Простой путь к ядерному синтезу
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 статьеДжонотан 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.