерная реакция идет, а без - нет. В статье 2010 года внесена только одна свежая идея: не надо так уж гонятся за сокращением скорости сжатия любой ценой (поскольку Z-машина позволяет на этом не экономить), а относительно высокая плотность плазмы вознаградится некоторыми важными бонусами.


Самый главный из этих бонусов: длина пробега быстрых ядер гелия, которые образуются при синтезе дейтерия и трития, в плотной плазме всего порядка 1 см, так что достаточно сделать цилиндрик высотой 1 см, чтобы ядра гелия, двигаясь вдоль оси, успели отдать всю свою энергию на дополнительный разогрев плазмы. А выскочить поперек оси им не даст все то же десятитыщетесловое продольное магнитное поле. То есть, в отличии от обычной схемы двухпробочной магнитной ловушки, здесь пробки не требуются. Подчеркну - магнитное поле не держит саму плазму, так что плазма немедленно после сжатия начинает расширяться обратно. Наоборот, это плазма держит поле, которое не дает наиболее быстрым частицам - электронам и образовавшимся при ядерной реакции быстрым ядрам - удрать из коллектива.


"Иголочка" из вещества, в которой идет термоядерная реакция, разогревается уже за счет поглощенной энергии ядер гелия (основная часть энергии, получающейся при синтезе, уносится быстрыми нейтронами, но да и ладно), и возникает еще одна самоочевидная идея - использовать эту энергию для поджига холодной дейтерий-тритиевой смеси. Но этому должен сильно мешать как раз тот эффект, который использовался на первоначальном этапе - подавление теплопроводности магнитным полем. И вот тут мы наконец подобрались к тому, что сделано в той работе 2012г., которой был посвящен пресс-релиз, которому была посвящена заметка: путем численного моделирования там показано, что эта проблема не так существенна, как казалось, если не переусердствовать с напряженностью начального магнитного поля (оптимальное начальное поле получилось равным 10 теслам для варианта с самой большой плотностью плазмы после сжатия).


Окончательно предложенная авторами схема выглядит так: кроме газообразной дейтерий-тритиевой смеси, в капсуле должна находится еще и твердая дейтерий-тритиевая смесь, намороженная на стенки (там, где на предыдущей картинке синий цвет, хотя там он в общем-то изображает просто не разогретый газ, поскольку это из статьи 2010г.). Газ нагревается ударом лазера до нескольких миллионов градусов, а твердый водород так и оставляется холодным, поэтому на его сжатие тратится гораздо меньше энергии, чем на сжатие плазмы. После сжатия получается "горячее пятно" с плотностью приблизительно равной плотности воды, окруженное бывшим твердым водородом, сжавшимся до плотности в двадцать раз плотнее свинца. Горячее пятно расширяется, нагреваясь за счет ядерной реакции, и постепенно сжигает плотное топливо (постепенно - это за наносекунды).


Выводы обнадеживают - даже на современной Z-машине при взрыве капсулы по такой схеме можно получать столько же дополнительной энергии, сколько потрачено на генерацию сжимающего тока. А после постройки новой ZN-машины, в которой генерируемый пиковый ток должен повысится в два раза, при взрыве должно получатся аж в сто раз больше энергии, чем затрачено, чего даже с учетом далеко не 100%й конвертации тепловой энергии в электрическую хватит на то, чтобы считать управляемый термояд с положительным балансом осуществившимся! Единственная проблема - насколько часто удастся повторять взрывы, ведь сейчас подготовка Z-машины к импульсу занимает много часов...

Comments

( 28 comments — Leave a comment )
2born
Jul. 24th, 2012 05:07 pm (UTC)
О, а я этот ваш пост проморгал... Очень интересно, спасибо! Не знал, что z-пинч таки используют! А магнитная кумуляция - вещь давольно-таки давняя, побольше тридцати лет будет, еще Сахаров этим баловался.
antihydrogen
Jul. 24th, 2012 07:00 pm (UTC)
Да, они в статье ссылаются на некий мудреный метод, придуманный в России, но я уж не стал разбиратся в деталях.
2born
Jul. 24th, 2012 07:54 pm (UTC)
О, а я ведь только сейчас сообразил, что не знаю, где и когда (и была ли вообще) эта идея магнитной кумуляции (это когда среду с вмороженными силовыми линиями магнитного поля резко сжимаем и получаем всплеск напряженности) опубликована. С тех пор, как на физике плазмы нам Степанов ( http://2born.livejournal.com/37896.html ) рассказал, как в Арзамасе-16 Сахаров предлагал сделать на этой основе компактный ускоритель электронов на энергию 1 ГэВ, для меня это было как-то общим местом:) Смешно по нынешним временам, а тогда - чего там, ребята молодые, рванем атомную бомбочку для быстрого сжатия и получим что надо! Ну, теперь-то, конечно, все опубликовано так или иначе, смутно вспоминается что-то в УФН, там любят время от времени делать обзоры тех результатов. Ага, еще в учебнике электродинамики Терлецкого и Рыбакова что-то было.
antihydrogen
Jul. 24th, 2012 08:24 pm (UTC)
Нет, магнитная то кумуляция действительно идея настолько древняя, что скорее всего не имеет конкретного авторства. Я то писал про использование магнитного поля для снижения теплопроводности плазмы, что, если верить обзираемой статье, было открыто в 49 году, а к 1982 году относится работа с оценками приложимости этого эффекта к термоизоляции быстро сжимаемой плазмы.
2born
Jul. 24th, 2012 10:36 pm (UTC)
А, понятно! Перепостить можно?
antihydrogen
Jul. 25th, 2012 09:14 am (UTC)
Да, конечно!
livejournal
Jul. 25th, 2012 02:43 pm (UTC)
Оказывается, z-пинч таки используют!
Пользователь 2born сослался на вашу запись в «Оказывается, z-пинч таки используют!» в контексте: [...] Оригинал взят у в Магнитная имплозия магнитной ловушки [...]
livejournal
Aug. 9th, 2012 06:07 pm (UTC)
Магнитная имплозия магнитной ловушки
Пользователь nepilsonis сослался на вашу запись в «Магнитная имплозия магнитной ловушки» в контексте: [...] Оригинал взят у в Магнитная имплозия магнитной ловушки [...]
(Deleted comment)
antihydrogen
Dec. 6th, 2012 10:56 am (UTC)
Re: авторами обзираемых статей схема такова:
Это профессиональная привычка: обозревать желательно свои статьи, а чужие - только обзирать...

>> а твердый водород так и оставляется холодным

> но почему? он же в котакте с горячей плазмой, да и напрямую от лазера наверняка греется...

Лазерный луч предполагается фокусировать так, чтобы он стенки не задевал. А нагреться за счет теплопроводности лёд не успеет, поскольку одновременно с ударом лазера должен включится ток в оболочке, и следующие несколько наносекунд лед будет в основном занят коллапсом, по окончании которого он сам фактически будет плазмой, только сверхплотной и нагретой до относительно скромной температуры порядка миллиона градусов.

К тому же, как написано выше, теплопроводность будет настолько сильно подавлена вспомогательным магнитным полем, что были опасения, что даже после начала термоядерной реакции в бывшем газе бывший лед не успеет нагреться до температуры зажигания, прежде чем разлететься обратно.
Андрей Гаврилов
Dec. 29th, 2012 08:03 pm (UTC)
>Единственная проблема - насколько часто удастся повторять взрывы, ведь сейчас подготовка Z-машины к импульсу занимает много часов.

- c LTD же быстрее будет?
antihydrogen
Dec. 29th, 2012 08:24 pm (UTC)
Обещают раз в 100 секунд. Правда, есть одна проблема, на которую я только сейчас обратил внимание: при взрыве идеально оптимизированного лайнера ZN-машиной должно получатся 10ГДж на 1 см длины лайнера, а минимально возможная длина лайнера (определяемая длиной пробега альфа-частиц вдоль магнитного поля) 0.5 см. А 5ГДж это между прочим тонна тротилового эквивалента...
Андрей Гаврилов
Dec. 29th, 2012 08:43 pm (UTC)
нда, "с партизанами как-то нехорошо получилось".
Интересно, как в Sandia собираются решать сию проблему.

Видел как-то анимацию (Sandia, по-моему, и делала) предполагаемого цикла работы такой электростанции. Отстрел, цилиндры с лайнером (и линиями передачи) меняются, снова отстрел, лепота...
antihydrogen
Dec. 29th, 2012 08:46 pm (UTC)
Ну если не пытаться достичь 1ооо-кратного энергетического выхода, а ограничится хотя бы 100-кратным - ТЯЭС будет несколько менее ... громкой. Да и ток для этого нужен несколько меньший.

Впрочем, все эти рассуждения пока что дележ шкуры неубитого медведя.
Андрей Гаврилов
Dec. 29th, 2012 08:58 pm (UTC)
что ж, подождем, пока завалят хоть какого-нибудь [медведя]. До испытаний не так уж и долго ждать осталось.
Андрей Гаврилов
Feb. 12th, 2013 11:58 am (UTC)
вышеупомянутый мной ролик (или очень на него похожий) с общей схемой работы Z-Pinch Inertial Fusion Energy (Z-IFE) power plant: http://www.sandia.gov/LabNews/ln04-27-07/Z-PoP.wmv

источник: http://www.sandia.gov/LabNews/070427.html
antihydrogen
Feb. 13th, 2013 11:50 am (UTC)
Спасибо.
livejournal
Jun. 8th, 2015 10:22 am (UTC)
Профинансированы 9 проектов в рамках альтернативной в
Пользователь vladimir690 сослался на вашу запись в своей записи «Профинансированы 9 проектов в рамках альтернативной ветки термоядерной энергетики» в контексте: [...] пойдет на развитие известного MagLIF (о котором очень хорошо в свое время написал antihydrogen [...]
livejournal
Aug. 8th, 2015 09:29 am (UTC)
генерал Фузион
Пользователь tnenergy сослался на вашу запись в своей записи «генерал Фузион» в контексте: [...] группа проектов , в т.ч. известный MagLIF [...]
livejournal
Aug. 8th, 2015 11:52 am (UTC)
Проект термоядерной установки с паровыми (!) молотами (!
Пользователь is2006 сослался на вашу запись в своей записи «Проект термоядерной установки с паровыми (!) молотами (!)» в контексте: [...] группа проектов , в т.ч. известный MagLIF [...]
livejournal
Aug. 8th, 2015 12:25 pm (UTC)
генерал Фузион
Пользователь tnenergy сослался на вашу запись в своей записи «генерал Фузион» в контексте: [...] группа проектов , в т.ч. известный MagLIF [...]
livejournal
Aug. 8th, 2015 09:18 pm (UTC)
генерал Фузион
Пользователь eil сослался на вашу запись в своей записи «генерал Фузион» в контексте: [...] группа проектов , в т.ч. известный MagLIF [...]
livejournal
Aug. 9th, 2015 07:15 am (UTC)
генерал Фузион
Пользователь manfred00 сослался на вашу запись в своей записи «генерал Фузион» в контексте: [...] группа проектов , в т.ч. известный MagLIF [...]
livejournal
Aug. 9th, 2015 10:01 am (UTC)
термоядерный стимпанк
Пользователь red_atomic_tank сослался на вашу запись в своей записи «термоядерный стимпанк» в контексте: [...] группа проектов , в т.ч. известный MagLIF [...]
livejournal
Aug. 11th, 2015 07:00 am (UTC)
генерал Фузион
Пользователь tnenergy сослался на вашу запись в своей записи «генерал Фузион» в контексте: [...] группа проектов , в т.ч. известный MagLIF [...]
livejournal
Aug. 23rd, 2015 09:42 am (UTC)
генерал Фузион
Пользователь gogaverylong сослался на вашу запись в своей записи «генерал Фузион» в контексте: [...] группа проектов , в т.ч. известный MagLIF [...]
livejournal
Sep. 12th, 2015 11:23 pm (UTC)
Термоядерный реактор на плазменных вихрях от Tri Alpha
Пользователь tnenergy сослался на вашу запись в своей записи «Термоядерный реактор на плазменных вихрях от Tri Alpha» в контексте: [...] уру и плотность. Например одним из самых продвинутых вариантов импульсного УТС является MagLIF [...]
livejournal
Jul. 21st, 2016 01:40 am (UTC)
Здравствуйте! Ваша запись попала в топ-25 популярных записей LiveJournal волжского региона. Подробнее о рейтинге читайте в Справке.
( 28 comments — Leave a comment )

Profile

|Psi|^2
antihydrogen
antihydrogen

Latest Month

June 2017
S M T W T F S
    123
45678910
11121314151617
18192021222324
252627282930 
Powered by LiveJournal.com
Designed by Lilia Ahner