Простой путь к ядерному синтезу

О физических механизмах получения экологически чистой реакции ядерного синтеза бора и водорода на установке фокусирования плазмы, созданной американской фирмой LLP Fusion
18 июля 2020  15:48 Отправить по email
Печать

Поиск источников сверхэкономичной зеленой энергии для комфортной жизни людей на планете подталкивает человечество к новым открытиям. Ученые проходят длинный и сложный путь, затрачивая ресурсы и энергию на свои эксперименты.

В первой статье Джонотан Тенненбаум рассказал о новом способе получения плотной фокусированной плазмы (ПФП) для получения реакций ядерного синтеза. Во второй статье, которая называется «Nuclear fusion the easy way», Теннебаум раскрывает детали механизма получения энергии ядерного синтеза с помощью ПФП.

* * *

В первой части я познакомил читателя с многообещающим инновационным подходом к ядерному синтезу с использованием небольшого и недорогого устройства плотной фокусировки плазмы (ПФП).

Фирма LLP Fusion, основанная исследователем физики плазмы Эриком Лернером, успешно получает реакции ядерного синтеза при рекордной температуре в 2,8 млрд градусов с помощью ПФП. Во многих отношениях устройство Лернера может конкурировать с экспериментальными установками ядерного синтеза, на которые тратится в сто раз больше денег. Как такое возможно?

Пришло время объяснить, как работает устройство ПФП Эрика Лернера. Физические принципы фокусировки плотной плазмы были хорошо описаны теоретически и были продемонстрированы на практике в многочисленных экспериментах начиная с 1970-х годов. Эксперименты показывали поразительную сложность явлений в разрядах ПФП, характеризующихся самоорганизацией и образованием плотных структур с высокой энергией.

Специальная конструкция ПФП, используемая Эриком Лернером, состоит из пары концентрических бериллиевых электродов длиной 10 сантиметров, установленных в камере, заполненной газообразным топливом под низким давлением. Внешний электрод — катод — имеет внешний радиус 5 сантиметров. Внутренний электрод — анод — представляет собой полый цилиндр с радиусом 2,8 см.

Электроды подключаются через быстрый переключатель к блоку конденсаторов, заряженных до напряжения 40 000 вольт. Когда переключатель замкнут, конденсаторы посылают мощный импульс на электроды, вызывая электрический разряд — кольцевую «искру» — между электродами. Таким образом, через устройство протекает ток более миллиона ампер.

Что это за «искра»? Соединение конденсатора с электродами создает интенсивное электрическое поле в пространстве между ними. Небольшое количество электронов, которые в газообразном состоянии не связаны с ядрами, устремляется с огромной скоростью к аноду, сталкиваясь с атомами на своём пути и освобождая электроны.

Атомы, которые потеряли электроны, становятся положительно заряженными ионами и ускоряют своё движение по направлению к катоду, сталкиваясь с другими атомами по мере их движения. Некоторые также сталкиваются с электродами, освобождая больше частиц (в основном электроны катода).

Этот поток приводит к тому, что все больше электронов выбиваются из атомов, создавая все больше свободных электронов и ионов и все больше столкновений. Газ быстро превращается в горячую среду с высокой энергией, состоящую из свободно движущихся электронов и ионов.

Эту среду физики называют «плазмой», или «четвертым состоянием материи». На самом деле, большая часть вещества во Вселенной существует в плазменном состоянии.

Теперь начинается самое интересное. Потоки электронов, стремящихся к аноду, и ионов, стремящихся к катоду, представляют собой электрические токи. Электрические токи генерируют магнитные поля. Магнитные поля действуют на электроны и ионы, что, в свою очередь, может изменить направление и силу токов.

Пинч-эффект

В этот момент вступает в игру физический механизм, известный как «пинч-эффект». Пинч-эффект — это ключевой механизм, с помощью которого ПФП концентрирует свою энергию.

Проще говоря, пинч-эффект позволяет параллельным электрическим токам притягивать друг друга. Этот эффект является следствием магнитных полей, создаваемых токами.

В результате плазма, несущая сильный ток, будет «зажата» перпендикулярно направлению тока.

Во многих подходах к термоядерному синтезу используется пинч-эффект — это, прежде всего, так называемые устройства термоядерного синтеза, самым крупным из которых является ИТЭР. Но есть большая разница в использовании этого эффекта на разных устройствах.

Пинч-эффект приводит к нестабильности в плазме. Но основные устройства по получению ядерного синтеза, такие как ИТЭР, следуют стратегии подавления нестабильности. Они стараются держать плазму как можно в более спокойном и стабильном состоянии. Цель состоит в том, чтобы достичь устойчивого состояния и при этом обеспечить непрерывное получение энергии. Плазменная нестабильность не просто нежелательна, она может привести к серьезному повреждению устройства.

ПФП, напротив, использует нестабильность как основной механизм достижения условий синтеза. Эта иная философия является одной из причин, по которой плазменный фокус обычно игнорируется в контексте получения энергии при ядерном синтезе.

Ядерный синтез в три этапа

Плотная фокусировка плазмы достигает условий, требующихся для реализации ядерного синтеза, через ряд этапов. Этот процесс неуловим для человеческого глаза — разряд длится около двух миллионных долей секунды, но сверхбыстрые камеры и другие инструменты могут документировать каждую стадию.

Стадия 1. Пинч-эффект приводит к тому, что первоначально гладкая плазменная оболочка распадается на массив плотных токовых нитей, проходящих радиально между электродами. Эти нити имеют характерную вихревую структуру, детально изученную физиками Уинстоном Бостиком и Витторио Нарди в начале 1970-х годов.

Стадия 2. Электромагнитные поля заставляют нити быстро перемещаться по оси устройства. Когда нити достигают концов электродов, изгибаются в виде фонтана и проникают внутрь полого анода. Внутри анода расстояние между нитями уменьшается. Когда их токи текут в одном и том же направлении, эффект сжатия действует снова, заставляя нити притягиваться друг к другу. Они сливаются вместе, образуя единую узкую нить плазмы.

Стадия 3. В этот момент электромагнитные взаимодействия приводят к тому, что сжатая нить становится нестабильной — так называемая нестабильность при изгибе. Нить намотана в спиральную форму. Соседние обмотки притягивают друг друга опять же благодаря пинч-эффекту. Наконец, спиральная нить преобразуется в узел, имеющий плотную структуру, называемый «плазмоидом».

Плазмоиды в экспериментах Лернера чрезвычайно малы — их размер составляет всего лишь миллиметр в поперечнике, что является примерно миллионной частью от первоначального объема плазмы.

Большая часть энергии разряда сосредоточена в этом крошечном узелке. Здесь плазма ограничена и сжата сверхсильными магнитными полями, генерируемыми токовыми нитями. Внутри плазмоида энергия быстро движущихся электронов и ионов преобразуется в тепло, создавая температуры почти в 3 млрд градусов.

При таких температурах происходит большое количество реакций синтеза. Общий выход термоядерного синтеза зависит от комбинации температуры, плотности плазмоида и времени, в течение которого плазмоид «живет».

В экспериментах Лернера «жизнь» плазмоида длится всего около 10 миллиардных долей секунды. Следовательно, основной целью является максимальное увеличение плотности плазмоида.

Уже достигнут большой прогресс, но еще предстоит пройти немалый путь.

Подписывайтесь на наш канал в Telegram или в LiveJournal.
Будьте всегда в курсе главных событий дня.

Комментарии читателей (0):

К этому материалу нет комментариев. Оставьте комментарий первым!
Подписывайтесь на ИА REX
Белоруссия до конца года войдёт в состав РФ?
55.3% Нет
Лукашенко для России?
Войти в учетную запись
Войти через соцсеть