أكثر من 2 مليار درجة! تحليل ورقة مالكوم هاينز ( أبريل 2006 )
أكثر من 2 مليار درجة!
مقالة مالكوم هاينز
نشر في 24 فبراير 2006 في مجلة Physical Review Letters
تم التحديث في 16 يوليو 2006 ( بيانات في الأسفل عن منحنى ارتفاع التيار في ماكينة Z )
****تحديث في 18 مارس 2008. بعد نشر مقال في مجلة Science et Avenir
**papier_Haines.htm#vilnius ** ****
لغير العلماء
يتساءل القراء إن كانت هذه درجات الحرارة الأيونية التي تتجاوز 2 مليار درجة قد تم قياسها فعليًا. الجواب هو نعم. لكن ظاهرة غامضة كانت قد لاحظت منذ عام 1998 في تجارب الضغط البلازما التي أجريت باستخدام ماكينة Z. تضمنت هذه التجارب تركيبات متنوعة. على سبيل المثال، عندما انفجرت "سلة الطيور"، أرسلنا "نفخة غاز" أو "نفخة غاز" في المركز، والتي تم ضغطها في تلك اللحظة. إصدار الأشعة السينية سمح بقياس درجة حرارة الإلكترونات. البلازما هي خليط "من نوعين": الأيونات، الثقيلة، والإلكترونات، الخفيفة. في "بلازما الحديد"، في "الحديد الم-ionized"، فإن النوى (56 نوكلون، 26 بروتون) تزن 100000 مرة أكثر من الإلكترونات (النوى تتكون من "نوكلونات" ذات كتل قريبة جداً: البروتونات والإلكترونات. الإلكترون أخف بمرتين 1850 مرة من البروتون).
يحتوي أنبوب النيون أيضًا على "هذين النوعين"، الإلكترونات وأيونات النيون (حتى وإن لم تكن هذه الأيونات قد تخلصت تمامًا من "غطائها الإلكتروني"). عندما يعمل الأنبوب، فإنه يحتوي على خليط "بItemType" حيث يبقى الغاز المكون من الذرات، وأيونات النيون باردة. (يمكنك لمس الأنبوب بيدك)، ولكن "غاز الإلكترونات" أكثر سخونة، حيث يصل إلى 10000 درجة. لماذا لا تشعر بهذه الحرارة بيدك؟ لأن الإلكترونات، الفقراء، متحفظون جدًا ولا يستطيعون إعطائك الطاقة، الحرارة. لكن لديهم طاقة كافية لتفعيل، من خلال الاصطدامات، طبقة الفلورية التي تغطي داخل الأنبوب. وهذا هو السبب في تسمية هذه الأنبوب بـ
أنابيب الفلورية
. الفلورية هي القدرة على امتصاص الإشعاع وإعادة إصداره بتردد مختلف. على سبيل المثال، تُمتص الإشعاع الشمسي من قبل الفلوريسين وتُعيد إصداره باللون الأخضر. يمكن لملابس النايلون امتصاص الإشعاع فوق البنفسجي وإعادة إصداره في المرئي (هذا هو "الضوء الأسود" في النوادي الراقية) إلخ. طبقة الأنبوب البيضاء مُحاطة بالإلكترونات التي لها طاقة تتوافق مع نطاق الأشعة فوق البنفسجية، ولكن عند اصطدامها بالمواد المكونة للطبقة، تسبب إعادة إصدار في المرئي. تُركب هذه الطبقة بحيث تكون إضاءتها أقرب ما يمكن إلى الضوء المرئي. لكن هذا ليس بالضبط الحال. وهذا هو السبب في أن ضوء النيون يبدو لك "غريبًا" جدًا.
الشيء المهم لفهمه هو أن هناك وسطًا "بItemType". السبب في هذه الحالة هو أن المجال الكهربائي السائد في الأنبوب، المرتبط بتطبيق الجهد على الأقطاب، ينقل الطاقة بشكل أولوي إلى الإلكترونات، والتي تعيد توجيهها إلى الأيونات من خلال الاصطدامات. لكن بسبب فعالية منخفضة في نقل الطاقة بين غاز الإلكترونات وغاز الأيونات، يمكن أن يكون هناك فرق كبير في درجة الحرارة. وهذا يعود بشكل خاص إلى حقيقة أن الوسط مخفف. إذا تسرب الأنبوب وارتفعت الضغطة، تختفي هذه "الحالة غير المتوازنة" فورًا. غاز الإلكترونات، المرتبط بشكل قوي بالأيونات، يبرد بسرعة. ثم هذه الإلكترونات، الأقل "تقلّبًا" (درجة الحرارة المطلقة في الغاز تتوافق مع الحركة التقلّبية الحرارية)، تعود بسهولة إلى الذرات التي تُعيد تشكيلها، وتصبح محايدة.
أدت تجربة ماكينة Z إلى حالة غريبة جدًا. هناك نوعان من المواد في المكان:
-
غاز الإلكترونات
-
غاز الأيونات (في الفولاذ المقاوم للصدأ، بشكل أساسي نوى الحديد، موجبة الشحنة)
عندما حاول الناس، منذ عام 1998، تفسير قياساتهم، لم يكن لديهم إلا درجة حرارة الإلكترونات، من خلال قياس الأشعة السينية المنبعثة. لماذا يُعتبر غاز الإلكترونات مصدرًا رئيسيًا لهذا الإشعاع في هذه التجارب؟ لأن هناك مجالًا مغناطيسيًا عاليًا حول البلازما. عندما يدخل الإلكترونات، التي تتحرك بسرعة 40000 كم/ث، إلى هذه المنطقة التي توجد فيها مجال مغناطيسي قوي، فإنها تدور. ثم "تصرخ"، وتُصدر "إشعاع توقف". من خلال قياس هذه الأشعة السينية المنبعثة، قام الباحثون بقياس درجة حرارة هذا الغاز الإلكتروني: 35 مليون درجة في التجارب التي نتحدث عنها في هذه الورقة.
لكن باستخدام الصيغ (علاقة بنتون)، إذا حاولوا تقدير درجة حرارة الأيونات الحديدية التي يجب أن تكون لموازنة الضغط المغناطيسي الضخم خارج البلازما، فكان عليهم الاعتراف بأن هذه الدرجة يجب أن تكون أعلى بكثير. منذ عام 1998، بغض النظر عن التجارب التي أجريت، كان هذا الفرق في درجات الحرارة واضحًا. كان من الضروري أن تكون هذه القيم العالية لكي لا يُدمر البلازما فورًا بواسطة الضغط المغناطيسي. نرى أن هذا يشير إلى حالة غير متوازنة (في التوازن الديناميكي الحراري، درجات حرارة جميع الأنواع المكونة لخلط غازي تكون متساوية)، حالة بItemType عكسية عن أنبوب النيون، حيث كانت هذه المرة غاز الأيونات أكثر سخونة من غاز الإلكترونات.
ملاحظة بسيطة: ما الذي يخلق "التوازن الديناميكي الحراري"؟ هو تبادل الطاقة بين الجسيمات، من خلال الاصطدامات. الطاقة، على سبيل المثال، هي الطاقة الحركية
. لماذا المؤشر i؟ لأن البلازما هي خليط من أنواع مختلفة، v
هي سرعة الاهتزاز الحراري، و < v
هي "السرعة المتوسطة المربعة". وبالتالي
هي
الطاقة الحركية المتوسطة
، في النوع المعتبر. هذه هي تعريف درجة الحرارة المطلقة، التي تقيس الطاقة الحركية المتوسطة (الاهتزاز الحراري) لجسيم معين، وفقًا للعلاقة:
حيث k هي ثابت بولتزمان، ويساوي 1.38 × 10
في الاصطدامات، تتبادل الجسيمات الطاقة. هذا الظاهرة تتجه نحو توزيع متساوٍ للطاقة. عندما يتعلق الأمر بالطاقة الحركية فقط، فإن الأنواع المختلفة تميل إلى امتلاك طاقة حركية تقلّبية متساوية. وبالتالي درجات حرارة مطلقة متساوية:
لنفترض أن هناك جسيمين كتلتين مختلفتين m
و m
و i هو الأخف.
نظرية الغازات الحركية
تقول لنا أن معدل نقل الطاقة الحركية في اصطدام سيكون متناسبًا مع نسبة
إذا كانت الكتل مختلفة بشكل كبير، فإننا نلاحظ في الممر أن درجة الحرارة المحددة (كافية لجعل الوسط م-ionized، أي وجود إلكترونات حرة) تجعل فرق الكتل يجعل سرعة الاهتزاز الإلكتروني والioni مختلفة بشكل كبير. لنأخذ مثالًا على بلازما الهيدروجين والديوتيريوم والترتيوم، مع كتلة ذرية متوسطة تبلغ 2.5 (2 للديوتيريوم، 3 للترتيوم). تخيل أن غاز الأيونات يكون عند 100 مليون درجة (في توكاماك). سرعة الاهتزاز الحراري ستكون:
من الدرجة ( 3 k T
يبلغ وزن البروتون 1.6 × 10
كجم
كتلة الأيونات الهيدروجينية المتوسطة هي إذن 1.6 × 10
2.5، أي 4 × 10
كجم
لذلك، سرعة الاهتزاز الحراري المتوسطة للأيونات الهيدروجينية في توكاماك هي، في 10
م/ث، أي
ألف كيلومتر في الثانية
. رقم مثير للاهتمام للاحتفاظ به. في توكاماك، يُحدد حالة التوازن الديناميكي الحراري. درجة حرارة غاز الإلكترونات هي نفسها درجة حرارة الأيونات. لكن سرعة الاهتزاز للإلكترونات أعلى من تلك الخاصة بالأيونات، في العكس من الجذر التربيعي لنسبة الكتل.
كتلة الإلكترون هي
= 0.91 × 10
كجم
في بلازما الهيدروجين الثقيل، نسبة الكتل هي 4400، ونسبة سرعة الاهتزاز الحراري بين الإلكترونات والأيونات هي الجذر التربيعي لهذا الرقم، أي 66. وبالتالي، سرعة الاهتزاز الحراري للإلكترونات في توكاماك هي 66 مرة أعلى من تلك الخاصة بالأيونات، أي 66000 كم/ث، أي 20% من سرعة الضوء. ملاحظة بسيطة.
في بلازما الحديد في ماكينة Z، نسبة الكتل تصل إلى 100000. في بلازما حديدية في حالة توازن، نسبة سرعة الاهتزاز الحراري بين الإلكترونات والأيونات الحديدية ستكون 316. ولكن كما سنرى لاحقًا، بلازما الحديد في ماكينة Z هي بعيدة جدًا عن التوازن. الفرق مع أنابيب الفلورية هو أن درجة حرارة الإلكترونات أقل بمرتين من درجة حرارة الأيونات. إذًا، هذا نوع جديد من البلازما
في حالة عدم توازن عكسي
هذا وسط جديد، غير مفهوم جيدًا، يحتاج إلى استكشاف. في الواقع، هو حقل جديد للتجارب والنظرية. ماكينة Z هي في المقام الأول مولد كهربائي قوي:
ماكينة Z من سانديا، قبل عام 2007
(تم تعديلها لاحقًا وتحويلها إلى ZR، Z " المُعاد تأهيلها ")
تُصدر نبضات بقوة 18 مليون أمبير، في 100 نانو ثانية. نانو ثانية هي مليار جزء من الثانية. تزداد الشدة الكهربائية بشكل خطي: منحنى ارتفاع الشدة الكهربائية في ماكينة Z (مطابق في ZR)
ماكينة ZR، التي تعمل منذ عام 2007، قادرة على الوصول إلى 26 مليون أمبير، أيضًا في 100 نانو ثانية
تُرسل ماكينة Z هذا التيار إلى "مُحاطة من الأسلاك"، نوع من "سلة الطيور"، بارتفاع 5 سم وقطر 8 سم، مكونة من 240 سلكًا من الفولاذ المقاوم للصدأ، أرق من شعر الإنسان: .
تركيب "مُحاطة من الأسلاك"
في كل سلك يمر:
75000 أمبير
يُولد كل سلك مجالًا مغناطيسيًا، يتفاعل مع الأسلاك المجاورة وفقًا لقوة لابلاس I B. هذه القوى هي قوى مركزية وتشجع على جمع جميع هذه الأسلاك وفقًا لمحور النظام.
تسعى قوى لابلاس إلى جمع الأسلاك وفقًا لمحور النظام
الرسم الذي كان له تأثير كبير على جيرولد يوناس، مخترع الماكينة
عند الاندماج، تتبخر الأسلاك المعدنية تدريجيًا:
تشكيل قشرة البلازما
(رسالة ماثياس باواي)
هي البنية المكونة من الأسلاك التي تُحافظ على التماثل المحوري وتمنع ظهور عدم الاستقرار MHD. هناك آراء متنوعة حول سلوك هذه المُحاطة من الأسلاك خلال الانهيار. يُحيط كل سلك بطبقة من بلازما الحديد. تظهر التجربة أن الأسلاك تترك خلفها نوعًا من "ذيل المذنب" يمثل 30% من كتلتها.
يمكن حساب شكل هذا الانهيار (انظر لاحقًا). بحجم 4 سم ووقت 100 نانو ثانية، فإن السرعة المتوسطة للاندماج هي 400 كم/ث. في الواقع، هناك تسارع في اللحظة قبل الاصطدام. سرعة الأيونات قبل الاصطدام تتراوح بين 550 و650 كم/ث. الحفاظ على التماثل المحوري يجعل بلازما الحديد تشكل خيطًا بقطر 1.5 مم في نهاية الانهيار.
الأيونات والإلكترونات تندمج بسرعة متساوية نحو المحور. من المستحيل فصل مجموعتين بسبب القوى الكهروستاتيكية القوية التي تربطها. عندما تتصادم هذه الجسيمات، الأيونات الحديدية والإلكترونات بالقرب من المحور، يحدث تجانس، أي أن الطاقة الحركية المرتبطة بالسرعة الشعاعية تُوزع في جميع الاتجاهات. هذا صحيح للأيونات كما للإلكترونات.
لننسى أولاً الإلكترونات ونفترض أن هناك مجموعة من الأجسام ذات كتلة مساوية لكتلة الأيونات الحديدية توجد بالقرب من المحور بسرعة 650 كم/ث.
كتلة الأيونات الحديدية هي 9 × 10
كجم
نكتب:
V = 600 كم/ث
نحصل على درجة حرارة أيونية تبلغ 925 مليون درجة. تحويل بسيط لهذه السرعة الشعاعية إلى سرعة الاهتزاز الحراري للأيونات.
نقوم بنفس الحساب للإلكترونات، نحصل على درجة حرارة أقل بعشرة آلاف مرة، حوالي 9250 درجة. حالة قوية من عدم التوازن العكسي. ثم تدخل الاصطدامات اللعب. بالنسبة للأيونات، حسب مالكوم هاينز، فإن وقت الراحة (وقت تجانس غاز الأيونات، تشكيل دالة توزيع السرعة) هو 37 بيكو ثانية، أي 3.7 × 10
ثانية. هذا الوقت صغير مقارنة بـ "وقت التوقف" للبلازما، على شكل خيط كثيف وساخن، بحجم ملقط قلم رصاص.
تُظهر القياسات (إطلاق الأشعة السينية من خلال "إشعاع التوقف"، التفاعل بين الإلكترونات والأيونات) درجة حرارة تبلغ 30 مليون درجة. إذًا، غاز الإلكترونات تم تسخينه. سنحلل هذا لاحقًا. من المعتاد تقييم درجات الحرارة العالية بالإلكترون فولت، وفقًا للعلاقة
e V = k T
مع e (الشحنة الكهربائية وحدة) = 1.6 × 10-19 كولوم
إذا كان لدينا وسط يمثل درجة حرارة، مسخّنًا بـ "إلكترون فولت" يساوي "إلكترون فولت" فهذا سيتوافق مع درجة حرارة
T = e / k = 11600° K
بما أننا نتحدث بالترتيبات الكبيرة، فإننا غالبًا نعتاد تحويل الإلكترون فولت إلى درجة كلفن من خلال إجراء
T = 10000 V
إذًا، "كيلو إلكترون فولت"، "كيلو إلكترون فولت" يعادل 10000°
تُظهر قياسات الإشعاع المنبعث (في نطاق الأشعة السينية) درجة حرارة تبلغ 30 كيلو إلكترون فولت، والتي نقربها إلى 30 مليون درجة.
مشكلة أخرى: نجد أن غاز الأيونات أكثر سخونة بثلاثة إلى أربع مرات من ما يمكن الحصول عليه من تجانس بسيط. تشير قياسات درجة الحرارة إلى قيمة تزيد عن 2 مليار درجة، وصلت حتى القيمة القصوى البالغة 3.7 مليار درجة. من أين تأتي هذه الطاقة؟ سنتناول هذا مرة أخرى لاحقًا؛ .
تم إجراء قياسات درجة الحرارة باستخدام الطريقة التقليدية لتقدير اتساع خطوط الطيف من خلال تأثير دوبلر. تُصدر النوى (مثل الذرات، الجزيئات) الإشعاع وفقًا لطيف معين يحتوي على خطوط مميزة.
إذا كان الوسط باردًا نسبيًا، فإن هذه الخطوط رفيعة.
طيف الإصدار للصلب غير القابل للصدأ "بارد نسبيًا"، مُسخن إلى درجة حرارة 100000° كلفن
نحدد خطوط الكروم (الخطوط الأولى، إلى اليسار) ثم خطوط المنغنيز، الفولاذ المقاوم للصدأ والنيكل.
في هذا الفولاذ المقاوم للصدأ، الكربون يمثل 0.15% من الخليط، وخطوطه غير مرئية.
الخطوط تتوافق مع التحفيز الإلكتروني. حول نواة تدور إلكترونات على مسارات محددة، لسبب مرتبط بالفيزياء الكمومية (تكميم المسارات). يمكن أن يؤدي إدخال طاقة من أي مصدر إلى "انتقال"، أي تغيير مسار إلكترون. يحدث هذا دائمًا في اتجاه الانتقال إلى مدار أبعد، الذي يمثل طاقة أكبر. لا حاجة لحسابات معقدة لمناقشة هذه الفكرة. أنت تعرف جيدًا أن لوضع شحنات كتلة M على مدار، كلما كان المدار أعلى، كلما كانت الصاروخ أقوى. تُدخل الطاقة الإلكترون إلى مدار "أعلى"، أبعد عن النواة. لا يبقى هناك لفترة طويلة (هناك عمر لحالات مثارة)، ولا يأخذ وقتًا طويلًا للعودة إلى مدار أقرب إلى النواة. في هذه الحالة، يفقد الطاقة التي تُصدر على شكل فوتون، وطاقة الفوتون تساوي الفرق في الطاقة بين حالتين. وبالتالي يُنتج هذا طيفًا من "خطوط".
يحتوي ذرة الحديد على 26 إلكترونًا.
يمكنهم جميعًا إجراء تغييرات في المسار، والعودة، وليس بالضرورة إلى مسارهم الأصلي. وبالتالي يحتوي الطيف على مجموعة كبيرة من الخطوط. بعضها أعلى من البعض الآخر. ماذا يمثل "ارتفاع الخطوط"؟ طاقة الإصدار حسب هذه التردد. خط يقيس مساهمة انتقال معين. بعض الانتقالات أكثر احتمالًا من أخرى. هذه الانتقالات الأكثر احتمالًا، وبالتالي أكثر شيوعًا، ستقدم معظم الإشعاع. عند النظر إلى الرسم البياني أعلاه، نرى أن الإصدار الأقوى في حالة الفولاذ المقاوم للصدأ، الذي يبلغ درجة حرارته بين 58000 (5 إلكترون فولت) و116000 كلفن (10 إلكترون فولت)، يأتي من خط الكروم. خط المنغنيز "أقل حدة". في هذه درجات الحرارة، الذرات مُعَرَّضَة بالفعل لفقدان الإلكترونات. لكن لا يزال هناك بعضها. كم؟ لا أملك مرجعًا الآن لمساعدتك في الإجابة. يتم تفكيكها تدريجيًا. لا أعرف بالضبط في أي درجة حرارة يجب أن نرفع الحديد أو الكروم للحصول على تفكيك كامل، حيث يتم إزالة الإلكترون الأخير. يمكن حساب ذلك بالفعل. هذه هي الطاقة المطلوبة لإزالة هذا الإلكترون الأخير من نواة مزودة بـ 26 شحنة موجبة.
ما تم قياسه في تجارب سانديا يشير إلى طيف تنشيط-إلغاء تنشيط الإلكترونات التي بقيت حول النوى.
التوسع في الخطوط مرتبط بتأثير دوبلر-فيزيو.
طيف نفس المادة، مُسخن إلى ملايين الدرجات. تسبب تأثير دوبلر توسع الخطوط
التردد المقابل لنقل مدار معين (لخط معين) سيكون أعلى إذا اقترب الذرة من المراقب وستكون أقل إذا ابتعدت (هذا هو "الانزياح الأحمر"). وبالتالي، الاهتزاز الحراري
يتوسع الخطوط
. القياسات، الموثوقة، أُجريت وتأكيد هذه القيم العالية لدرجة حرارة الأيونات، والتي تصل إلى ملايين الدرجات (
بين 2.66 و3.7 مليار درجة
نتائج مايو 2005 على ماكينة Z من سانديا.
باللون الأسود، ارتفاع درجة حرارة الأيونات. باللون الأزرق، قطر البلازما.
على المحور الأفقي: الوقت بالنانو ثانية
(nano ثانية تمثل مليار جزء من الثانية)
الانفجار في درجة الحرارة ليس حدثًا عاديًا. إنه اكتشاف علمي كبير، من المحتمل أن يكون له تأثيرات كبيرة على مجتمعنا العالمي.
الأيونات تصل إلى درجة حرارة تزيد بمرتين عن الإلكترونات
. حتى الآن، كانت هذه هي التفسير الوحيد الممكن، ولكن هذه المرة تم قياسها، في تجارب قابلة للتكرار تمامًا. علاوة على ذلك، تزداد درجة حرارة الأيونات مع مرور الوقت.
أخيرًا، أظهرت الطاقة المنبعثة من غاز الإلكترونات، على شكل إشعاع سيني، أنها تزيد بثلاثة إلى أربع مرات مقارنة بالطاقة الحركية التي كانت تمتلكها أعمدة الفولاذ المقاوم للصدأ في "مُحاطة من الأسلاك" عندما وجدت نفسها مجمعة على المحور
حاول هاينز وفريقه في الورقة التالية توضيح هذا اللغز. من أين جاءت هذه الطاقة؟
عند تشغيل ماكينة Z، تُوزع الطاقة بأشكال مختلفة. هناك طاقة حرارية البلازما، والتي تتوافق مع مجموع الطاقة الحركية لعناصرها (خاصة طاقة الأيونات الحديدية). لكن هناك أيضًا طاقة أخرى، أكثر صعوبة في الفهم:
الطاقة المغناطيسية
، والتي توجد موزعة في جميع المساحات المحيطة بالخيط الرقيق للبلازما المكون على المحور. لذلك اقترح هاينز أن "الانحرافات MHD" يمكن أن تنشأ، مما يسمح للبلازما باستعادة جزء من هذه الطاقة. كما هو الحال في المقال، هذه النظرية مبكرة جدًا ولا أجريت أي "محاكاة". الخلاصة هي ببساطة "من غير المستبعد أن يكون هذا التسخين ناتجًا عن هذا الظاهرة". في هذه المرحلة، يظهر ضعف الارتباط التصادمي بين الإلكترونات والأيونات، وهو ما يفسر التأخير في إصدار الأشعة السينية في الوقت. تُسخن الأيونات أولًا، ثم تعيد نقل جزء من هذه الطاقة إلى غاز الإلكترونات، والذي يصبح إصدارًا (من خلال إشعاع التوقف). هذا بالفعل، القياسات (أربعة نقاط)
تظهر أن غاز الأيونات الحديدية يستمر في التسخين
الحد الأقصى لدرجة الحرارة لا يبدو أنه تم تحقيقه. ومع ذلك، تصل درجة حرارة الأيونات الحديدية إلى 3.7 مليار درجة! ثلاثين مرة درجة الحرارة التي لن تتمكن إيتير من تجاوزها: 100 مليون درجة.
ديني قال إن أمام نتائج كهذه، قام بإجراء التجربة والقياسات عدة مرات للتأكد. من الملاحظ أن العنوان في المقال كتب: "أكثر من مليار درجة". من المنطقي أن العلماء قد ذكروا القيمة القصوى، 3.7 مليار درجة. نسميه حركة... خجل، أمام عظمة النتيجة.
يجب أن نتذكر أن بدرجة حرارة 500 مليون درجة، يمكننا دمج الليثيوم والهيدروجين، ونحصل على الهيليوم دون نيوترونات. مع مليار درجة، لدينا "اندماج نقي" لمدة ثانية، دون إشعاع أو نفايات (فقط الهيليوم): ذلك من البورون والهيدروجين. ما يمكننا فعله بـ 3.7 مليار درجة، أو أكثر؟ إذا استمرت درجة حرارة الأيونات في الارتفاع، فمن المنطقي التفكير في أن درجات حرارة أيونية أعلى يمكن أن تُحقَّق.
ملاحظة. في هذه التجارب، لا يمكن للتيار الكهربائي الذي تُطلقه ماكينة Z (من 18 إلى 20 مليون أمبير) أن يستمر إلى الأبد. إنها تفريغ: هذه الشدة تزداد مع الوقت، تمر بحد أقصى، ثم تنخفض. في ماكينة Z، يستمر النبض 100 مليار جزء من الثانية. جانب آخر: إذا كان هاينز على حق، فإن البيئة المغناطيسية للخيط البلازما تحتوي على طاقة كبيرة جدًا. لذلك، إذا حافظنا على التيار، سيستمر هذا المجال المغناطيسي في "تغذية" البلازما، مما يزيد درجة حرارة الأيونات. وبالتالي، هذه 3.7 مليار درجة لا تمثل سقفًا، ولا أحد يمكنه القول ما هي درجة الحرارة التي يمكننا تحقيقها باستخدام هذا الجهاز.
قد تكون أول تأثيرات هذه التجارب هي "الاندماج النقي غير الملوث"، مع خليط من الليثيوم والهيدروجين (الليثيوم موجود في مياه البحر والمحاليل، موجود في جميع أنحاء العالم. سعره حاليًا 59 دولارًا للكيلوغرام، بما في ذلك الضرائب). هذا هو العصر الذهبي من منظور الطاقة (مع إضافة قنبلة هيدروجينية نقيّة، غير مكلفة، لجميع الأشخاص). إذا تأكدت كل هذه الأمور، لا يمكن لأي دولة في العالم الادّعاء "بامتلاك احتياطيات الليثيوم على الكوكب". بما أن الليثيوم موجود في مياه البحر، فإن احتياطيات الكوكب هي في الأصل غير محدودة.
بما أن درجة الحرارة في سوبرنوفا هي 10 مليارات درجة، ويمكنها من خلال تفاعلات الاندماج إنتاج جميع الذرات في جدول مندليف (وأي소توبياتها الإشعاعية ذات مدة حياة مختلفة)، إذا تمكنت ماكينة Z "المُعبأة" من تحقيق 10 مليارات درجة، فسيتم تحقيق أعلى درجات حرارة في المختبر التي يمكن للطبيعة تحقيقها في الكون. هذا التقدم يمثل تغييرًا جذريًا في الفيزياء النووية وفهيمنا العامة.
حتى الآن كنا مرضين بـ "الحطب". هذا الخطوة تمثل حقًا اختراع النار النووية
لغير العلماء
يتساءل القراء إن كانت هذه درجات الحرارة الأيونية التي تتجاوز 2 مليار درجة قد تم قياسها فعليًا. الجواب هو نعم. لكن ظاهرة غامضة كانت قد لاحظت منذ عام 1998 في تجارب الضغط البلازما التي أجريت باستخدام ماكينة Z. تضمنت هذه التجارب تركيبات متنوعة. على سبيل المثال، عندما انفجرت "سلة الطيور"، أرسلنا "نفخة غاز" أو "نفخة غاز" في المركز، والتي تم ضغطها في تلك اللحظة. إصدار الأشعة السينية سمح بقياس درجة حرارة الإلكترونات. البلازما هي خليط "من نوعين": الأيونات، الثقيلة، والإلكترونات، الخفيفة. في "بلازما الحديد"، في "الحديد الم-ionized"، فإن النوى (56 نوكلون، 26 بروتون) تزن 100000 مرة أكثر من الإلكترونات (النوى تتكون من "نوكلونات" ذات كتل قريبة جداً: البروتونات والإلكترونات. الإلكترون أخف بمرتين 1850 مرة من البروتون).
يحتوي أنبوب النيون أيضًا على "هذين النوعين"، الإلكترونات وأيونات النيون (حتى وإن لم تكن هذه الأيونات قد تخلصت تمامًا من "غطائها الإلكتروني"). عندما يعمل الأنبوب، فإنه يحتوي على خليط "بItemType" حيث يبقى الغاز المكون من الذرات، وأيونات النيون باردة. (يمكنك لمس الأنبوب بيدك)، ولكن "غاز الإلكترونات" أكثر سخونة، حيث يصل إلى 10000 درجة. لماذا لا تشعر بهذه الحرارة بيدك؟ لأن الإلكترونات، الفقراء، متحفظون جدًا ولا يستطيعون إعطائك الطاقة، الحرارة. لكن لديهم طاقة كافية لتفعيل، من خلال الاصطدامات، طبقة الفلورية التي تغطي داخل الأنبوب. وهذا هو السبب في تسمية هذه الأنبوب بـ
أنابيب الفلورية
. الفلورية هي القدرة على امتصاص الإشعاع وإعادة إصداره بتردد مختلف. على سبيل المثال، تُمتص الإشعاع الشمسي من قبل الفلوريسين وتُعيد إصداره باللون الأخضر. يمكن لملابس النايلون امتصاص الإشعاع فوق البنفسجي وإعادة إصداره في المرئي (هذا هو "الضوء الأسود" في النوادي الراقية) إلخ. طبقة الأنبوب البيضاء مُحاطة بالإلكترونات التي لها طاقة تتوافق مع نطاق الأشعة فوق البنفسجية، ولكن عند اصطدامها بالمواد المكونة للطبقة، تسبب إعادة إصدار في المرئي. تُركب هذه الطبقة بحيث تكون إضاءتها أقرب ما يمكن إلى الضوء المرئي. لكن هذا ليس بالضبط الحال. وهذا هو السبب في أن ضوء النيون يبدو لك "غريبًا" جدًا.
الشيء المهم لفهمه هو أن هناك وسطًا "بItemType". السبب في هذه الحالة هو أن المجال الكهربائي السائد في الأنبوب، المرتبط بتطبيق الجهد على الأقطاب، ينقل الطاقة بشكل أولوي إلى الإلكترونات، والتي تعيد توجيهها إلى الأيونات من خلال الاصطدامات. لكن بسبب فعالية منخفضة في نقل الطاقة بين غاز الإلكترونات وغاز الأيونات، يمكن أن يكون هناك فرق كبير في درجة الحرارة. وهذا يعود بشكل خاص إلى حقيقة أن الوسط مخفف. إذا تسرب الأنبوب وارتفعت الضغطة، تختفي هذه "الحالة غير المتوازنة" فورًا. غاز الإلكترونات، المرتبط بشكل قوي بالأيونات، يبرد بسرعة. ثم هذه الإلكترونات، الأقل "تقلّبًا" (درجة الحرارة المطلقة في الغاز تتوافق مع الحركة التقلّبية الحرارية)، تعود بسهولة إلى الذرات التي تُعيد تشكيلها، وتصبح محايدة.
أدت تجربة ماكينة Z إلى حالة غريبة جدًا. هناك نوعان من المواد في المكان:
-
غاز الإلكترونات
-
غاز الأيونات (في الفولاذ المقاوم للصدأ، بشكل أساسي نوى الحديد، موجبة الشحنة)
عندما حاول الناس، منذ عام 1998، تفسير قياساتهم، لم يكن لديهم إلا درجة حرارة الإلكترونات، من خلال قياس الأشعة السينية المنبعثة. لماذا يُعتبر غاز الإلكترونات مصدرًا رئيسيًا لهذا الإشعاع في هذه التجارب؟ لأن هناك مجالًا مغناطيسيًا عاليًا حول البلازما. عندما يدخل الإلكترونات، التي تتحرك بسرعة 40000 كم/ث، إلى هذه المنطقة التي توجد فيها مجال مغناطيسي قوي، فإنها تدور. ثم "تصرخ"، وتُصدر "إشعاع توقف". من خلال قياس هذه الأشعة السينية المنبعثة، قام الباحثون بقياس درجة حرارة هذا الغاز الإلكتروني: 35 مليون درجة في التجارب التي نتحدث عنها في هذه الورقة.
لكن باستخدام الصيغ (علاقة بنتون)، إذا حاولوا تقدير درجة حرارة الأيونات الحديدية التي يجب أن تكون لموازنة الضغط المغناطيسي الضخم خارج البلازما، فكان عليهم الاعتراف بأن هذه الدرجة يجب أن تكون أعلى بكثير. منذ عام 1998، بغض النظر عن التجارب التي أجريت، كان هذا الفرق في درجات الحرارة واضحًا. كان من الضروري أن تكون هذه القيم العالية لكي لا يُدمر البلازما فورًا بواسطة الضغط المغناطيسي. نرى أن هذا يشير إلى حالة غير متوازنة (في التوازن الديناميكي الحراري، درجات حرارة جميع الأنواع المكونة لخلط غازي تكون متساوية)، حالة بItemType عكسية عن أنبوب النيون، حيث كانت هذه المرة غاز الأيونات أكثر سخونة من غاز الإلكترونات.
ملاحظة بسيطة: ما الذي يخلق "التوازن الديناميكي الحراري"؟ هو تبادل الطاقة بين الجسيمات، من خلال الاصطدامات. الطاقة، على سبيل المثال، هي الطاقة الحركية
. لماذا المؤشر i؟ لأن البلازما هي خليط من أنواع مختلفة، v
هي سرعة الاهتزاز الحراري، و < v
هي "السرعة المتوسطة المربعة". وبالتالي
هي
الطاقة الحركية المتوسطة
، في النوع المعتبر. هذه هي تعريف درجة الحرارة المطلقة، التي تقيس الطاقة الحركية المتوسطة (الاهتزاز الحراري) لجسيم معين، وفقًا للعلاقة:
حيث k هي ثابت بولتزمان، ويساوي 1.38 × 10
في الاصطدامات، تتبادل الجسيمات الطاقة. هذا الظاهرة تتجه نحو توزيع متساوٍ للطاقة. عندما يتعلق الأمر بالطاقة الحركية فقط، فإن الأنواع المختلفة تميل إلى امتلاك طاقة حركية تقلّبية متساوية. وبالتالي درجات حرارة مطلقة متساوية:
لنفترض أن هناك جسيمين كتلتين مختلفتين m
و m
و i هو الأخف.
نظرية الغازات الحركية
تقول لنا أن معدل نقل الطاقة الحركية في اصطدام سيكون متناسبًا مع نسبة
إذا كانت الكتل مختلفة بشكل كبير، فإننا نلاحظ في الممر أن درجة الحرارة المحددة (كافية لجعل الوسط م-ionized، أي وجود إلكترونات حرة) تجعل فرق الكتل يجعل سرعة الاهتزاز الإلكتروني والioni مختلفة بشكل كبير. لنأخذ مثالًا على بلازما الهيدروجين والديوتيريوم والترتيوم، مع كتلة ذرية متوسطة تبلغ 2.5 (2 للديوتيريوم، 3 للترتيوم). تخيل أن غاز الأيونات يكون عند 100 مليون درجة (في توكاماك). سرعة الاهتزاز الحراري ستكون:
من الدرجة ( 3 k T
يبلغ وزن البروتون 1.6 × 10
كجم
كتلة الأيونات الهيدروجينية المتوسطة هي إذن 1.6 × 10
2.5، أي 4 × 10
كجم
لذلك، سرعة الاهتزاز الحراري المتوسطة للأيونات الهيدروجينية في توكاماك هي، في 10
م/ث، أي
ألف كيلومتر في الثانية
. رقم مثير للاهتمام للاحتفاظ به. في توكاماك، يُحدد حالة التوازن الديناميكي الحراري. درجة حرارة غاز الإلكترونات هي نفسها درجة حرارة الأيونات. لكن سرعة الاهتزاز للإلكترونات أعلى من تلك الخاصة بالأيونات، في العكس من الجذر التربيعي لنسبة الكتل.
كتلة الإلكترون هي
= 0.91 × 10
كجم
في بلازما الهيدروجين الثقيل، نسبة الكتل هي 4400، ونسبة سرعة الاهتزاز الحراري بين الإلكترونات والأيونات الحديدية ستكون 316. ولكن كما سنرى لاحقًا، بلازما الحديد في ماكينة Z هي بعيدة جدًا عن التوازن. الفرق مع أنابيب الفلورية هو أن درجة حرارة الإلكترونات أقل بمرتين من درجة حرارة الأيونات. إذًا، هذا نوع جديد من البلازما
في حالة عدم توازن عكسي
هذا وسط جديد، غير مفهوم جيدًا، يحتاج إلى استكشاف. في الواقع، هو حقل جديد للتجارب والنظرية. ماكينة Z هي في المقام الأول مولد كهربائي قوي:
ماكينة Z من سانديا، قبل عام 2007
(تم تعديلها لاحقًا وتحويلها إلى ZR، Z " المُعاد تأهيلها ")
تُصدر نبضات بقوة 18 مليون أمبير، في 100 نانو ثانية. نانو ثانية هي مليار جزء من الثانية. تزداد الشدة الكهربائية بشكل خطي: منحنى ارتفاع الشدة الكهربائية في ماكينة Z (مطابق في ZR)
ماكينة ZR، التي تعمل منذ عام 2007، قادرة على الوصول إلى 26 مليون أمبير، أيضًا في 100 نانو ثانية
تُرسل ماكينة Z هذا التيار إلى "مُحاطة من الأسلاك"، نوع من "سلة الطيور"، بارتفاع 5 سم وقطر 8 سم، مكونة من 240 سلكًا من الفولاذ المقاوم للصدأ، أرق من شعر الإنسان: .
تركيب "مُحاطة من الأسلاك"
في كل سلك يمر:
75000 أمبير
يُولد كل سلك مجالًا مغناطيسيًا، يتفاعل مع الأسلاك المجاورة وفقًا لقوة لابلاس I B. هذه القوى هي قوى مركزية وتشجع على جمع جميع هذه الأسلاك وفقًا لمحور النظام.
تسعى قوى لابلاس إلى جمع الأسلاك وفقًا لمحور النظام
الرسم الذي كان له تأثير كبير على جيرولد يوناس، مخترع الماكينة
عند الاندماج، تتبخر الأسلاك المعدنية تدريجيًا:
تشكيل قشرة البلازما
(رسالة ماثياس باواي)
هي البنية المكونة من الأسلاك التي تُحافظ على التماثل المحوري وتمنع ظهور عدم الاستقرار MHD. هناك آراء متنوعة حول سلوك هذه المُحاطة من الأسلاك خلال الانهيار. يُحيط كل سلك بطبقة من بلازما الحديد. تظهر التجربة أن الأسلاك تترك خلفها نوعًا من "ذيل المذنب" يمثل 30% من كتلتها.
يمكن حساب شكل هذا الانهيار (انظر لاحقًا). بحجم 4 سم ووقت 100 نانو ثانية، فإن السرعة المتوسطة للاندماج هي 400 كم/ث. في الواقع، هناك تسارع في اللحظة قبل الاصطدام. سرعة الأيونات قبل الاصطدام تتراوح بين 550 و650 كم/ث. الحفاظ على التماثل المحوري يجعل بلازما الحديد تشكل خيطًا بقطر 1.5 مم في نهاية الانهيار.
الأيونات والإلكترونات تندمج بسرعة متساوية نحو المحور. من المستحيل فصل مجموعتين بسبب القوى الكهروستاتيكية القوية التي تربطها. عندما تتصادم هذه الجسيمات، الأيونات الحديدية والإلكترونات بالقرب من المحور، يحدث تجانس، أي أن الطاقة الحركية المرتبطة بالسرعة الشعاعية تُوزع في جميع الاتجاهات. هذا صحيح للأيونات كما للإلكترونات.
لننسى أولاً الإلكترونات ونفترض أن هناك مجموعة من الأجسام ذات كتلة مساوية لكتلة الأيونات الحديدية توجد بالقرب من المحور بسرعة 650 كم/ث.
كتلة الأيونات الحديدية هي 9 × 10
كجم
نكتب:
V = 600 كم/ث
نحصل على درجة حرارة أيونية تبلغ 925 مليون درجة. تحويل بسيط لهذه السرعة الشعاعية إلى سرعة الاهتزاز الحراري للأيونات.
نقوم بنفس الحساب للإلكترونات، نحصل على درجة حرارة أقل بعشرة آلاف مرة، حوالي 9250 درجة. حالة قوية من عدم التوازن العكسي. ثم تدخل الاصطدامات اللعب. بالنسبة للأيونات، حسب مالكوم هاينز، فإن وقت الراحة (وقت تجانس غاز الأيونات، تشكيل دالة توزيع السرعة) هو 37 بيكو ثانية، أي 3.7 × 10
ثانية. هذا الوقت صغير مقارنة بـ "وقت التوقف" للبلازما، على شكل خيط كثيف وساخن، بحجم ملقط قلم رصاص.
تُظهر القياسات (إطلاق الأشعة السينية من خلال "إشعاع التوقف"، التفاعل بين الإلكترونات والأيونات) درجة حرارة تبلغ 30 مليون درجة. إذًا، غاز الإلكترونات تم تسخينه. سنحلل هذا لاحقًا. من المعتاد تقييم درجات الحرارة العالية بالإلكترون فولت، وفقًا للعلاقة
e V = k T
مع e (الشحنة الكهربائية وحدة) = 1.6 × 10-19 كولوم
إذا كان لدينا وسط يمثل درجة حرارة، مسخّنًا بـ "إلكترون فولت" يساوي "إلكترون فولت" فهذا سيتوافق مع درجة حرارة
T = e / k = 11600° K
بما أننا نتحدث بالترتيبات الكبيرة، فإننا غالبًا نعتاد تحويل الإلكترون فولت إلى درجة كلفن من خلال إجراء
T = 10000 V
إذًا، "كيلو إلكترون فولت"، "كيلو إلكترون فولت" يعادل 10000°
تُظهر قياسات الإشعاع المنبعث (في نطاق الأشعة السينية) درجة حرارة تبلغ 30 كيلو إلكترون فولت، والتي نقربها إلى 30 مليون درجة.
مشكلة أخرى: نجد أن غاز الأيونات أكثر سخونة بثلاثة إلى أربع مرات من ما يمكن الحصول عليه من تجانس بسيط. تشير قياسات درجة الحرارة إلى قيمة تزيد عن 2 مليار درجة، وصلت حتى القيمة القصوى البالغة 3.7 مليار درجة. من أين تأتي هذه الطاقة؟ سنتناول هذا مرة أخرى لاحقًا؛ .
تم إجراء قياسات درجة الحرارة باستخدام الطريقة التقليدية لتقدير اتساع خطوط الطيف من خلال تأثير دوبلر. تُصدر النوى (مثل الذرات، الجزيئات) الإشعاع وفقًا لطيف معين يحتوي على خطوط مميزة.
إذا كان الوسط باردًا نسبيًا، فإن هذه الخطوط رفيعة.
طيف الإصدار للصلب غير القابل للصدأ "بارد نسبيًا"، مُسخن إلى درجة حرارة 100000° كلفن
نحدد خطوط الكروم (الخطوط الأولى، إلى اليسار) ثم خطوط المنغنيز، الفولاذ المقاوم للصدأ والنيكل.
في هذا الفولاذ المقاوم للصدأ، الكربون يمثل 0.15% من الخليط، وخطوطه غير مرئية.
الخطوط تتوافق مع التحفيز الإلكتروني. حول نواة تدور إلكترونات على مسارات محددة، لسبب مرتبط بالفيزياء الكمومية (تكميم المسارات). يمكن أن يؤدي إدخال طاقة من أي مصدر إلى "انتقال"، أي تغيير مسار إلكترون. يحدث هذا دائمًا في اتجاه الانتقال إلى مدار أبعد، الذي يمثل طاقة أكبر. لا حاجة لحسابات معقدة لمناقشة هذه الفكرة. أنت تعرف جيدًا أن لوضع شحنات كتلة M على مدار، كلما كان المدار أعلى، كلما كانت الصاروخ أقوى. تُدخل الطاقة الإلكترون إلى مدار "أعلى"، أبعد عن النواة. لا يبقى هناك لفترة طويلة (هناك عمر لحالات مثارة)، ولا يأخذ وقتًا طويلًا للعودة إلى مدار أقرب إلى النواة. في هذه الحالة، يفقد الطاقة التي تُصدر على شكل فوتون، وطاقة الفوتون تساوي الفرق في الطاقة بين حالتين. وبالتالي يُنتج هذا طيفًا من "خطوط".
يحتوي ذرة الحديد على 26 إلكترونًا.
يمكنهم جميعًا إجراء تغييرات في المسار، والعودة، وليس بالضرورة إلى مسارهم الأصلي. وبالتالي يحتوي الطيف على مجموعة كبيرة من الخطوط. بعضها أعلى من البعض الآخر. ماذا يمثل "ارتفاع الخطوط"؟ طاقة الإصدار حسب هذه التردد. خط يقيس مساهمة انتقال معين. بعض الانتقالات أكثر احتمالًا من أخرى. هذه الانتقالات الأكثر احتمالًا، وبالتالي أكثر شيوعًا، ستقدم معظم الإشعاع. عند النظر إلى الرسم البياني أعلاه، نرى أن الإصدار الأقوى في حالة الفولاذ المقاوم للصدأ، الذي يبلغ درجة حرارته بين 58000 (5 إلكترون فولت) و116000 كلفن (10 إلكترون فولت)، يأتي من خط الكروم. خط المنغنيز "أقل حدة". في هذه درجات الحرارة، الذرات مُعَرَّضَة بالفعل لفقدان الإلكترونات. لكن لا يزال هناك بعضها. كم؟ لا أملك مرجعًا الآن لمساعدتك في الإجابة. يتم تفكيكها تدريجيًا. لا أعرف بالضبط في أي درجة حرارة يجب أن نرفع الحديد أو الكروم للحصول على تفكيك كامل، حيث يتم إزالة الإلكترون الأخير. يمكن حساب ذلك بالفعل. هذه هي الطاقة المطلوبة لإزالة هذا الإلكترون الأخير من نواة مزودة بـ 26 شحنة موجبة.
ما تم قياسه في تجارب سانديا يشير إلى طيف تنشيط-إلغاء تنشيط الإلكترونات التي بقيت حول النوى.
التوسع في الخطوط مرتبط بتأثير دوبلر-فيزيو.
طيف نفس المادة، مُسخن إلى ملايين الدرجات. تسبب تأثير دوبلر توسع الخطوط
التردد المقابل لنقل مدار معين (لخط معين) سيكون أعلى إذا اقترب الذرة من المراقب وستكون أقل إذا ابتعدت (هذا هو "الانزياح الأحمر"). وبالتالي، الاهتزاز الحراري
يتوسع الخطوط
. القياسات، الموثوقة، أُجريت وتأكيد هذه القيم العالية لدرجة حرارة الأيونات، والتي تصل إلى ملايين الدرجات (
بين 2.66 و3.7 مليار درجة
نتائج مايو 2005 على ماكينة Z من سانديا.
باللون الأسود، ارتفاع درجة حرارة الأيونات. باللون الأزرق، قطر البلازما.
على المحور الأفقي: الوقت بالنانو ثانية
(nano ثانية تمثل مليار جزء من الثانية)
الانفجار في درجة الحرارة ليس حدثًا عاديًا. إنه اكتشاف علمي كبير، من المحتمل أن يكون له تأثيرات كبيرة على مجتمعنا العالمي.
الأيونات تصل إلى درجة حرارة تزيد بمرتين عن الإلكترونات
. حتى الآن، كانت هذه هي التفسير الوحيد الممكن، ولكن هذه المرة تم قياسها، في تجارب قابلة للتكرار تمامًا. علاوة على ذلك، تزداد درجة حرارة الأيونات مع مرور الوقت.
أخيرًا، أظهرت الطاقة المنبعثة من غاز الإلكترونات، على شكل إشعاع سيني، أنها تزيد بثلاثة إلى أربع مرات مقارنة بالطاقة الحركية التي كانت تمتلكها أعمدة الفولاذ المقاوم للصدأ في "مُحاطة من الأسلاك" عندما وجدت نفسها مجمعة على المحور
حاول هاينز وفريقه في الورقة التالية توضيح هذا اللغز. من أين جاءت هذه الطاقة؟
عند تشغيل ماكينة Z، تُوزع الطاقة بأشكال مختلفة. هناك طاقة حرارية البلازما، والتي تتوافق مع مجموع الطاقة الحركية لعناصرها (خاصة طاقة الأيونات الحديدية). لكن هناك أيضًا طاقة أخرى، أكثر صعوبة في الفهم:
الطاقة المغناطيسية
، والتي توجد موزعة في جميع المساحات المحيطة بالخيط الرقيق للبلازما المكون على المحور. لذلك اقترح هاينز أن "الانحرافات MHD" يمكن أن تنشأ، مما يسمح للبلازما باستعادة جزء من هذه الطاقة. كما هو الحال في المقال، هذه النظرية مبكرة جدًا ولا أجريت أي "محاكاة". الخلاصة هي ببساطة "من غير المستبعد أن يكون هذا التسخين ناتجًا عن هذا الظاهرة". في هذه المرحلة، يظهر ضعف الارتباط التصادمي بين الإلكترونات والأيونات، وهو ما يفسر التأخير في إصدار الأشعة السينية في الوقت. تُسخن الأيونات أولًا، ثم تعيد نقل جزء من هذه الطاقة إلى غاز الإلكترونات، والذي يصبح إصدارًا (من خلال إشعاع التوقف). هذا بالفعل، القياسات (أربعة نقاط)
تظهر أن غاز الأيونات الحديدية يستمر في التسخين
الحد الأقصى لدرجة الحرارة لا يبدو أنه تم تحقيقه. ومع ذلك، تصل درجة حرارة الأيونات الحديدية إلى 3.7 مليار درجة! ثلاثين مرة درجة الحرارة التي لن تتمكن إيتير من تجاوزها: 100 مليون درجة.
ديني قال إن أمام نتائج كهذه، قام بإجراء التجربة والقياسات عدة مرات للتأكد. من الملاحظ أن العنوان في المقال كتب: "أكثر من مليار درجة". من المنطقي أن العلماء قد ذكروا القيمة القصوى، 3.7 مليار درجة. نسميه حركة... خجل، أمام عظمة النتيجة.
يجب أن نتذكر أن بدرجة حرارة 500 مليون درجة، يمكننا دمج الليثيوم والهيدروجين، ونحصل على الهيليوم دون نيوترونات. مع مليار درجة، لدينا "اندماج نقي" لمدة ثانية، دون إشعاع أو نفايات (فقط الهيليوم): ذلك من البورون والهيدروجين. ما يمكننا فعله بـ 3.7 مليار درجة، أو أكثر؟ إذا استمرت درجة حرارة الأيونات في الارتفاع، فمن المنطقي التفكير في أن درجات حرارة أيونية أعلى يمكن أن تُحقَّق.
ملاحظة. في هذه التجارب، لا يمكن للتيار الكهربائي الذي تُطلقه ماكينة Z (من 18 إلى 20 مليون أمبير) أن يستمر إلى الأبد. إنها تفريغ: هذه الشدة تزداد مع الوقت، تمر بحد أقصى، ثم تنخفض. في ماكينة Z، يستمر النبض 100 مليار جزء من الثانية. جانب آخر: إذا كان هاينز على حق، فإن البيئة المغناطيسية للخيط البلازما تحتوي على طاقة كبيرة جدًا. لذلك، إذا حافظنا على التيار، سيستمر هذا المجال المغناطيسي في "تغذية" البلازما، مما يزيد درجة حرارة الأيونات. وبالتالي، هذه 3.7 مليار درجة لا تمثل سقفًا، ولا أحد يمكنه القول ما هي درجة الحرارة التي يمكننا تحقيقها باستخدام هذا الجهاز.
قد تكون أول تأثيرات هذه التجارب هي "الاندماج النقي غير الملوث"، مع خليط من الليثيوم والهيدروجين (الليثيوم موجود في مياه البحر والمحاليل، موجود في جميع أنحاء العالم. سعره حاليًا 59 دولارًا للكيلوغرام، بما في ذلك الضرائب). هذا هو العصر الذهبي من منظور الطاقة (مع إضافة قنبلة هيدروجينية نقيّة، غير مكلفة، لجميع الأشخاص). إذا تأكدت كل هذه الأمور، لا يمكن لأي دولة في العالم الادّعاء "بامتلاك احتياطيات الليثيوم على الكوكب". بما أن الليثيوم موجود في مياه البحر، فإن احتياطيات الكوكب هي في الأصل غير محدودة.
بما أن درجة الحرارة في سوبرنوفا هي 10 مليارات درجة، ويمكنها من خلال تفاعلات الاندماج إنتاج جميع الذرات في جدول مندليف (وأي소توبياتها الإشعاعية ذات مدة حياة مختلفة)، إذا تمكنت ماكينة Z "المُعبأة" من تحقيق 10 مليارات درجة، فسيتم تحقيق أعلى درجات حرارة في المختبر التي يمكن للطبيعة تحقيقها في الكون. هذا التقدم يمثل تغييرًا جذريًا في الفيزياء النووية وفهيمنا العامة.
حتى الآن كنا مرضين بـ "الحطب". هذا الخطوة تمثل حقًا اختراع النار النووية
قال لنا أن معدل نقل الطاقة الحركية في تصادم سيكون متناسبًا مع النسبة
إذا كانت الكتل مختلفة جداً، نلاحظ في المرور أن درجة حرارة معينة ( كافية لجعل الوسط م-ionized، وجود إلكترونات حرة ) فإن اختلاف الكتل يجعل سرعة الاهتزاز الإلكتروني واليوني مختلفة جداً. لنأخذ حالة بلازما الهيدروجين والديوتريوم والترتيوم، مع كتلة ذرية متوسطة تبلغ 2.5 ( 2 للديوتريوم، 3 للترتيوم ). تخيل أن غاز الأيونات يكون عند 100.000.000 درجة ( في توكاماك ). سرعة الاهتزاز الحراري ستكون:
من الدرجة ( 3 k T
البروتون يزن 1.6 10
كيلوغرام
الكتلة المتوسطة للأيونات الهيدروجينية هي إذن 1.6 10
2.5، أي 4 10
كيلوغرام
إذن سرعة الاهتزاز الحراري المتوسطة للأيونات الهيدروجينية في توكاماك هي 10
م/ث، أي
ألف كيلومتر في الثانية
. رقم مثير للاهتمام للاحتفاظ به. في توكاماك، ينظم النظام الحالة الحرارية الديناميكية. درجة حرارة غاز الإلكترونات هي نفسها التي للأيونات. لكن سرعة اهتزاز الإلكترونات أعلى من تلك للأيونات، في العكس من الجذر التربيعي لنسبة الكتل.
كتلة الإلكترون هي
= 0.91 10
كيلوغرام
في بلازما الهيدروجين الثقيل، نسبة الكتل هي 4400، ونسبة سرعة الاهتزاز الحراري هي الجذر التربيعي لهذا الرقم، أي 66. إذن سرعة الاهتزاز الحراري للإلكترونات في توكاماك هي 66 مرة أعلى من تلك للأيونات، وبالتالي 66.000 كم/ث، أي 20% من سرعة الضوء. ملاحظة بسيطة.
في بلازما الحديد في آلات Z، نسبة الكتل تصل إلى 100.000. في بلازما حديد في حالة توازن، نسبة السرعات الحرارية بين الإلكترونات والأيونات الحديدية ستكون 316. ولكن كما سيُرى لاحقًا، بلازما الحديد في آلات Z هي بعيدة جداً عن التوازن. الفرق مع الأنابيب الفلورية هو أن هذه المرة درجة حرارة الإلكترونات أقل بـ 100 مرة من تلك للأيونات. إذن، لدينا نوع جديد من البلازما
في حالة عدم التوازن العكسي
هذا وسط جديد، غير مفهوم جيدًا، يحتاج إلى استكشاف. في الحقيقة، هو حقل جديد للتجارب والنظرية. آلة Z هي في المقام الأول مولد كهربائي قوي:
آلة Z في سانديا، قبل عام 2007
( تم تعديلها لاحقًا وتحويلها إلى ZR، Z " المُحسَّنة " )
تُنتج نبضات بقوة 18 مليون أمبير، في 100 نانو ثانية. نانو ثانية هي مليار جزء من الثانية. تزداد الشدة الكهربائية بشكل خطي: منحنى ارتفاع الشدة الكهربائية في آلة Z ( مماثل في ZR )
آلة ZR، تعمل منذ عام 2007، قادرة على الوصول إلى 26 مليون أمبير، مازالت في 100 نانو ثانية
تُرسل آلة Z هذه التيار إلى " أنبوب خارجي من أسلاك "، نوع من قفص مكون من أسلاك، بارتفاع 5 سم وقطر 8 سم، مكون من 240 سلكًا من الفولاذ المقاوم للصدأ، أدق من شعرة الرأس: .
تركيب " أنبوب خارجي من أسلاك "
إذن، يمر كل سلك بـ :
75.000 أمبير
يُنتج كل سلك مجالًا مغناطيسيًا، يتفاعل مع الأسلاك المحيطة وفقًا لقوة لابلاس I B. هذه القوى هي قوى مركزية وتشجع على تجميع جميع هذه الأسلاك على طول محور النظام.
القوى لابلاس تجمع الأسلاك على طول محور النظام
الرسم الذي كان أكثر إعجابًا بجرولد يوناس، مخترع الآلة
عندما تتجه الأسلاك نحو بعضها، فإنها تتبخر تدريجيًا:
تشكيل قشرة البلازما
( أطروحة ماثياس باواي )
هي البنية المكونة من أسلاك التي تُحافظ على التماثل المحوري وتمنع ظهور عدم الاستقرار MHD. هناك آراء متنوعة حول سلوك أنبوب الأسلاك خلال الانكماش. يُحيط كل سلك بغلاف من بلازما الحديد. تظهر التجارب أن الأسلاك تترك خلفها نوعًا من "ذيل المذنب" يمثل 30% من كتلتها.
يمكن حساب شكل الانكماش ( انظر لاحقًا ). بحجم قفص 4 سم ووقت 100 نانو ثانية، فإن السرعة المتوسطة للانكماش هي 400 كم/ث. في الواقع، هناك تسارع قبل الاتصال. سرعة الأيونات قبل الاصطدام تتراوح بين 550 و650 كم/ث. الحفاظ على التماثل المحوري يجعل بلازما الحديد في نهاية الانكماش خيطًا بقطر 1.5 مم.
الأيونات والإلكترونات تتجه إلى المحور بنفس السرعة. من المستحيل فصل مجموعتين بسبب القوى الكهروستاتيكية القوية التي تربطها. عندما تتصادم هذه الجسيمات، الأيونات الحديدية والإلكترونات بالقرب من المحور، يحدث تثبيت حراري، أي، بشكل عام، يتم توزيع الطاقة الحركية المرتبطة بالسرعة الشعاعية في جميع الاتجاهات. هذا صحيح للأيونات والإلكترونات.
لننسى أولاً الإلكترونات ونفترض مجموعة من الأجسام ذات كتلة مساوية لكتلة الأيونات الحديدية توجد بالقرب من المحور بسرعة 650 كم/ث.
كتلة الأيونات الحديدية هي 9 10
كجم
نكتب:
V = 600 كم/ث
نحصل على درجة حرارة أيونية تبلغ 925 مليون درجة. تحويل بسيط لهذه السرعة الشعاعية إلى سرعة اهتزاز حراري للأيونات.
نقوم بنفس الحساب للإلكترونات، نحصل على درجة حرارة أقل بعشرة أضعاف، حوالي 9250 درجة. حالة قوية من عدم التوازن العكسي. تدخل الآن التصادمات في اللعب. للأيونات، مالكوم هاينز حسب أن وقت الترسيخ ( وقت تثبيت حراري غاز الأيونات، تشكيل دالة توزيع السرعة ) هو 37 بيكو ثانية، أي 3.7 10
ثانية. هذا الوقت صغير مقارنة بوقت "التوقف" للبلازما، على شكل خيط كثيف جداً وساخن جداً، بحجم قلم رصاص.
القياسات ( إصدار أشعة سينية من "إشعاع التوقف"، تفاعل الإلكترونات والأيونات ) تعطي درجة حرارة 30 مليون درجة. إذن غاز الإلكترونات تم تسخينه. سنحلل هذا لاحقًا. من المعتاد تقييم درجات الحرارة العالية بالإلكترون فولت، وفقًا للعلاقة
e V = k T
مع e ( الشحنة الكهربائية وحدة ) = 1.6 10-19 كولوم
إذا كان لدينا وسط يمثل درجة حرارة، مسخنة بـ "إلكترون فولت" والتي تكون "إلكترون فولت" واحدة، فهذا سيتوافق مع درجة حرارة
T = e / k = 11.600° كلفن
بما أننا نتحدث بأساليب القيم العظمى، فإننا غالبًا نعتاد تحويل الإلكترون فولت إلى درجات كلفن عن طريق ببساطة
T = 10.000 V
إذن "كيلو إلكترون فولت" ( keV ) يعادل 10.000 درجة.
القياسات للإشعاع المنبعث ( في نطاق أشعة سينية ) تعطي درجة حرارة 30 keV، ونقربها إلى 30 مليون درجة.
مشكلة أخرى: نجد أن غاز الأيونات ساخن بثلاث إلى أربع مرات أكثر مما يمكن الحصول عليه من التثبيت الحراري البسيط. قياسات درجة الحرارة تعطي قيمة أعلى من 2 مليار درجة، وصلت حتى القيمة القصوى البالغة 3.7 مليار درجة. من أين تأتي هذه الطاقة؟ سنتحدث عن هذا لاحقًا؛
تم إجراء قياسات درجة الحرارة باستخدام الطريقة الكلاسيكية لتقدير اتساع الخطوط الطيفية بسبب تأثير دوبلر. النوى ( مثل الذرات، الجزيئات ) تصدر إشعاعًا وفقًا لطيف معين يحتوي على خطوط مميزة.
إذا كان الوسط بارد نسبيًا، فإن هذه الخطوط رفيعة.
طيف الإصدار للصلب غير القابل للصدأ "بارد نسبيًا"، مسخن إلى درجة حرارة 100.000 كلفن
نحدد خطوط الكروم ( الأولى، على اليسار) ثم خطوط المنغنيز، الحديد والنيكل.
في هذا الصلب غير القابل للصدأ، الكربون يمثل 0.15% من الخليط، وخطوطه غير مرئية.
الخطوط تتوافق مع التحفيز الإلكتروني. حول نواة تدور إلكترونات على مسارات محددة، لأسباب مرتبطة بفيزياء الكم ( كمية المسارات ). يمكن أن تؤدي إضافة طاقة من أي مصدر إلى "انتقال"، أي تغيير مسار إلكترون. يحدث هذا دائمًا في اتجاه انتقال الإلكترونات إلى مسار أبعد، مما يمثل طاقة أكبر. لا حاجة لحسابات معقدة لطرح هذه الفكرة. أنت تعرف جيدًا أن لوضع أحمال كتلة M على مدار، كلما كان المدار أعلى، كلما كانت الصاروخ أقوى. إذن، إضافة الطاقة تضع الإلكترون على مدار "أعلى"، أبعد من النواة. لا يبقى هناك لفترة طويلة ( هناك فترة حياة لهذه الحالات المثارة )، ولا يتردد في العودة إلى مدار أقرب إلى النواة في بضع نانو ثوانٍ. في هذه العملية، يفقد الطاقة التي تُصدر على شكل فوتون، وطاقة الفوتون تساوي الفرق في الطاقة بين حالتين من المدار. ومنه هذا الطيف "بخطوط".
ذرة مثل الحديد تحتوي على 26 إلكترونًا.
كلها قادرة على إجراء تغييرات في المسار، والعودة، وليس بالضرورة إلى مسارها الأصلي. ومنه، يحتوي الطيف على مجموعة كبيرة من الخطوط. بعضها أعلى من البعض الآخر. ماذا يشير "ارتفاع الخطوط"؟ إلى القوة المنبعثة وفقًا لتلك التردد. خط واحد يقيس مساهمة انتقال معين. بعض الانتقالات أكثر احتمالًا من أخرى. هذه الانتقالات الأكثر احتمالًا، وبالتالي أكثر شيوعًا، ستقدم معظم الإشعاع. عند نظرة سريعة على الرسم البياني أعلاه، نرى أن لصلب غير قابل للصدأ درجة حرارة تتراوح بين 58.000 ( 5 إلكترون فولت ) و 116.000 كلفن ( 10 إلكترون فولت )، فإن الإصدار الأقوى يأتي من خط الكروم. خط المنغنيز "أقل حدة". في هذه درجات الحرارة، الذرات قد تكون بالفعل مكشوفة من الإلكترونات. ولكن لا يزال هناك بعضها. كم عدد؟ لا أملك كتابًا تحت يدي لأجيبك. إن التخلص من الإلكترونات تدريجي. لا أعرف إلى أي درجة حرارة يجب أن نرفع الحديد أو الكروم للحصول على تخلص كامل، بحيث يتم إزالة الإلكترون الأخير. يمكن حساب ذلك بالفعل. إنها الطاقة التي يجب توفيرها لإزالة هذا الإلكترون الأخير من نواة تحمل 26 شحنة موجبة.
ما تم قياسه في تجارب سانديا يشير إلى طيف تنشيط-إلغاء إلكترونات التي بقيت حول النوى.
توسع الخطوط مرتبط بتأثير دوبلر-فيزيو.
طيف نفس المادة، مسخنة إلى مليارات الدرجات. تأثير دوبلر أدى إلى توسع الخطوط
التردد المقابل لانتقال مدار معين ( لخط معين ) سيكون أعلى إذا اقترب الذرة من المراقب وأقل إذا بعدت ( هذا هو "الانزياح الأحمر"). وبالتالي، الاهتزاز الحراري
يتوسع الخطوط
. القياسات، الموثوقة، أُجريت وتأكيد هذه القيم العالية لدرجة حرارة الأيونات، والتي تصل إلى مليارات الدرجات (
بين 2.66 و 3.7 مليار درجة
نتائج مايو 2005 على آلة Z في سانديا.
باللون الأسود، ارتفاع درجة حرارة الأيونات. باللون الأزرق، قطر البلازما.
على المحور الأفقي: الوقت بالنانو ثانية
( نانو ثانية تمثل مليار جزء من الثانية )
الانفجار في درجة الحرارة ليس حدثًا عاديًا. إنه اكتشاف علمي كبير، من المحتمل أن يكون له تأثيرات كبيرة على مجتمعنا العالمي.
الأيونات تصل إلى درجة حرارة 100 مرة أعلى من الإلكترونات
. حتى الآن كانت هذه هي التفسير الوحيد الممكن، ولكن هذه المرة تم قياسها، في تجارب قابلة للتكرار تمامًا. علاوة على ذلك، هذه درجة حرارة الأيونات
تزيد مع الوقت.
أخيرًا، الإشعاع المنبعث من غاز الإلكترونات، على شكل أشعة سينية، تبين أنها 3 إلى 4 مرات أعلى من الطاقة الحركية التي كانت تمتلكها قضبان الصلب غير القابل للصدأ في "أنبوب الأسلاك" عندما تجمعت على المحور
هاينز وفريقه حاولوا في المقال التالي توضيح هذا اللغز. من أين جاءت هذه الطاقة؟
عند تشغيل آلة Z، توزع الطاقة بشكل مختلف. هناك الطاقة الحرارية للمواد، والتي تتوافق مع مجموع الطاقات الحركية لعناصرها ( بشكل رئيسي الطاقة الحركية للأيونات الحديدية ). ولكن هناك أيضًا طاقة أخرى، أكثر صعوبة في الفهم:
الطاقة المغناطيسية
التي توزع في كل الفضاء المحيط بالخيط الرقيق للمواد المغناطيسية المكونة على المحور. لذلك، اقترح هاينز أن "انعدامات MHD" قد تنشأ، مما يسمح للمواد المغناطيسية باستعادة جزء من هذه الطاقة. كما يُذكر في المقال، هذه النظرية مبكرة جدًا ولا توجد "محاكاة" لها. الخلاصة ببساطة "ليس من المستحيل أن يكون هذا التسخين ناتجًا عن هذا الظاهرة". كما لاحظ، التفاعل الاصطكاكية الضعيفة بين الإلكترونات والأيونات، والتي تفسر التأخير في إصدار أشعة سينية، في الوقت. تُسخن الأيونات أولاً، ثم تنقل جزءًا من هذه الطاقة إلى غاز الإلكترونات، والذي يصبح بعد ذلك منبعثًا ( من خلال إشعاع التوقف ). هذا مع قياسات ( أربع نقاط )
تظهر أن غاز الأيونات الحديدية يستمر في التسخين
الحد الأقصى لدرجة الحرارة لا يبدو أنه تم الوصول إليه. ومع ذلك، درجة حرارة الأيونات الحديدية تصل إلى 3.7 مليار درجة! ثلاثين مرة درجة الحرارة التي لن تتجاوزها إيتير: 100 مليون درجة.
ديني قال أن مواجهة هذا النتيجة، قام بإعادة التجربة والقياسات عدة مرات، للتأكد. لاحظ أن العنوان في المقال كتب: "أكثر من مليار درجة". من المنطقي أن الباحثين ذكرت القيمة القصوى، 3.7 مليار درجة. دع هذا يُعتبر حركة من ... الخجل، أمام هشاشة النتيجة المحققة.
يجب أن نتذكر أن بـ 500 مليون درجة يمكن دمج الليثيوم والهيدروجين، للحصول على الهيليوم وليس النيوترونات. مع مليار درجة، لدينا "اندماج نقي" لمدة ثانية، لا يزال بدون إشعاع أو نفايات ( فقط الهيليوم ): تلك من البورون والهيدروجين. ما يمكننا فعله بـ 3.7 مليار درجة، أو أكثر؟ إذا استمرت درجة حرارة الأيونات في الارتفاع، من المنطقي التفكير في أن درجات حرارة أيونية أعلى يمكن تحقيقها.
ملاحظة. في هذه التجارب، لا يمكن للتيار الكهربائي الذي تطلقه آلة Z ( من 18 إلى 20 مليون أمبير ) أن يستمر إلى الأبد. إنها تفريغ: هذه الشدة تزداد مع الوقت، تمر عبر قمة، ثم تنخفض. في آلة Z، يستمر النبض 100 مليار جزء من الثانية. جانب آخر: إذا كان هاينز على حق، فإن البيئة المغناطيسية للخيط المغناطيسي تحتوي على طاقة هائلة. إذن، إذا حافظنا على التيار، سيستمر هذا المجال المغناطيسي في "تغذية" البلازما، مما يزيد درجة حرارة الأيونات. وبالتالي، هذه 3.7 مليار درجة لا تمثل سقفًا، ولا أحد يمكنه القول ما هي درجة الحرارة التي يمكن تحقيقها باستخدام هذا الجهاز.
التأثير الأول لهذه التجارب قد يكون "الاندماج النقي غير الملوث"، مع خليط من الليثيوم والهيدروجين ( الليثيوم، موجود في مياه البحر والمحاليل، موجود في جميع أنحاء العالم. سعره حاليًا 59 دولارًا للكيلوغرام، بما في ذلك الضرائب ). هذا هو العصر الذهبي من منظور الطاقة ( مع مكافأة القنبلة الهيدروجينية النقي، غير المكلفة، لجميع ). إذا تأكد كل ذلك، لا يمكن لأي دولة في العالم الادعاء "بامتلاك احتياطيات الليثيوم على الكوكب". وبما أن الليثيوم موجود في مياه البحر، فإن احتياطيات الكوكب هي في الأصل غير محدودة.
بما أن درجة الحرارة في سوبرنوفا هي عشرة مليارات درجة، وأن هذه تتمكن من إنشاء جميع الذرات في جدول مندليف ( ونظائرها المشعة ذات مدة حياة مختلفة )، إذا تمكنت آلة Z "المُعبأة" من تحقيق 10 مليارات درجة، فسنحقق في المختبر أعلى درجات الحرارة التي يمكن أن تحققها الطبيعة في الكون. هذا التقدم يمثل تغييرًا جذريًا في الفيزياء النووية وفهيمنا العامة.
حتى الآن كنا مرضين بـ "النيران". هذا الخطوة تمثل حقًا اختراع النيران النووية
فيما يلي بداية المقال لهاينز، دياني وآخرين:
**لنترجم العنوان **:
**تسخين الأيونات باللزوجة في الانكماش المغناطيسي غير المستقر، درجة حرارة تزيد عن 2 × 109 **K
**ثم الملخص **:
المجموعات المكونة من أسلاك معدنية، مركزة بقوة على طول محور التماثل للنظام، تشكل مصادر أشعة سينية قوية في المختبر حتى الآن. ولكن أيضًا، في ظروف معينة، يمكن ملاحظة طاقة على شكل أشعة سينية "ناعمة"، تُصدر في نبض يستمر 5 نانو ثانية، في اللحظة التي تصل فيها الضغطة القصوى ( التوقف )
وهي تتوافق مع طاقة تفوق الطاقة الكينيتية الأصلية بعامل 3 إلى 4
. نموذج نظري تم تطويره لشرح هذه الظاهرة، اقتراحًا أنها ناتجة عن تحويل سريع للطاقة المغناطيسية، مما يرفع الأيونات إلى درجة حرارة عالية، من خلال ظواهر انعدامات MHD من النوع m = 0، النمو السريع. هناك ثم تصل إلى حالة توازن غير خطي وتسخين اللزوجة لغاز الأيونات. تنتقل هذه الطاقة أولاً إلى الأيونات، ثم تنتقل إلى الإلكترونات من خلال توزيع متساوٍ، التصادمات بين الأيونات والإلكترونات، وثم تصدر الإلكترونات أشعة سينية ناعمة. تم الحصول مؤخرًا في سانديا على طيف، هذه القياسات تمتد عبر الزمن، والتي أكدت درجة حرارة أيونية تبلغ 200 keV ( 2
درجات)، في اتفاق مع هذه النظرية. إذن، تم تحقيق سجل لدرجة حرارة أعلى لبلازما مغناطيسية مغلقة.
يبدأ هاينز وفريقه بذكر جوهر المشكلة. لم نتمكن من تفسير كيف يمكن للطاقة المنبعثة من البلازما أن تصل إلى 3 أو 4 أضعاف الطاقة الكينيتية "المنبعثة"، أي مجموع 1/2 mV2 للذرات المعدنية التي أُرسلت ضد بعضها البعض باتجاه المحور، حيث تنتهي مساراتها، هذه الطاقة الكينيتية تتحول إلى طاقة حرارية. عندما نحلل البيانات، لا يناسب العد. هناك طاقة أكثر من التي دخلت في هذا النظام، وعليها أن تأتي من مكان ما. يفكر هاينز في الطاقة المغناطيسية. ماذا عن ذلك؟
إذا اعتبرنا أن أنبوبًا مكونًا من أسلاك ( 240 ) ومررنا تيارًا فيه، يمكننا حساب شدة المجال المغناطيسي المحوري الذي يخلقها الأسلاك الأخرى. هذا السلك يعاني من قوة لابلاس J x B. من السهل إثبات أن هذه القوة هي نفسها التي ستكون ناتجة عن مجال مُولد بواسطة موصل خطي مُوزع على طول المحور، حيث يتم تمرير كل التيار ( في تجربة سانديا: 20 مليون أمبير ).
هذا هو أيضًا الطريقة التي يمكننا من خلالها حساب قيمة المجال الخارجي، مع افتراض أننا نعتبر هذا المجال مُولدًا من أسلاك ذات طول لا نهائي، وهو أمر بعيد عن الواقع. لذلك، تقدم فقط تصورات عامة. لهذه المجال المغناطيسي مرتبط ضغط مغناطيسي، إذا تم التعبير عنه بنيوتن لكل متر مربع، فإنه يتوافق أيضًا مع جول لكل متر مكعب. الضغط المغناطيسي هو كثافة الطاقة الحجمية. نقيّم تلك التي ستُولد بواسطة موصل خطي لا نهائي.
يمكننا، بالقرب من حزمة الأسلاك حيث يمكننا تقريبًا احتساب هذه الطريقة لحساب المجال، حساب الطاقة المغناطيسية المُحصورة بين أسطوانة نصف قطرها r وأسطوانة نصف قطرها dr
إذا كان rmin نصف قطر البلازما الأدنى. من المؤكد أن من غير المنطقي تكامل هذه التعبير من هذه القيمة إلى اللانهاية، لأنها صالحة فقط لموصلات خطية يمكن اعتبار طولها لا نهائيًا. لكن، بكتابة:
نرى أن كلما اقتربت حزمة الذرات المعدنية من المحور، كانت الطاقة المُكوّنة على شكل ضغط مغناطيسي أقرب إلى الجسم أكبر. يرى هاينز أن هذه مصدر الطاقة الذي يمكن أن يزيد درجة حرارة الأيونات، والتي أخذت بالفعل طاقتها الكينيتية على شكل طاقة حركية حرارية. إذا كانت V سرعة الأيونات في اللحظة التي تحدث فيها الاصطدام، من "التوقف" يمكننا تقييم هذه السرعة الحرارية بالطريقة التالية:
استخدام هذه الصيغة يعني أن "غاز الأيونات الحديدية" "مُثَرَّم"، وقد اكتسب توزيع سرعة ماكسويل-بولتزمان. ولكن كما سيوضح لاحقًا هاينز، فإن وقت الترسيخ في هذا الوسط ضئيل جدًا.
tii، وقت الترسيخ في الوسط الأيوني: 37 بيكو ثانية ( هاينز )
أضف أن التفاعل الطاقي مع غاز الإلكترونات ضعيف أيضًا. علاوة على ذلك، الطاقة الموزعة لا يمكن أن تُوزع إلا على شكل كينيتي ( الطاقة الحركية الحرارية للأيونات والإلكترونات ). إذن، هذه الصيغة البسيطة صالحة. أخيرًا، في حالة افتراض أن غاز الأيونات لا يُغذى من مصدر طاقة آخر، وسنرى لاحقًا أن هذا هو الحال.
هذا، مع سرعة 1000 كم/ث، نحصل فعليًا على 2 مليار درجة. متى ينتقل النظام من الوضع "أسلاك منفصلة" إلى الوضع "غلاف بلازما"؟ لا يذكر المقال ذلك. مع أنبوب بقطر 4 سم ووقت انكماش 100 نانو ثانية، نحصل على سرعة متوسطة شعاعية تبلغ 400 كم/ث، وهي أدنى. ذرة الحديد تزن 9 10-26 كجم، ولكن إذا كانت سرعة الأيونات في لحظة الاصطدام، نحصل على 348 مليون درجة. هذا ليس أكثر من سرعة متوسطة. عندما نكتب المعادلة التفاضلية للحركة، نحصل على تسارع كبير في النهاية. يجب أيضًا أخذ في الاعتبار أن التفريغ ليس بتيار ثابت. I يزداد مع الوقت. لدينا:
M تمثل كتلة الأنبوب، لكل متر. نرى أن في نهاية التفريغ وفي نهاية المسار، يزداد التسارع. السرعة ترتفع. يكتب هاينز:
There has been some difficulty in understanding how theradiated energy in a wire-array Z pinch implosion could be up to 4 times the kinetic energy [1– 4], and also how the plasma pressure could be sufficient to balance the magnetic pressure at stagnation if the ion and electron temperatures were equal. In fact, theoretically the excess magnetic pressure should continue to compress the plasma leading to a radiative collapse. Some theories [5,6] have been developedto explain the additional heating, but neither of these have addressed the pressure imbalance.
كانت هناك صعوبة في فهم كيف يمكن أن تصل الطاقة المنبعثة في انكماش نظام أسلاك Z إلى 4 أضعاف الطاقة الكينيتية [1-4]، وكذلك كيف يمكن أن تكون ضغطة البلازما كافية لموازنة الضغط المغناطيسي في اللحظة التي تصل فيها إلى التوقف إذا كانت درجات حرارة الأيونات والإلكترونات متساوية. في الواقع، نظريًا، الضغط المغناطيسي الإضافي يجب أن يستمر في ضغط البلازما مما يؤدي إلى انهيار إشعاعي. تم تطوير بعض النظريات [5,6] لشرح التسخين الإضافي، ولكن لم تتناول أي من هذه النظريات توازن الضغط.
There has been some difficulty in understanding how theradiated energy in a wire-array Z pinch implosion could be up to 4 times the kinetic energy [1– 4], and also how the plasma pressure could be sufficient to balance the magnetic pressure at stagnation if the ion and electron temperatures were equal. In fact, theoretically the excess magnetic pressure should continue to compress the plasma leading to a radiative collapse. Some theories [5,6] have been developedto explain the additional heating, but neither of these have addressed the pressure imbalance.
كانت هناك صعوبة في فهم كيف يمكن أن تصل الطاقة المنبعثة في انكماش نظام أسلاك Z إلى 4 أضعاف الطاقة الكينيتية [1-4]، وكذلك كيف يمكن أن تكون ضغطة البلازما كافية لموازنة الضغط المغناطيسي في اللحظة التي تصل فيها إلى التوقف إذا كانت درجات حرارة الأيونات والإلكترونات متساوية. في الواقع، نظريًا، الضغط المغناطيسي الإضافي يجب أن يستمر في ضغط البلازما مما يؤدي إلى انهيار إشعاعي. تم تطوير بعض النظريات [5,6] لشرح التسخين الإضافي، ولكن لم تتناول أي من هذه النظريات توازن الضغط.
There has been some difficulty in understanding how theradiated energy in a wire-array Z pinch implosion could be up to 4 times the kinetic energy [1– 4], and also how the plasma pressure could be sufficient to balance the magnetic pressure at stagnation if the ion and electron temperatures were equal. In fact, theoretically the excess magnetic pressure should continue to compress the plasma leading to a radiative collapse. Some theories [5,6] have been developedto explain the additional heating, but neither of these have addressed the pressure imbalance.
كانت هناك صعوبة في فهم كيف يمكن أن تصل الطاقة المنبعثة في انكماش نظام أسلاك Z إلى 4 أضعاف الطاقة الكينيتية [1-4]، وكذلك كيف يمكن أن تكون ضغطة البلازما كافية لموازنة الضغط المغناطيسي في اللحظة التي تصل فيها إلى التوقف إذا كانت درجات حرارة الأيونات والإلكترونات متساوية. في الواقع، نظريًا، الضغط المغناطيسي الإضافي يجب أن يستمر في ضغط البلازما مما يؤدي إلى انهيار إشعاعي. تم تطوير بعض النظريات [5,6] لشرح التسخين الإضافي، ولكن لم تتناول أي من هذه النظريات توازن الضغط.
نلقي نظرة على المراجع المذكورة:
[1] C. Deeney et al., Phys. Rev. E 56, 5945 (1997).
[2] C. Deeney et al., Phys. Plasmas 6, 3576 (1999).
[3] J. P. Apruzese et al., Phys. Plasmas 8, 3799 (2001).
[4] C. A. Coverdale et al., Phys. Rev. Lett. 88, 065001
(2002).
[5] L. I. Rudakov and R. N. Sudan, Phys. Rep. 283, 253
(1997).
[6] A. L. Velikovich, J. Davis, J.W. Thornhill, J. L. Giuliani,
المراجع (1) تعود إلى عام 1997. إذن، منذ تلك الفترة كانت هذه الظاهرة غير المفسرة ملاحظة بالفعل. دياني هو مدير تجارب آلة Z. لم أقرأ هذه المقالات. إذا استطاع الأشخاص إرسالها لي بصيغة PDF، يمكنني مراجعتها وتقديم ملاحظات إضافية.
ننتقل مباشرة إلى الاستنتاجات في المقال:
**
| في الختام، يبدو أن الانعدامات MHD ذات الطول الموجي القصير m = 0 في الانكماشات ذات الكتلة المنخفضة تُنتج تسخينًا سريعًا باللزوجة للأيونات إلى درجات حرارة قياسية تزيد عن 200 keV. تم قياس هذه الدرجات الحرارة، حيث تأتي الطاقة من تحويل الطاقة المغناطيسية في مدة 5 نانو ثانية. تسخن الأيونات الإلكترونات التي تُصدر الطاقة فورًا. علاوة على ذلك، تؤدي الخطوط الطيفية الموسعة الناتجة عن درجة حرارة الأيونات العالية إلى إمكانية حدوث قوة إشعاعية أكبر بسبب انخفاض التماسك. يوفر الميكانيزم المقترح تفسيرًا منطقيًا لعدة ظواهر ذات أهمية أساسية لديناميكية Z pinch، بما في ذلك التوازن الضغطي في التوقف، عدم وجود انهيار إشعاعي، والزيادة المهمة في الإشعاع السيني | في الختام، يبدو أن الانعدامات MHD ذات الطول الموجي القصير m = 0 التي تحدث في ظروف التوقف، مع كميات منخفضة من المادة، تُنتج تسخينًا سريعًا باللزوجة للأيونات إلى درجات حرارة قياسية تزيد عن 200 keV ( مليار درجة ). تم قياس هذه الدرجات الحرارة، حيث تأتي الطاقة من تحويل الطاقة المغناطيسية في مدة 5 نانو ثانية. تسخن الأيونات الإلكترونات التي تُصدر الطاقة فورًا. علاوة على ذلك، تؤدي الخطوط الطيفية الموسعة الناتجة عن درجة حرارة الأيونات العالية إلى إمكانية حدوث قوة إشعاعية أكبر بسبب انخفاض التماسك. يوفر الميكانيزم المقترح تفسيرًا منطقيًا لعدة ظواهر ذات أهمية أساسية لديناميكية Z pinch، بما في ذلك التوازن الضغطي في التوقف، عدم وجود انهيار إشعاعي، والزيادة المهمة في الإشعاع السيني. |
|---|
In conclusion, it appears that short wavelength m = 0 MHD instabilities at stagnation in low mass implosions provide fast viscous heating of ions to record temperatures of over 200 keV. Such temperatures have been measured, the energy coming from conversion of magnetic energy on a 5 ns time scale. The ions heat the electrons which immediately radiate the energy. Furthermore, the broadened spectral lines arising from the high ion temperature will permit a greater radiative power to occur due to decreased opacities. The proposed mechanism provides a plausible explanation of several phenomena of fundamental importance to Z pinch dynamics including pressure balance at stagnation, the absence of radiative collapse, the significant excess of x-ray radiation
في الختام، يبدو أن الانعدامات MHD ذات الطول الموجي القصير m = 0 التي تحدث في ظروف التوقف، مع كميات منخفضة من المادة، تُنتج تسخينًا سريعًا باللزوجة للأيونات إلى درجات حرارة قياسية تزيد عن 200 keV ( مليار درجة ). تم قياس هذه الدرجات الحرارة، حيث تأتي الطاقة من تحويل الطاقة المغناطيسية في مدة 5 نانو ثانية. تسخن الأيونات الإلكترونات التي تُصدر الطاقة فورًا. علاوة على ذلك، تؤدي الخطوط الطيفية الموسعة الناتجة عن درجة حرارة الأيونات العالية إلى إمكانية حدوث قوة إشعاعية أكبر بسبب انخفاض التماسك. يوفر الميكانيزم المقترح تفسيرًا منطقيًا لعدة ظواهر ذات أهمية أساسية لديناميكية Z pinch، بما في ذلك التوازن الضغطي في التوقف، عدم وجود انهيار إشعاعي، والزيادة المهمة في الإشعاع السيني.
في الختام، يبدو أن عدم استقرار MHD بطول موجي قصير m = 0 يحدث في ظروف التوقف في الانكماشات ذات الكتلة المنخفضة، يؤدي إلى تسخين سريع للإيونات بفعل اللزوجة إلى درجات حرارة قياسية تزيد عن 200 keV. تم قياس هذه الدرجات الحرارة، حيث يأتي الطاقة من تحويل الطاقة المغناطيسية خلال فترة زمنية تبلغ 5 نانو ثانية. تسخن الإيونات الإلكترونات التي تشع الطاقة فورًا. علاوة على ذلك، ستسمح خطوط الطيف الموسعة الناتجة عن درجة حرارة الإيونات العالية بحدوث قوة إشعاعية أكبر بسبب انخفاض الكثافة. يوفر الميكانيزم المطروح تفسيرًا منطقيًا لعدة ظواهر ذات أهمية أساسية لديناميكية Z pinch، بما في ذلك توازن الضغط في التوقف، وعدم وجود انهيار إشعاعي، والزيادة الكبيرة في الإشعاع الأشعة السينية.
في الختام، يبدو أن عدم استقرار MHD بطول موجي قصير m = 0 يحدث في ظروف التوقف في الانكماشات ذات الكتلة المنخفضة، يؤدي إلى تسخين سريع للإيونات بفعل اللزوجة إلى درجات حرارة قياسية تزيد عن 200 keV. تم قياس هذه الدرجات الحرارة، حيث يأتي الطاقة من تحويل الطاقة المغناطيسية خلال فترة زمنية تبلغ 5 نانو ثانية. تسخن الإيونات الإلكترونات التي تشع الطاقة فورًا. علاوة على ذلك، ستسمح خطوط الطيف الموسعة الناتجة عن درجة حرارة الإيونات العالية بحدوث قوة إشعاعية أكبر بسبب انخفاض الكثافة. يوفر الميكانيزم المطروح تفسيرًا منطقيًا لعدة ظواهر ذات أهمية أساسية لديناميكية Z pinch، بما في ذلك توازن الضغط في التوقف، وعدم وجود انهيار إشعاعي، والزيادة الكبيرة في الإشعاع الأشعة السينية.
المعادلة (1) في المقال تُذكر على أنها "علاقة بنيت"، والتي تعود إلى عام 1934 (تُذكر كمقدمة في المراجع (1)). يمكن إعادة صياغتها بسهولة. إنها تعبر ببساطة عن أن الضغط المغناطيسي يساوي الضغط في البلازما. الضغط المغناطيسي مذكور أعلاه. الضغط الإجمالي في البلازما يُعطى كمجموع الضغوط الجزئية التي تشكل المساهمة:
- من غاز الإلكترونات ne k Te
- وغاز الإيونات ni k Ti
حيث k هي ثابت بولتزمان.
إذا كانت Z هي درجة التأين
ne = Z ni
إذا كانت أيضًا درجات الحرارة المطلقة مُعبَّرة بالإلكترون فولت، وليس بالدرجات المئوية، مع
k T = e V
فإن الضغط في البلازما يُكتب على الشكل:
ni e ( Ti + Z Te )
نرى ظهور الجانب الأيمن من "علاقة بنيت". كما تم إثبات سابقًا أن:
[صورة 1]
حيث r هو نصف القطر الأدنى للخيط البلازمي المغلق على المحور. يدخل بنيت الآن عدد الإيونات لكل متر من الخيط Ni.
[صورة 2]
[صورة 3]
[صورة 4]
ما يعطي (بنيت، 1934)
[صورة 5]
هذه الصيغة مميزة لأن نصف القطر الأدنى للخيط البلازمي لا يدخل فيها. لماذا؟
عندما ينكمش الخيط البلازمي، يزداد الضغط المغناطيسي الممارس عليه بشكل طردي مع مربع نصف قطره. ولكن أيضًا تزداد كثافة الإيونات بنفس الطريقة. هذا يوازن ذلك. ما هو غريب حقًا هو أن الفرق الكبير بين درجات حرارة الإيونات والإلكترونات لا يعتمد على نصف قطر الخيط البلازمي النهائي، الذي يمكن أن يكون صغيرًا جدًا. لدينا معادلة تفاضلية تصف تطور نصف قطر البلازما r حسب الوقت:
[صورة 6]
يمكن حساب شكل المنحنى (بشرط امتلاك قانون ارتفاع التيار I(t)، وهو "مدخل" للمشكلة. في المبدأ، في آلات Z، يرتفع التيار بشكل تقريبًا خطي، باستثناء الخطأ). يزداد انكماش r. أعني أن سرعة الانكماش تزداد مع تناقص r. إذا أصبح r صفرًا، فإن سرعة الانكماش ستكون لا نهائية. ولكن عند كتابة هذه المعادلة، نسينا شيئًا: قوة الضغط التي تعارض الانكماش. يجب أخذها في الاعتبار. وبهذا، يصبح الموقف أكثر تعقيدًا مما يبدو. هذا الضغط الذي يعارض الانكماش يعتمد على درجة حرارة الإيونات. ولكن لا يمكننا نمذجته لأن، وفقًا لهاينز، نموه يعتمد على ظاهرة لا نعرف كيف نتعامل معها: تسخين البلازما بواسطة عدم استقرار MHD صغير الموجات.
الخلاصة: يجب أن نتوقف عن محاولة النمذجة ونوقف تضمين جميع المعايير. لدينا المعادلة:
[صورة 7]
لكننا لا نعرف سرعة الإيونات في نهاية الانكماش. إدخال سرعة متوسطة (نصف قطر الخيط على زمن الانكماش) ليس له معنى كبير لأن السرعة تزداد في نهاية الانكماش.
يُشير هاينز إلى تجربة معينة من آلة Z، Z1141، حيث كانت كتلة الخيط لكل متر 450 ملليجرام من أسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ (4.5 × 10-5 كجم/م)، موزعة على قطعتين دوائريتين، الأولى بقطر 55 مم وتزن ضعف كتلة الثانية بقطر 27.5 مم.
في وقت لاحق، سيستخدم هاينز قيمة Ni (عدد الإيونات لكل متر) تبلغ 3.41 × 1020. كتلة ذرة الحديد هي 9 × 10-26 كجم، إذا قسمنا 4.5 × 10-5 كجم/م على هذه الكتلة نحصل على 5 × 1020. لكنه يشير إلى أن 30% من الكتلة "قد فقدت في الطريق". وبالتالي نحصل تقريبًا على رقمه.
يقول إن قياسات درجة الحرارة الإلكترونية التي أجريت تصل إلى 3 keV في لحظة التوقف، أي 35 مليون درجة. يشير إلى أن التيار ارتفع إلى 18 ميغا أمبير في 100 نانو ثانية. يقدر أن 30% من المادة "تم فقدانها في الطريق"، لكن 70% وصلت إلى وجهتها. في الواقع، هذا ما يظهر من جميع هذه الدراسات مع الخيوط (أطروحة باواي). خلال الانهيار، تتبخر هذه الخيوط مثل المذنبات التي تطلق غازاتها. تترك "في أثرها" خيطًا من البلازما، يمكن أن تمثل كتلته من 30 إلى 50% من كتلة الخيوط.
مع Ni = 3.41 × 1020 أيون لكل متر وZ = 26 (حديد)، نطبق علاقة بنيت مع الشحنة الكهربائية وحدة e = 1.6 × 10-19 (كولوم)
mo = 4 π × 10-7 MKSA
احسب (Ti + Z Te):
[صورة 8]
ما يعادل 3.44 مليار درجة. عندما يمر قطر الخيط البلازمي عبر الحد الأدنى، تصل قياسات درجة حرارة الإيونات إلى 270 keV، أي 3.12 مليار درجة. مع مراعاة نطاق الخطأ، هذا التوافق مذهل حقًا.
[صورة 9]
[صورة 10]
[صورة 11]
[صورة 12]
[صورة 13]
[صورة 14]
[صورة 15]
[صورة 16]
26 يونيو 2006
كيف تقيّم درجة حرارة الإيونات في تجربة (J.P. Petit 27 يونيو 2006)
لنعود إلى تفاصيل إنشاء المعادلة التفاضلية التي تصف ديناميكية عنصر من الخيط المُعرَّض لقوة كهرومغناطيسية محورية. لنعيد كل شيء. من السهل إثبات أن المجال المغناطيسي المُنتج من سلسلة أسلاك موزعة على شكل أسطوانة يعادل المجال المغناطيسي الذي يُنتج عن سلك واحد مُوزع على المحور ويعبره التيار بالكامل. إذًا:
هناك n سلك. يمر التيار I/n في كل سلك. يخضع هذا التيار لقوة لابلاس، لكل وحدة طول:
لنسمِّي M الكتلة لكل وحدة طول من الخيط. طالما أن السلك لم يتبخر، تُستنتج المعادلة التفاضلية عن طريق كتابة:
حيث I يعتمد على الوقت، بالطبع. ولكن هذه هي بيانات المعادلة التفاضلية.
الآن استبدل السلك ببخار معدني. أكثر تحديدًا، استبدل كل نظام الأسلاك بأسلاك بلازما، "pinch". لا يزال يتم تمرير التيار I عبره. على السطح، يمكننا حساب المجال B، بنفس الصيغة. ولكن يمكننا أيضًا إدخال قوة ضغط، والتي تسعى إلى وقف هذا الانكماش. هذا الضغط هو الضغط الأيوني
لا نملك سيطرة عليه، لأنه يعتمد على الطاقة المُقدَّمة للإيونات بطريقة لا تزال غير مفهومة، من خلال عدم الاستقرار MHD، وفقًا لهاينز. لدينا قوة لابلاس التي تؤثر على كل "سلك" أو كل قطعة من البلازما التي كانت تشغل قطعة 2π/n. القوة الضاغطة التي تؤثر على هذه القطعة لكل وحدة طول هي:
يمكنني الحصول على معادلة الحركة التفاضلية عن طريق كتابة:
لدينا:
بإدخال في المعادلة:
بما أننا لا نستطيع تحديد تطور درجة حرارة الإيونات مع مرور الوقت، لأنها تعتمد على هذا الدخل الخارجي للطاقة، لا يمكننا الذهاب بعيدًا، إلا إذا حاولنا تقييم قيمة درجة حرارة الإيونات عندما تكون التسارع صفرًا، في "حالة التوقف"، عندما يكون التسارع صفرًا، أي r" = 0. نحصل بذلك على:
نرى أن هذه درجة حرارة الإيونات (وهي ترتيب كبير في حساب تقريبي)، المقابلة لحالة "التوقف" تعتمد على مربع التيار الكهربائي الإجمالي I وتصبح أعلى عندما يقل عدد الإيونات لكل متر. إذًا، بالنسبة لكتلة وشكل هندسي مماثل للخيط، من الأفضل استخدام ذرات أثقل، مثل الذهب، الذي هو مرن، سهل التشكيل، وأربع مرات أثقل من الفولاذ المقاوم للصدأ، كما اقترحه شخص من DAM (قسم التطبيقات العسكرية). مع تكوين آلة Z من سانديا، يمكن توقع الوصول إلى درجة حرارة تصل إلى عشرة مليارات درجة.
لكن من الضروري أن يكون جميع المعايير مُسيطرًا عليها، أي أن نعرف "لماذا نجحت". قد تلعب سرعة التبخر للمواد دورًا رئيسيًا. كلما كانت أبطأ، كلما طال الوقت الذي يبقى فيه الخيط على شكل أسلاك منفصلة، مما يحافظ على المحاذاة المحورية. إذا كانت سرعة التبخر للذهب مرتفعة جدًا، فقد يؤدي استبدال الفولاذ المقاوم للصدأ به إلى نتائج أسوأ. ولكن في أي حال، من الضروري تجربتها. وبالطبع، تجربتها مع تيارات أعلى. ماذا سيحصل الأمريكيون مع ZR، الذي سيولد 28 مليون أمبير بدلًا من 20؟ منطقيًا، يجب أن تصل درجة حرارة الإيونات إلى قيم أعلى. ربما خمسة مليارات درجة.
إذا اعتمدنا على هذه الصيغة، التي تشير إلى اتجاه التجربة، فإن الطريقة التي يجب أن تؤثر بها المعايير على درجة حرارة الإيونات في نهاية الضغط تشير إلى أن المولد في جرامات لن يسمح بتجاوز 50 مليون درجة مع تكوين مماثل لآلة Z من سانديا. ولكن يمكن التفكير في تكوينات أخرى. راجع أدناه.
26 يونيو 2006
كيف تقيّم درجة حرارة الإيونات في تجربة (J.P. Petit 27 يونيو 2006)
لنعود إلى تفاصيل إنشاء المعادلة التفاضلية التي تصف ديناميكية عنصر من الخيط المُعرَّض لقوة كهرومغناطيسية محورية. لنعيد كل شيء. من السهل إثبات أن المجال المغناطيسي المُنتج من سلسلة أسلاك موزعة على شكل أسطوانة يعادل المجال المغناطيسي الذي يُنتج عن سلك واحد مُوزع على المحور ويعبره التيار بالكامل. إذًا:
هناك n سلك. يمر التيار I/n في كل سلك. يخضع هذا التيار لقوة لابلاس، لكل وحدة طول:
لنسمِّي M الكتلة لكل وحدة طول من الخيط. طالما أن السلك لم يتبخر، تُستنتج المعادلة التفاضلية عن طريق كتابة:
حيث I يعتمد على الوقت، بالطبع. ولكن هذه هي بيانات المعادلة التفاضلية.
الآن استبدل السلك ببخار معدني. أكثر تحديدًا، استبدل كل نظام الأسلاك بأسلاك بلازما، "pinch". لا يزال يتم تمرير التيار I عبره. على السطح، يمكننا حساب المجال B، بنفس الصيغة. ولكن يمكننا أيضًا إدخال قوة ضغط، والتي تسعى إلى وقف هذا الانكماش. هذا الضغط هو الضغط الأيوني
pi = ni k Ti
لا نملك سيطرة عليه، لأنه يعتمد على الطاقة المُقدَّمة للإيونات بطريقة لا تزال غير مفهومة، من خلال عدم الاستقرار MHD، وفقًا لهاينز. لدينا قوة لابلاس التي تؤثر على كل "سلك" أو كل قطعة من البلازما التي كانت تشغل قطعة 2π/n. القوة الضاغطة التي تؤثر على هذه القطعة لكل وحدة طول هي:
يمكنني الحصول على معادلة الحركة التفاضلية عن طريق كتابة:
لدينا:
بإدخال في المعادلة:
بما أننا لا نستطيع تحديد تطور درجة حرارة الإيونات مع مرور الوقت، لأنها تعتمد على هذا الدخل الخارجي للطاقة، لا يمكننا الذهاب بعيدًا، إلا إذا حاولنا تقييم قيمة درجة حرارة الإيونات عندما تكون التسارع صفرًا، في "حالة التوقف"، عندما يكون التسارع صفرًا، أي r" = 0. نحصل بذلك على:
نرى أن هذه درجة حرارة الإيونات (وهي ترتيب كبير في حساب تقريبي)، المقابلة لحالة "التوقف" تعتمد على مربع التيار الكهربائي الإجمالي I وتصبح أعلى عندما يقل عدد الإيونات لكل متر. إذًا، بالنسبة لكتلة وشكل هندسي مماثل للخيط، من الأفضل استخدام ذرات أثقل، مثل الذهب، الذي هو مرن، سهل التشكيل، وأربع مرات أثقل من الفولاذ المقاوم للصدأ، كما اقترحه شخص من DAM (قسم التطبيقات العسكرية). مع تكوين آلة Z من سانديا، يمكن توقع الوصول إلى درجة حرارة تصل إلى عشرة مليارات درجة.
لكن من الضروري أن يكون جميع المعايير مُسيطرًا عليها، أي أن نعرف "لماذا نجحت". قد تلعب سرعة التبخر للمواد دورًا رئيسيًا. كلما كانت أبطأ، كلما طال الوقت الذي يبقى فيه الخيط على شكل أسلاك منفصلة، مما يحافظ على المحاذاة المحورية. إذا كانت سرعة التبخر للذهب مرتفعة جدًا، فقد يؤدي استبدال الفولاذ المقاوم للصدأ به إلى نتائج أسوأ. ولكن في أي حال، من الضروري تجربتها. وبالطبع، تجربتها مع تيارات أعلى. ماذا سيحصل الأمريكيون مع ZR، الذي سيولد 28 مليون أمبير بدلًا من 20؟ منطقيًا، يجب أن تصل درجة حرارة الإيونات إلى قيم أعلى. ربما خمسة مليارات درجة.
إذا اعتمدنا على هذه الصيغة، التي تشير إلى اتجاه التجربة، فإن الطريقة التي يجب أن تؤثر بها المعايير على درجة حرارة الإيونات في نهاية الضغط تشير إلى أن المولد في جرامات لن يسمح بتجاوز 50 مليون درجة مع تكوين مماثل لآلة Z من سانديا. ولكن يمكن التفكير في تكوينات أخرى. راجع أدناه.
[صورة 8][صورة 8]
نعود إلى علاقة بنيت. في تجربة سانديا، درجة حرارة الإلكترونات المُقاسة (حسب إشعاع الأشعة السينية) هي 3 keV. مع Z = 26 لدينا:
Z Te = 78
إذًا، الضغط لا يأتي من غاز الإلكترونات! يبقى الضغط الأيوني لموازنة الضغط المغناطيسي (علاقة بنيت). لكن يجب أن تكون هذه الإيونات بدرجة حرارة 219 keV أي ... 2.54 مليار درجة! بالفعل، يجب أن يكون:
Ti + 78 (مقاس) = 296
ولكن هذا ليس كل شيء. قبل هذه التجارب، كانت سانديا تستخدم "gas puff" أي "بُخارات غازية" تُرسل إلى مركز النظام وتُضغط بواسطة الخيط السلكي.
ومع ذلك، يظهر نفس التناقض في توازن الضغط في انكماشات Z-pinches باستخدام "gas puff" [9] حيث تم قياس نماذج الكثافة ودرجة الحرارة في حالة التوقف، لكنها أيضًا تتمتع بدرجة حرارة إيونات مرتفعة غير مفسرة تبلغ 36 keV.
بأي حال، نفس التناقض في توازن الضغط ظهر في تجارب Z-pinches باستخدام "gas puff" (9) حيث تم قياس نماذج الكثافة ودرجة الحرارة في حالة التوقف، ولكن أيضًا بدرجة حرارة إيونات تبلغ 36 keV (3 ملايين درجة) أيضًا غير مفسرة.
ومع ذلك، يظهر نفس التناقض في توازن الضغط في انكماشات Z-pinches باستخدام "gas puff" [9] حيث تم قياس نماذج الكثافة ودرجة الحرارة في حالة التوقف، لكنها أيضًا تتمتع بدرجة حرارة إيونات مرتفعة غير مفسرة تبلغ 36 keV.
بأي حال، نفس التناقض في توازن الضغط ظهر في تجارب Z-pinches باستخدام "gas puff" (9) حيث تم قياس نماذج الكثافة ودرجة الحرارة في حالة التوقف، ولكن أيضًا بدرجة حرارة إيونات تبلغ 36 keV (3 ملايين درجة) أيضًا غير مفسرة.
[9] K. L. Wong et al., Phys. Rev. Lett. 80, 2334 (1998).
مرة أخرى، إذا كان هناك قارئ يمكنه إرسال لي ملف PDF من المراجع (9)، سأفحصه بشكل أدق.
يُستبعد هاينز تسخين المقاومة، التأثير الجوهري الذي توجه إليه يوناس. على سبيل المثال، يشير إلى أنه لتسخين Z-pinches بقطر 2 مم إلى 3 keV (3 ملايين درجة فقط)، يحتاج إلى 8 ميكروثانية!
لا يرى إلا المجال المغناطيسي المحيط كمصدر محتمل للطاقة. ثم يقترح استدعاء تسخين الإيونات عبر عدم استقرار MHD بطولات موجية قصيرة، والذي يليه توزيعًا متساويًا، تسخين غاز الإلكترونات عبر تصادمات الإيونات-الإلكترونات، وأخيرًا يؤدي ذلك إلى إشعاع الطاقة من هذه الإلكترونات (بشكل كلاسيكي، Bremmstrahlung، أو إشعاع التوقف، أي التفاعل مع المجال المغناطيسي).
ما يلي يشير إلى طبيعة عدم الاستقرار MHD المذكورة. نصل إلى معادلة طاقة تُكتب:
[صورة 9]
k هي ثابت بولتزمان وneq هي تردد التصادم. CA هي سرعة هالفين، Cs هي سرعة الصوت، a هو القطر الأدنى للبلازما. لكن هاينز يكتب هذه المعادلة بشكل مختلف، حيث يضع درجات الحرارة بالإلكترون فولت ويستبدل تردد التصادم بزمنه المتوسط الحر، teq.
[صورة 10]
بالمقارنة مع البلازما غير المتوازنة مثل تلك الموجودة في أنبوب النيون في مطبخك، لاحظ أن هذه المرة درجة حرارة الإيونات أعلى من درجة حرارة الإلكترونات (بينما في الأنبوب هو العكس: غاز إلكترونات ساخنة، النيون بارد). فيما يلي المعادلة لوسط غير متوازن مثل أنبوب النيون بسيط.
[صورة 11]
يُمثل الجانب الأيسر تسخين غاز الإلكترونات عبر التأثير الجوهري. J هو متجه كثافة التيار وs هو التوصيل الكهربائي. الجانب الأيمن، من المعادلة السابقة، يُقرأ بطريقة التالية. لدينا في المقام المقام زمن التصادم الإلكتروني في النيون، وعكسه هو تردد التصادم. عندما ينقل الإلكترونات طاقة إلى الإيونات، فإنها تفعل ذلك بعناء وعامل، نسبة الكتلة، يظهر في المعادلة.
[صورة 12]
ولكن عندما يصطدم أيون ب الإلكترون، يكون كفاءة نقل الطاقة وحدة. إذًا، هذا العامل من نسبة الكتلة يختفي، أو بمعنى آخر، يساوي ... الوحدة. ينتج هاينز الصيغة الكلاسيكية لحساب تردد التصادم الإلكتروني-الإيوني. نحن في "الوضع الكولومي". نجد في التعبير مقطع التصادم الإلكتروني-الإيوني. أولئك الذين يعرفون نظرية الغازات الحركية سيعرفون هذه الصيغة الكلاسيكية.
[صورة 13]
الجزء المتعلق بظهور عدم الاستقرار MHD مبسط إلى حد ما، خاصة لأن معلمة هال للإيونات أكبر من الوحدة.
[صورة 14]
ما يدخل في هذا المعلمة هو تردد التصادم بين الإيونات.
أرسل يوناس لي أن "نظرية هاينز تفسر هذا الوضع غير المتوازن" ولكنني لا أزال غير متأكد تمامًا. يمكن القول إن "التفسير" من هاينز ما زال في مراحله الأولى ويقتصر على حوالي عشرين سطرًا. يفترض أن هذه عدم الاستقرار تؤثر على الإيونات وتسبب تسخينًا لزوجيًا في هذا الوسط.
يتساءل القارئ بالطبع ما مظهر هذه عدم الاستقرار وكيف تظهر. تُحسب فقدان الطاقة عبر التأثير الجوهري، لكل وحدة حجم:
[صورة 15]
عدم الاستقرار المقترح يخلق تدفقًا في كثافة التيار. تتشابك خطوط التيار، تتفتح، تتشابك مرة أخرى، وفقًا لطول موجات طويل، يحدد هاينز بmicrons أو عشرات microns. إنها عدم استقرار صغير. إذا زادت كثافة التيار محليًا، فإن ذلك يصاحبه تعزيزًا للمجال المغناطيسي، والعكس صحيح. إذًا، هذا هو تدفق كهرومغناطيسي، مميز لـ Z-pinches. نجد هذه التدفقات في ... البرق.闪电، لا تدوم طويلاً، ولكن الصور التي يمكن التقاطها ل闪电 أثناء تبدده تظهر قطرات من البلازما، متباعدة. في هذه الحالة، الغاز (الهواء) ليس م-ionized بالكامل. عندما يحدث pincement في التفريغ، تزداد كثافة التيار، ودرجة حرارة الإلكترونات أيضًا. تفريغ البرق هو قوس كهربائي. الآليات التي تحدث فيه معقدة. زيادة شدة التيار الكهربائي تؤدي إلى زيادة إنتاج الحرارة عبر التأثير الجوهري. يتوسع خيط البلازما، إلخ...
عدم الاستقرار المقترح من قبل هاينز هو "أقارب" لهذه عدم الاستقرار. يحدث تضيق صغير. تزداد القيمة المحلية لكثافة التيار، مما يؤدي إلى زيادة قيمة المجال المغناطيسي والضغط المغناطيسي في الأماكن المحيطة. هذا الزيادة تزيد من التضيق. هذا هو أساس عدم الاستقرار الذاتي للبلازما، هذه التدفقات الكهرومغناطيسية. يمكن أن يحدث بعد ذلك ... العديد من الأشياء التي يمكن فقط حسابها نظريًا، والتي لم يقم بها هاينز. أقل ما يمكن قوله هو أن الوسط معقد. لنفترض، قبل أن تبدأ عدم الاستقرار في تسخين الإيونات، أن درجات الحرارة، الإلكترونية والإيونية، متساوية، على سبيل المثال، بدرجة 20 مليون درجة. يحدث تضيق. هذا يؤدي إلى زيادة درجة حرارة الإلكترونات. هل هذا يولد هروبًا إضافيًا للإلكترونات. يعتمد ذلك على "الزمن المميز للايونة". مرة أخرى، بيانات، حساب. لكن، بعكس عدم الاستقرار في فيليكوف، هذا عدم الاستقرار يؤثر على غاز الإيونات، من خلال "اللزوجة". من الناحية الفيزيائية، هذه التضيق "تربك" الإيونات بشكل محوري.
أوضح أن في هذه البلازما، التيار الكهربائي هو تيار إلكتروني ولا يُنتج عن تيار إيوني. هذه البلازما مرتبطة بأسلاك معدنية. عندما يحدث التضيق، يزداد المجال المغناطيسي وقوة لابلاس، والتي تُعاني منها الإلكترونات أولًا، والتي تنقل هذه "الدفع" إلى الإيونات عبر التصادمات. هذا التضيق في خيوط خطوط التيار الإلكتروني يخلق مجالًا كهربائيًا محوريًا يؤثر على الإيونات ويجرها بدورها. في هذه عدم الاستقرار، هناك ظاهرة تدفق صغير تؤثر على غاز الإلكترونات، والتي تنقل بدورها هذه "الاهتزازات" إلى غاز الإيونات. الزمن المميز للتسخين في غاز الإيونات قصير جدًا (37 بيكو ثانية).
ثم يكتب معادلة الطاقة، المتعلقة بغاز الإيونات، مع إدراج في الجانب الأيسر المساهمة المرتبطة بالتسخين اللزوجي عبر عدم الاستقرار؛
[صورة 10]
الزمن المميز الذي يظهر في المقام من الجانب الثاني هو زمن التصادم المتوسط للإيونات تحت تأثير التصادم مع الإلكترونات. إذًا، "زمن التوزيع"، الزمن المميز لتساوي درجات الحرارة، الإيونية والإلكترونية. يشير هاينز إلى أن هذا الزمن يبلغ "حوالي 5 نانو ثانية".
نلاحظ أن هذا زمن التوزيع يدخل في نسبة (mi / me). كلما كان أطول، كلما قل توصيل غاز الإيونات وغاز الإلكترونات. بالنسبة للإيونات الحديدية، هذه النسبة تبلغ:
[صورة 16]
من الممكن بالطبع أن نسأل ما إذا كان يمكن اعتبار توزيع السرعة في وسط الإيونات كموزع ماكسويلي خلال هذا العملية. يبرر هاينز هذا من خلال تقديم قيمة زمن التماسك الحراري tii في هذا الوسط، الذي يقدر بـ 37 بيكو ثانية. بما أن هذا الزمن قصير مقارنة بزمن التوزيع، يستنتج هاينز أن غاز الإيونات مُسخن، أي ماكسويلي. ثم يستخدم الصيغة أعلاه مع القيم التي يختارها، مما يقوده إلى طول موجات هذه عدم الاستقرار MHD التي تصل من جزء إلى عُشر مم.
[صورة 17]
في هذه التعبير، A هي الكتلة الذرية للحديد (55.8)، a هو القطر الأدنى لـ pinch، I هو التيار الكهربائي الذي يمر عبر الخيط البلازمي (لا نتحدث الآن عن خيط أسلاك: قد تحولت إلى بلازما).
العبارة المفتاحية هي:
"إذن، بالنسبة لـ Z-pinches في حالة التوقف، إذا كان زمن التوزيع
أطول بشكل كبير من النسبة a / c
من قطر pinch إلى سرعة ألففين، فإن درجة حرارة الإيونات ستكون أعلى بكثير من درجة حرارة الإلكترونات."
عند العودة إلى التجربة التي اتخذها كمرجع، يختار هاينز قطر الخيط البلازمي بقيمة 3.6 مم. مع هذه القيم، يحصل على "نتيجة تتوافق مع قيمة 219 keV لدرجة حرارة الإيونات (2.5 مليار درجة كلفن). يذكر أن في التجربة ساتورن (المرجع 3)، تم العثور على نفس النسبة بعامل 3 إلى 4 للنسبة بين الطاقة الحرارية للإيونات والطاقة الحركية لـ pinch، لكن في تلك الحالة لم تُجرى قياسات لدرجات حرارة الإيونات. الفرق الوحيد هو أن اليوم يمتلك المُجرّبون هذه القياسات، والتي سيتم تفصيلها لاحقًا.
هذا بالفعل:
في الواقع، دون هذا التحديد الاصطناعي، لم تتمكن أي برامج من نمذجة هذه التجارب التي تتعلق بأسلاك ذات أقطار كبيرة. تجارب التضخم 2D و3D لأسلاك التضخم عادةً [9] تتطلب، كمعلمات إدخال، معرفة طول الموجة والامplitude الأولية للنمط والقيمة المقاومة للـ "الفضاء الفارغ"، المعرفة بأن كثافة البلازما تنخفض عن قيمة معينة. علاوة على ذلك، لا تشمل أي نمذجة حالية اللزوجة الإيونية (ولن تشمل حتى التوتر الكامل) أو شبكة كافية لنموذج عدم الاستقرار بطول موجة قصيرة مقترح هنا. غالبًا ما تُستخدم إجراءات عشوائية لمنع انهيار الإشعاع.
الكلمات التي تقلل من هذا التفسير لتسخين الإيونات عبر التفاعل مع المجال المغناطيسي المحيط.
تم إجراء قياسات لدرجة حرارة الإيونات من خلال توسع خطوط الطيف، بسبب تأثير دوبلر، كما تم أيضًا خلال الوقت باستخدام مطياف بلوري LiF يقع على بعد 6.64 متر من pinch. راجع المقال للتفاصيل الفنية المتعلقة بهذا المطياف. فيما يلي طيف الإصدار:
[صورة 18]
نجد في هذا الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم في هذه التجربة Z1141، بالإضافة إلى خطوط الكروم والحديد التي تهيمن، خطوط المنغنيز والنيكل. تم تقييم درجة الحرارة بناءً على الخط للحديد عند 8.49 keV والخط للمنغنيز عند 6.18 keV. القياسات على هذه الخطوط، رغم أنها أقل، أقل عرضة للتأثيرات الناتجة عن الكثافة.
بعد ذلك، يبرر المقال موثوقية هذه القياسات لدرجة الحرارة، حيث كان الانحراف مقدراً بـ 35 keV. فيما يلي تطور درجة الحرارة، والقوة الإشعاعية والقطر لـ pinch مع الوقت.
[صورة 19]
يُلاحظ أن أشرطة الخطأ المرتبطة بقياسات درجة حرارة الإيونات الثلاثة لا تظهر على الرسم البياني. ومع ذلك، في المقال نقرأ:
يُعَيَّن خطأ بقيمة 35 كيلو إلكترون فولت للقياسات الحرارية، بناءً على عدم اليقين في قياس عرض الخطوط.
يوجد خطأ نظامي بقيمة 35 كيلو إلكترون فولت في قياسات درجة الحرارة، ناتج عن عدم اليقين في تقييم عرض الخطوط.
لقد نسوا ببساطة إدراجها. لا تنسَ أنهم ستة. إما أن يتحمل واحد منهم إعداد المقالة ويرسلها للآخرين للتوقيع عليها، أو يساهم كل منهم بمساهمته، مما يجعل المقالة تبدو كأنها مجمعة من قطع مختلفة. على القارئ أن يقرر. لذلك، سنضيف هذه الأشرطة الخطأ.
نرى أن نقاط قياس أيونات الحديد تقع داخل شريط الخطأ لقياسات أيونات المنغنيز، والعكس صحيح. في المخطط، تزداد درجة حرارة أيونات الحديد من 200 إلى 300 كيلو إلكترون فولت، ولكن لأن هذه القياسات مختلطة، دون اعتبار لاختلاف درجة الحرارة (35 كيلو إلكترون فولت) بين تعداد أيونات الحديد وأيونات المنغنيز (ومن المؤكد أن هذا صحيح)، قدم المؤلفون قيمًا متوسطة تتراوح بين 230 كيلو إلكترون فولت (2.66 مليار درجة كلفن) إلى 320 كيلو إلكترون فولت (3.7 مليار درجة كلفن). نحن بالفعل "أكثر من 2 × 109 درجة كلفن"، "أكثر من مليار درجة كلفن"، وليس بسيطًا فقط لأن القيمة القصوى تصل إلى 3.7 مليار درجة كلفن. علاوة على ذلك، مع مظهر المنحنى، لا يستبعد أن يمكن قياس قيمة أعلى، إذا تم تكرار التجربة بنفس الطريقة ووضع الصور الأربعة المتاحة 5 نانو ثوانٍ لاحقًا. وإذا استمرت هذه الزيادة في درجة الحرارة، المرتبطة بتسخين الأيونات التي حاول هاينس تبريرها، فلن نفكر فقط في 2 مليار درجة كلفن، بل ... أربع (نذكر أن درجة الحرارة في السوبرنوفا تصل إلى 10 مليار درجة كلفن).
منطقيًا، وبما أن قياسات درجة الحرارة موثوقة، كان من المفترض أن يكتب المؤلفون "تم تحقيق درجة حرارة تبلغ 3.7 مليار درجة كلفن"، مع الإشارة إلى "القيمة القياسية"، لكنهم اكتفوا بالقول "أكثر من مليار درجة كلفن". لماذا هذه... التردد؟ من ناحية أخرى، لاحظ أن:
- مع 500 مليون درجة كلفن، نجاح للاندماج (غير الملوث) الليثيوم-الهيدروجين
- مع مليار درجة كلفن، نجاح للانشطار (غير الملوث) بور-الهيدروجين
- مع أربعة مليارات، ماذا؟ (للمختصين في الطاقة النووية أن يجيبوا)
- إذا توصلنا يومًا إلى عشرة مليارات، فإن جميع التفاعلات النووية التي تؤدي إلى ذرات الجدول الدوري تصبح ممكنة. أي أن كل طيف من البداية.
اتصل بي إله...
نفس المخطط، مع رسم التطورات عبر الزمن، المنحنى المتوسط باللون الأسود، الذي تم اعتماده في المقال.
نرى أن قطر البلازما يمر بحد أدنى قبل t = 110 نانو ثانية. هناك إصدار لأشعة سينية لمدة تصل إلى 5 نانو ثانية. لاحظ القيم القصوى لدرجات الحرارة المسجلة. 300 كيلو إلكترون فولت (3.48 مليار درجة كلفن) لأيونات الحديد و340 كيلو إلكترون فولت (3.94 مليار درجة كلفن) لأيونات المنغنيز.
ملاحظة: صيغة بنيت:
mo I2 = 8 p Ni ( Ti + Z Te )
تُعطي (انظر أعلاه) 2.5 مليار درجة كلفن للحديد. هذا الحساب يشير إلى التجربة Z1141 (18 مليون أمبير. خط 450 ملليغرام). وكذلك الشكل 1. لكن التحليل والبيانات المقدمة في هذا المقال تشير إلى ثلاث تجارب (Z1141، Z1137 و Z 1386).
**ملاحظتي: **
ارجع إلى عنوان مقال هاينس: " over 2 x 109 Kelvin "، أي " أكثر من مليار درجة كلفن ". بينما في السنوات السابقة، كانت هذه الأنظمة تصل إلى مليون ونصف مليون درجة كلفن، واثنين مليون درجة كلفن وأكثر، فجأة، تصبح الآلة سريعة. قد يتساءل القارئ عن غياب إصدار الكربون. ولكن (ويكيبيديا) يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ الأستينيتي على كمية قليلة جدًا (أقل من 0.15٪). انظر المربع.
الصلب الأستيني يشكل أكثر من 70% من إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ. يحتوي على ما يصل إلى 0.15% من الكربون، وحد أدنى من 16% من الكروم، وكمية كافية من النيكل والمنغنيز للحفاظ على هيكل أستيني في جميع درجات الحرارة من المنطقة الباردة إلى نقطة انصهار السبيكة.
الصلب الأستيني (هيكل بلوري خاص) يشكل 70% من الإنتاج. يحتوي على ما يصل إلى 0.15% من الكربون (...)، وحد أدنى من 16% من الكروم، وكمية كافية من النيكل والمنغنيز للحفاظ على الهيكل الأستيني في جميع درجات الحرارة، من درجات الحرارة المنخفضة جداً، الباردة، إلى نقطة انصهار السبيكة.
الصلب الأستيني يشكل أكثر من 70% من إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ. يحتوي على ما يصل إلى 0.15% من الكربون، وحد أدنى من 16% من الكروم، وكمية كافية من النيكل والمنغنيز للحفاظ على هيكل أستيني في جميع درجات الحرارة من المنطقة الباردة إلى نقطة انصهار السبيكة.
الصلب الأستيني (هيكل بلوري خاص) يشكل 70% من الإنتاج. يحتوي على ما يصل إلى 0.15% من الكربون (...)، وحد أدنى من 16% من الكروم، وكمية كافية من النيكل والمنغنيز للحفاظ على الهيكل الأستيني في جميع درجات الحرارة، من درجات الحرارة المنخفضة جداً، الباردة، إلى نقطة انصهار السبيكة.
الصلب الأستيني يشكل أكثر من 70% من إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ. يحتوي على ما يصل إلى 0.15% من الكربون، وحد أدنى من 16% من الكروم، وكمية كافية من النيكل والمنغنيز للحفاظ على هيكل أستيني في جميع درجات الحرارة من المنطقة الباردة إلى نقطة انصهار السبيكة.
الصلب الأستيني (هيكل بلوري خاص) يشكل 70% من الإنتاج. يحتوي على ما يصل إلى 0.15% من الكربون (...)، وحد أدنى من 16% من الكروم، وكمية كافية من النيكل والمنغنيز للحفاظ على الهيكل الأستيني في جميع درجات الحرارة، من درجات الحرارة المنخفضة جداً، الباردة، إلى نقطة انصهار السبيكة.
تم إدراج منحنيات درجة الحرارة لغاز أيونات الحديد وغاز أيونات المنغنيز، والتي تبدو مختلفة. ولكن من ناحية أخرى، يُمكن اعتبار أن درجات الحرارة يمكن أن تكون في الواقع قريبة جدًا نظرًا للنطاق الخطأ المذكور للكروم. من ناحية أخرى، أيون المنغنيز، إذا كان له شحنة تقريبًا مماثلة لأيون الحديد (25 مقابل 26)، فهو أخف بمرتين (30 مقابل 58). لذلك، من الممكن أن، عند مواجهة عدم استقرار MHD، يظهر هذان الغازان، المرتبطان بشكل وثيق، تأثيرًا طفيفًا (12%) خارج التوازن ولهما درجات حرارة مختلفة.
هاينس: يبلغ قطر البلازما قيمته الدنيا 1.5 مم قبل 2 نانو ثانية من ذروة إصدار الأشعة السينية. يعتقد أن في اللحظة التي تصل فيها هذه الذروة، تكون الكثافة و"التوزيع المتساوي" في ذروتها (لديّ اتجاه لقراءة "اتجاه التوزيع المتساوي").
لنحاول "إطلاق صوت" هذه المنحنيات المختلفة. ماذا يحدث؟
لدينا أربع نقاط قياس لدرجة الحرارة. واحدة تُستبعد، لأيونات الحديد، الثانية، بسبب مشكلة في القياس. هذا العدد القليل يتوافق مع ما يمكن لجهاز التسجيل اكتشافه. هذا بالفعل مذهل، ليس فقط القدرة على القياسات الحرارية، بل أيضًا فهم تطورها عبر الزمن. ومع ذلك، لا نملك الوصول إلى القيم قبل t = 105 نانو ثانية وبعد t = 115 نانو ثانية.
يقول النص أن في "الوقف" (الاستقرار) للبلازما، بلغت درجة حرارة الإلكترونات 3 كيلو إلكترون فولت، أي 35 مليون درجة كلفن. وهذا يعني أن في اللحظة التي تصل فيها هذه درجة الحرارة إلى ذروتها، لن ترتفع أكثر من 1/100 من القيمة التي تصل إليها درجة حرارة الأيونات القصوى. وبما أن الطاقة المنبعثة تزداد باندفاع قوي، يجب افتراض أن قبل t = 105 نانو ثانية كانت أقل بكثير. يبدو أن هذه درجة الحرارة تنهار بعامل 9 بحلول 115 نانو ثانية. ولكن قانون ستيفان يشير إلى أن الطاقة المنبعثة تتناسب مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة. لذلك، فإن الانخفاض في الواقع هو في نسبة الجذر الرابع لـ 9، أي 1.73. وهذا يرفع Te إلى 3 إلى 1.68 كيلو إلكترون فولت. أرسم المنحنى، تقريبًا:
باللون الأسود، تغير درجة حرارة الإلكترونات. باللون الأحمر، تغير الطاقة المنبعثة (قانون ستيفان).
ولكن في t = 105 نانو ثانية، الأيونات ساخنة بالفعل (درجة حرارة تصل إلى 200 كيلو إلكترون فولت). لذلك، هذا الآلية للتسخين، التي يجب توضيحها، تحدث قبل توقف حالة البلازما، حيث تكون حجم البلازما في أدنى مستوى.
بشكل مخطط: ينفجر البلازما. بدون هذا الظاهرة من إدخال طاقة إضافية، التي يجب توضيحها، لكن هاينس يعتقد أنها ناتجة عن تحويل الطاقة المغناطيسية إلى حرارة، فإن البلازما ستنهار تمامًا، إذا كانت درجة حرارة الأيونات مساوية لدرجة حرارة الإلكترونات (أقل من عشرين مليون درجة كلفن قبل t = 105 ثانية).
لكن الأيونات تُغذى بهذه الإضافة. تزداد درجة حرارة الأيونات. يتم توصيل الغاز الأيوني والغاز الإلكتروني في "الزمن المميز للتوزيع المتساوي" teq الذي حددته هاينس بـ 5 نانو ثانية. لذلك، يتوافق وقت ارتفاع درجة حرارة الإلكترونات مع هذا الرقم (من 107 إلى 112 نانو ثانية).
يقول هاينس أن هذه الظاهرة تسخين الغاز الأيوني كافية لموازنة الضغط المغناطيسي، وأن "شروط التوقف" محققة فعليًا لأن السرعة المميزة التي تتغير بها شعاع البلازما هي 15% من سرعة الأيونات الحرارية. يمكن تقييم سرعة الاهتزاز الحراري للأيونات الحديد بين القيم الدنيا والقصوى لدرجة الحرارة المقاسة.
- بالنسبة لدرجة الحرارة الدنيا، 230 كيلو إلكترون فولت أو 2.66 مليار درجة كلفن: < Vi > = 1066 كم/ثانية
- بالنسبة لدرجة الحرارة القصوى، 320 كيلو إلكترون فولت أو 3.7 مليار درجة كلفن: < Vi > = 1258 كم/ثانية
يقارن هاينس هذه القيم بـ "سرعة التوسع" للبلازما ويقول إنها تمثل 15% من هذه القيمة. سواء أكان ذلك من خلال تقييم نقاط على المنحنى أم لا، فهي تظل أقل من السرعة الحرارية، مما يبدو أنه يشير فعليًا إلى أن الضغط في البلازما توازن الضغط المغناطيسي.
بعد ذلك، يبدأ قطر البلازما في الزيادة مرة أخرى. لماذا؟ لأن تسخين الأيونات يستمر. يمكننا محاولة حساب هذه التوسع.
هناك شيء واحد لا أفهمه حتى الآن: لماذا تنخفض درجة حرارة الإلكترونات، بينما يجب أن يستمر الغاز الإلكتروني في الحصول على الطاقة من الغاز الأيوني الذي يسخن، على الأقل في النطاق الزمني المتاح لنا.
ملاحظة: ما هي سرعة الاهتزاز الحراري في الغاز الإلكتروني الذي وصل إلى 3 كيلو إلكترون فولت (35 مليون درجة كلفن).
لنفترض أننا نستطيع إدخال 18 مليون أمبير في كابل بليزما بقطر 1.5 مم. ما هي قيمة المجال المغناطيسي عند الاتصال بالبلازما وقيمة الضغط المغناطيسي المقابل؟ (باستثناء الافتراض بأننا نعتبر الموصل غير محدود، بالطبع).
27 يونيو 2006: **في فرنسا، فكرة مثيرة. **
في ملف آخر مخصص للمعدات المغناطيسية، مستوحاة من الآلات الروسية في السبعينيات، رأينا مبدأ الآلة MK-1. لاحقًا، قام الأشخاص بتجربة مع خطوط غير أسطوانية، بل مخروطية. نحصل على "تأثير التحميل الفارغ". تشكل كتلة الخطوط المخروطية في التجميع على المحور دارًا مُطلقًا بسرعة كبيرة. أعتقد أن سرعة تصل إلى 80 كم/ثانية تم تحقيقها. يجب التحقق. بغض النظر عن ذلك، كما أشار لي فولنت، يمكننا التفكير في آلات Z مع خطوط مغناطيسية غير أسطوانية بل مخروطية. يمكننا أن نتوقع الحصول على تأثير التحميل الفارغ بنفس الطريقة. يمكن تصور تكوينات مختلفة. إن MHD هو الميدان المثالي لحلول أكثر إبداعًا. فيما يلي تركيب مكون من قطعتين من المخروط ذات القاعدة المشتركة. إذا تشكلت كلا الدارات ودخلت في تصادم، يمكننا الحصول على درجات حرارة أعلى، حتى مع آلة مثل جرامات.
لا يمكننا فعل شيء آخر سوى هذا الرسم. يمكن إجراء محاكاة وربما تجارب.
هناك فكرة أخرى تظهر: تمرير الخطوط على بيكون. الفكرة ليست جديدة. إليك الرسم، المقابل لخط مستمر:
**كفي فقط نقله، مع خط مغناطيسي. ** ---
**16 يوليو 2006. ما هي قيمة معلمة هول bi = Wi tii ** لأيونات؟ **
هاينس، في مقالته، يقول إنها أكبر من واحد. هذا المعلمة هو نسبة التردد المغزلي إلى تردد الاصطدام. وفقًا لهاينس، تردد الاصطدام الأيوني هو في الأساس تردد الاصطدام الأيوني-الأيوني. معكوسه، وقت الراحة tii **** هو 37 بيكو ثانية. وهذا يعطي تردد الاصطدام:
nii = 3 1010
التردد المغزلي هو:
وهو يعطي قيمة bi = 0,258 Z للمعلمة هول للأيونات، Z هي الشحنة الأيونية (الحد الأقصى 26 إذا كان الأيون مكتملًا). لذلك، كما يقول هاينس، فإن معلمة هول أكبر من واحد. هناك عمل كثير للنظرية التي نحن عليها.
بيان إضافي (المصدر: http://www.sandia.gov/pulsedpower/prog_cap/pub_papers/023862p.pdf)
الملف المميز لتيار التفريغ في آلة Z:
إن قصيرية هذه الزيادة في الشدة (100 نانو ثانية) ساعدت في تحقيق هذه النتائج على آلة سانديا. فعلا، تبين أن تبخر الخيوط كان أبطأ من المتوقع. لذلك، تم الحفاظ على هذه الهيكل "من الخيوط" خلال الانهيار، مع الحفاظ على التماثل المحوري، والذي يختفي فورًا عندما يتحول الجسم إلى سجادة بلازما ويبدأ في الانحناء تحت تأثير عدم الاستقرار MHD. عندما تحاول إسقاط خط معدني، تحدث نفس الشيء كما لو حاولت كبس أسطوانة من الورق في يدك. أعتقد أن الفرنسيين ( آلة سفينكس، ورقة عرضت في سبتمبر 21006 في مؤتمر تومسك، سيبيريا، أدنى وقت للازدياد: 800 نانو ثانية) لم يفهموا جيدًا أن هذا الجانب كان حاسمًا، كما أخبرني يوناس عبر البريد الإلكتروني في عام 2006.
17 فبراير 2008: ملاحظة دقيقة حول التفاعلات الجانبية المرتبطة بالصيغة B11 + H1
البورون لديه 5 شحنات كهربائية، والهيدروجين واحدة. الكربون 6 والنيتروجين 7.
يتم تبريد البلازما عبر إشعاع التوقف. تزداد الطاقة المنبعثة بحسب مربع الشحنة الكهربائية. الطاقة المنبعثة بأشعة سينية من إلكترون يدور حول ذرة بورون هي 25 مرة أعلى من الطاقة المفقودة أثناء دورانه حول ذرة هيدروجين (سواء كانت خفيفة أو ثقيلة، فالشحنة هي ما يهم).
B11 + H1 يعطي C11 + n + 2.8 Mev
عمر الكربون C11: 20 دقيقة. يمكن فتح الغرفة بسلام 10 ساعات بعد إيقاف التشغيل.
B11 + He4 يعطي N11 + n + 157 keV
الحماية: 20 سم من B10 أو 1 متر من الماء.
الإشعاع الناتج في القطب المعدني: 5 ميكرو كوري/سنة (بيانات: تجميع ليرنر).
وفقًا لليرنر، في هذه الاندماجات المفاجئة نحن نستخدم عدم الاستقرار MHD. وصفه للآليات هو التالي. تيار كهربائي "مظلة" يبدأ أولاً بتشكيل كثافات بلازما تشبه "أكوام المظلة". ثم تتشكل هذه الخيوط على طول المحور لتشكل خيطًا من البلازما. هذا الخيط، من خلال عدم الاستقرار Kink، يشكل "خيطًا هاتفيًا مُلفوفًا". ثم تتشكل "بلازما مغلقة ذاتية" في هذه الهيكل، نقاط ساخنة بحجم صغير، أقل من مكعب ميكروني. في هذه البلازما، يحتوي المجال المغناطيسي على توبولوجيا توروسية. تكرار جديد على طول محور هذه البلازما-القطرة. وهذا هو، وفقًا لليرنر، حيث تحدث تفاعلات الاندماج.
18 مارس 2008: تعليق بعد نشر مقال في مجلة "العلم والمستقبل".
الصحفي ديفيد لاروسييري نشر مقالًا بعنوان "إنجازات آلة Z" في عدد مارس 2008 من المجلة التي يعمل بها: "العلم والمستقبل". وقد اتصل بي وسألني أين قرأت أن تجارب سانديا، في 2005-2006، سمح لها بتجاوز، لا مجرد ملياري درجة كلفن، بل ثلاث. وقد أرسلت له إلى المقالة الخاصة بهاينس، من 24 فبراير 2006، الشكل 3 حيث تم ذكر درجة الحرارة الأيونية بشكل صريح، والتي ارتفعت من 230 إلى 320 كيلو إلكترون فولت. والآن، باستثناء الخطأ، 320 كيلو إلكترون فولت تتوافق مع درجة حرارة 3.68 مليار درجة كلفن.
لا يتناول المقال في مقاله إمكانية الاندماج بدون نيوترونات بورون هيدروجين، بل يكتفي بذكر تقنية الهولراوم. في العادة، هذه الارتفاعات في درجة الحرارة تُعتبر بشكل سيء في الأوساط المرتبطة، سواء مباشرة أو غير مباشرة، بمشروع ITER، حيث يفضل تجاهل هذه الفكرة وتقديم آلة Z إلى تطبيقات عسكرية فقط. فعليًا، إذا تبين يومًا أن مستقبل الاندماج يمر عبر درجات حرارة عالية جدًا (مليار درجة كلفن)، فإن تقنية توكاماك لن تكون قادرة على متابعتها.
في مقاله، يذكر لاروسييري ما سمعه من محادثات مع ألكسندر تشوفاتين، من مختبر الفيزياء والتقنيات البلازما (LPTP) في المدرسة العليا للهندسة. ويذكر هذه الكلمات، والتي ننقلها:
- لا ينبغي أن نزداد حماسًا بشأن هذه درجات الحرارة. إنها موجودة فقط لفترة قصيرة جدًا ومرتبطة بمناطق غير مستقرة. هذا يجعل من المستحيل تحقيق الاندماج، والذي يتطلب كثافة مادة كبيرة، ووقت تثبيت كافٍ، وطاقة عالية.
وفقًا لاروسييري، يذكر تشوفاتين أنه قدم تفسيرًا للاختلاف المذكور من هاينس في بداية مقالته. ننقل ما يشير إليه هاينس:
لقد كانت هناك بعض الصعوبات في فهم الطاقة المنبعثة في انفجار Z-pinches من خيوط، والتي يمكن أن تصل إلى 4 أضعاف الطاقة الحركية [1,4] (تُظهر التواريخ المذكورة في المراجع: من 1997 إلى 2002، أن هذه المشكلة ليست جديدة)، وكذلك كيف يمكن لضغط البلازما أن يكون كافيًا لتوازن الضغط المغناطيسي في التوقف إذا كانت درجات حرارة الأيونات والأيونات متساوية. في الواقع، من الناحية النظرية، يجب أن يستمر الضغط المغناطيسي الزائد في ضغط البلازما، مما يؤدي إلى انهيار إشعاعي. تم تطوير بعض النظريات لشرح التسخين الإضافي، ولكن لم تتناول أي من هذه النظريات عدم التوازن في الضغط.
أعترف بأنني لا أفهم تمامًا ملاحظة تشوفاتين. ما يهم هو ما يظهر من صيغة بنيت، والتي توضح ببساطة أن ضغط البلازما يوازن الضغط المغناطيسي. تُعطى هذه الصيغة في مقالة هاينس، وقد وضعت تفصيلًا طريقة (موضحة جدًا) لاستنتاجها:
يؤكد هاينس بشكل واضح: لكي لا يُدمر البلازما، يجب أن تكون درجة الحرارة 296 إلكترون فولت. ما هو جديد في المقالة لعام 2006 هو أن هذه درجة حرارة الأيونات، التي تم استنتاجها سابقًا من هذه الصيغة، تم قياسها من خلال اتساع الخطوط وتأكيدت. المقالة الخاصة بهاينس واضحة من هذا الجانب.
ما يشير إليه تعليق تشوفاتين هو أن هذه درجات الحرارة العالية "قد لا تهم سوى مناطق صغيرة جدًا، ومستقرة". نفكر حينها في "نقاط ساخنة" في تجارب ليرنر، المرتبطة ببلازما مغلقة ذاتية بحجم ميكروميتر. إذا كانت هذه الفكرة، فهذا يعني أن فقط مناطق صغيرة من الحجم ستكون متأثرة بدرجات حرارة عالية جدًا. ولكن لا ينبغي نسيان أن درجة الحرارة هي أيضًا كثافة الطاقة، بالجول لكل متر مكعب. إذا كانت هذه درجة الحرارة لا تهم سوى كميات صغيرة جدًا من البلازما، من حيث الحجم والكتلة، فإن الضغط يجب أن يُحسب من تقييم كثافة الطاقة المتوسطة. وستكون صيغة بنيت غير محققة.
أعتقد أن من الأسهل، بما أن قياس درجة الحرارة بالتحليل الطيفي يتوافق جيدًا مع صيغة بنيت، أن نستنتج أن هذه الزيادة في درجة الحرارة من المحتمل أن تؤثر على كتلة كاملة من خيط البلازما، وليس على نقاط ساخنة صغيرة جدًا.
أما بالنسبة لجدوى الاندماج: نحن بالطبع لا نزال بعيدين، حتى لو أن الاندماج D-T مطروح في الولايات المتحدة. ولكن من المؤكد أن آلات Z مثل آلة Z تمثل مسارًا مثيرًا جدًا مقارنة بمسارات أخرى ثقيلة وصعبة مثل ITER أو MEGAJOULE، مع تكاليف أقل بمرتين ومرنة كبيرة. من المؤسف أن اثنين من السنوات قد مرت منذ نشر مقال هاينس دون أي رد فعل في فرنسا، باستثناء متابعة التجارب في تجربة سفينكس، والتي لا نرى أنها تتوافق مع أهمية المهمة: الاندماج بدون نيوترونات!
16 فبراير 2009: بعد محادثات متعددة مع فيزيائيين البلازما الساخنة وأشخاص عملوا على Z-pinches، تتشكل الاستنتاجات التالية:
هذه البيئات لا تزال غير مفهومة تمامًا. وبحسب الرأي العام، فإن هذه البلازما تكون شديدة الفوضى، وربما تُعاني من تقلبات ميكروية. من المهم حقًا تفسير مصدر الطاقة المنبعثة على شكل أشعة سينية، والتي تمثل شيئًا ملموسًا، قابلًا للقياس، وتفوق طاقة الحركة الجماعية التي جمعتها الأيونات المعدنية خلال رحلتها نحو المحور النظام. كما رأينا، مالكوم هاينس يستدعي عدم الاستقرار MHD، دون توضيحه. ثم يُستخدم مصطلح "سفيروماك"، عناصر مغلقة ذاتية تتشكل نتيجة هذا عدم الاستقرار، وتشمل إغلاق خطوط المجال المغناطيسي على نفسها، وفقًا لهندسة توروسية. أبعاد هذه الكائنات: م conjectural. أشخاص مثل ليرنر (تجارب فوكوس) يستخدمون مصطلح "نقاط ساخنة". القياسات التي أجريت لم تكن ذات دقة مسحية وزمنية كافية للكشف عن هذه الظواهر.
هاينس قدر تسخين التأثير الكهربائي وخلص إلى أن هذا غير كافٍ لتبرير الارتفاع في درجة الحرارة المقاسة. ولكن كيف نفهم هذا الانتقال الغامض للطاقة بين خيط البلازما والبيئة المحيطة، حيث توجد ضغط مغناطيسي قدره 90 غيغابار، وهو ما يعادل مجالًا مغناطيسيًا قدره 4800 تسلا؟ عندما يحسب هاينس التشتت الكهربائي، فإنه يعتمد على بلازما متجانسة. المجال الكهربائي يحرك الشحنات. تُعيق حركة هذه الشحنات الاصطدامات مع أي شيء في البلازما يمكن أن يشكل عائقًا. في حساب هاينس، يشمل ذلك أيونات من أنواع مختلفة موجودة، ومساحة الاصطدام الفعالة تزداد حسب مربع شحنتها الكهربائية.
الاضطراب يجعل البيئة غير متجانسة، على مقياس مختلف. في الميكانيكا السائلة، يُعتبر الاضطراب أكثر تشتتًا من التشتت اللامع. خذ مثالًا لملف جناح طائرة. عندما يبدأ الاضطراب، تزداد مقاومة السطح. تزداد سماكة طبقة الحدود. داخلها، تُنتج الظواهر المتشتتة حرارة أكثر. وكل ذلك يحدث من خلال ظواهر اضطرابية ميكروية، غير مرئية بالعين المجردة.
هناك تشابه عندما نفكر في البلازما. التدفق الكهربائي، المفترض في تقييم هاينس أن يتم بشكل متجانس (فرضية عمل بسيطة!)، يفقد طابعه اللامع. تصبح مناطق عدم الاستقرار MHD عوائق أمام تدفق التيار. هناك زيادة في المقاومة المبدئية المذكورة من قبل كريستيان نازيت. ولكن بالإضافة إلى ذلك، تشكل هذه السفيروماك يصاحبه توزيعًا فوضويًا لمجال درجة الحرارة. هذه الفكرة من ليرنر. في بلازما تكون درجة حرارتها بشكل عام أقل من درجة الحرارة الحرجة للاندماج، ولا توجد شروط لوكس على مستوى ماكروسكوبي، يمكن أن تظهر هذه الشروط بشكل مؤقت في هذه الكائنات الصغيرة، والتي لا نعرف مسبقًا عمرها.
يوجد شيء أتذكره فجأة، بعد أن قضيت يومًا كاملًا في قارب مع الفلكي فريتز زويكي، مخترع مفهوم السوبرنوفا في عام 1931. أتذكر فجأة فرضيته عن "الجنات النووية"، السفيروماك قبل الحروف، التي تخيلها تتشكل في قلب الشمس من خلال عدم الاستقرار MHD، والتي أخبرني بها أثناء هذه الرحلة البحرية.
نعود إلى Z-pinches. من الضروري استخلاص الطاقة من مكان ما. لدينا الطاقة المغناطيسية المتاحة حول خيط البلازما. تذكّر أن الضغط (هنا الضغط المغناطيسي) هو كثافة الطاقة لكل وحدة حجم. إذا تم نقل هذه الطاقة إلى خيط البلازما، فسيتم على حساب الطاقة الكهرومغناطيسية المحيطة. لا ترى هنا أي "سحر". الاضطرابات الميكروية التي تنشأ في البلازما تزيد من مقاومته، وتخلق تشتتًا إضافيًا، وتحدد انخفاضًا في شدة التيار، مما يؤدي إلى انخفاض في قيمة المجال المغناطيسي السائد خارج خيط البلازما. أنابيب مترابطة.
أعرف جيدًا عدم الاستقرار الكهروحراري (فييليكوف). هو نوع من الاضطرابات البلازما ذات درجتين، ويُظهر تقلبات كبيرة في درجة حرارة الإلكترونات. من ناحية، يُنظم البلازما كطبقات متعددة، مع تبادل بين مناطق مُشَبَّعة وضعيفة التأين، مما يدمر أداء مولدات MHD. ولكن من ناحية أخرى، يظهر كيف يمكن لعدم الاستقرار MHD إنشاء مناطق أكثر سخونة، أكثر تأينًا (الظاهرة غير خطية بشكل كبير). فرضية تشكيل نقاط ساخنة تشير إلى نموذج آخر لظهور الاضطرابات الميكروية، هذه المرة في 3D. في هذه الظواهر، شديدة غير الخطية، يمكن أن تكون الارتفاعات في درجة الحرارة والكثافة كبيرة. ومن ثم، يمكن أن تحدث تفاعلات "اندماج ميكروي" محتملة.
لذلك، من المبكر الاستنتاج أن مع أنظمة مثل آلة Z، نحن "بعيدون جدًا عن إمكانية تحقيق الاندماج". إذا اعتبرنا بيئة بلازما متجانسة: نعم.
ننتقل إلى سؤال قياس درجة الحرارة. أولاً، ما هي درجة الحرارة؟ في النظرية الحركية للغازات، هي قياس الطاقة الحركية المتوسطة، لجنس معين. يمكن أن يتكون وسط من عدة أنواع مختلفة، لكل منها درجة حرارة خاصة. يمكن أن تختلف هذه درجات الحرارة بشكل كبير. في أنبوب متوهج، درجة حرارة الإلكترونات أعلى بكثير من درجة حرارة الأيونات والنيترونات. نتحدث عن "إيونة غير حرارية" (حيث يتم توفير الطاقة من المجال الكهربائي الذي يسرع الإلكترونات. إذا تم قطع هذا المجال، تفقد الإلكترونات طاقتها من خلال الاصطدامات: يبرد غاز الإلكترونات ويختفي الإيونة.
لذلك، يجب حساب تردد الاصطدام الإلكتروني-غاز. معكوسه يصبح وقت الراحة. في الواقع، إذا تركنا وسطًا ثنائي الحرارة لنفسه، فإن التوازن يحدث بسرعة الاصطدامات.
التوازن الحراري الكامل هو تساوي جميع درجات الحرارة إلى قيمة واحدة، ووجود توزيعات سرعة لكل نوع تأخذ شكل توزيع ماكسويل-بولتزمان (منحنى جاوس). البلازما في آلة Z في حالة عدم توازن عكسي، حيث يكون غاز الإلكترونات أكثر برودة من غاز الأيونات. إذا اعتبرنا الطاقة المقدمة المرتبطة بعدم الاستقرار MHD (الاضطراب الميكروي للبلازما)، فإن الطاقة التي يجب التعامل معها هي من نوع كينتيكي. قوة لابلاس تؤثر على الخيوط الفولاذية، وتسرعها ضد بعضها البعض، في النهاية بسرعة 400 كم/ثانية. تؤثر هذه القوة على الإلكترونات. التيار الذي يمر عبر الخيوط هو إلكتروني، وليس أيوني. الإلكترونات تجرّب الأيونات معها. لا يمكن فصل هاتين المجموعتين، مثل زوجين مرتبطين جيدًا، بمسافة تتجاوز المسافة ديبي. النتيجة هي أن الأيونات والإلكترونات تجتمعان بالقرب من محور التماثل بنفس السرعة. ولكن الطاقة الحركية مختلفة. الجسيمات الخفيفة تحمل طاقة أقل.
يقيس هاينس وقت الراحة المختلفة، المرتبطة بأنواع مختلفة من الاصطدامات الممكنة.
- هناك اصطدامات الإلكترون-الإلكترون
- اصطدامات الأيون-الأيون
- اصطدامات الإلكترون-الأيون
يتم نقل الطاقة بين جسيمين ذريين ذريين مختلفين في الكتلة بشكل طردي مع نسبة كتلة الجسيم الأخف مقسومًا على كتلة الجسيم الأثقل. داخل نفس النوع، هذه التبادلات تكون قصوى لأن هذه النسبة تساوي وحدة. تقيس هاينز وقت العلاقة بـ 37 بيكو ثانية. تمثل المنحنيات وقت تقييد البلازما ببعض النانو ثوانٍ (خمسة، تقريبًا). لا أعرف ما هو وقت قياس درجة الحرارة من خلال اتساع الخط الطيفي. يجب أن يكون مذكورًا في ورقة هاينز. إذا قارنا وقت الاسترخاء داخل نفس النوع (إلكترونات-إلكترونات أو أيونات-أيونات)، فإن هذا الوقت أكبر بعشرة أضعاف من وقت الاسترخاء. هذا كافٍ لتأكيد أن الأنواع الأيونية قابلة للوصف بدالة ماكسويل-بولتزمان.
تُعد قياسات اتساع الخط الطيفي تأثير دوبلر-فيزيو حسب "الاتجاه" كما يقول علماء الفلك، أي وفقًا لتوزيع محوري. وهناك طريقة أخرى للانحراف عن التوازن الحراري: عدم التماثل. لكنك قد تسأل، هل يمكن لوسط غازي أن يظهر "مظهرًا حراريًا" مختلفًا حسب الزاوية التي نراه بها؟ يحدث هذا خلف موجة صدمة قوية، وهي "ضربة مطرقة" حقيقية تمنح الذرات زخمًا أولًا عموديًا على الموجة، ثم تُسخن بسرعة، وتوزع هذا الزيادة في السرعة في جميع الاتجاهات خلال بعض التصادمات. مرة أخرى، يمكن اعتبار وقت استرخاء. من وجهة نظري، سأقول أن هذا عدم التماثل يجب أن يكون قابلاً للتجاهل. ولكن مرة أخرى، كل استنتاج يعتمد على افتراضات حول طبيعة الوسط المدروس، على مقياس صغير جدًا. ويضيف أيضًا المجال المغناطيسي واهتزازاته المكانية والزمنية، مرحباً!
ما هي موثوقية هذه القياسات لدرجة الحرارة من خلال اتساع الخطوط الطيفية؟ هل نقيس درجة حرارة مجموعة فرعية: تلك... من النقاط الساخنة؟ نحن نعرف أن الطاقة الإشعاعية تتبع قانون ستيفان، والتي تزداد بقوة أربعة درجة حرارة المصدر. معضلة.
هنا يجب أن نلجأ إلى معادلة بنيت، عدم الانفجار الكابل البلازما. يمر نصف قطرها بحد أدنى. في هذا اللحظة بالضبط، يجب أن توازن الضغط الأيوني الضغط المغناطيسي، مما يدعم درجة حرارة 300 كيلو إلكترون فولت. خذ قارورة ضغط. توفر لنا قيمة الضغط، من خلال عدد كبير جدًا من التصادمات مع سطحها. هنا لا يتعلق الأمر بقانون ستيفان. الضغط في المزيج هو مجموع الضغوط الجزئية. والضغط هو أيضًا كثافة الطاقة لكل وحدة حجم. إذا أعطتنا معادلة بنيت 300 كيلو إلكترون فولت، فهذا يعطي قيمة متوسطة للطاقة للجسيمات. وهذه تتوافق مع أكثر من ثلاثة مليارات درجة كلفن، سواء كانت نقاط ساخنة أم لا.
أعلم أن كل هذا مربك جدًا. خذ مثال أنبوب فلورسنت. غاز بارد، إلكترونات ساخنة. قم بقياس درجة الحرارة بالتحليل الطيفي (في أنبوب فلورسنت، تُصدر الضوء ليس الغاز، بل طبقة فلورية تغطي داخل الغلاف). إصدار الغاز يقع في الأشعة فوق البنفسجية. هل سنستنتج أن هذا الغاز هو 10.000 درجة؟ لا، إنها الإلكترونات التي تكون في هذه درجة الحرارة. إذا لم تكن هناك معادلة بنيت، ربما نكون مغريين للاعتقاد أن قياس درجة الحرارة من خلال اتساع الخطوط الطيفية متحيز.
كل هذا يقودنا إلى استنتاج أن هناك الكثير من العمل لتقديم معلومات. لقد أوصيت (صوت يصرخ في الصحراء) بتطوير مشروع أوروبي من نوع Z-pinch. إذا لم تقدم LMJ النتائج المتوقعة، فسيكون من الضروري الاعتماد بسرعة على شيء آخر، وهو أرخص.
**ملاحظة أخيرة. **
عندما كنت في مؤتمر حول الطاقة العالية النبضية في فيلنيوس، ليتوانيا، في سبتمبر 2008 (أين قدمت ثلاث مشاركات، انظر http://www.mhdprospects.com)، وجدت نفسي، في اليوم الأول، وجهاً لوجه مع الأمريكيين ماتزين و ماكي، الأول هو المسؤول عن تجربة ZR في سانديا، والثاني هو نائبه. كنت مذهولًا جدًا برؤيتهم يبتسمون فورًا عندما سألتهم عن ZR وردوا فورًا:
- "الورقة البحثية لهاينز لعام 2006؟ لقد أخطأ، كانت درجات الحرارة أقل بعشرة أضعاف على الأقل!" - "لكن هناك بالفعل اتساعات كبيرة في الخطوط الطيفية ...." - "الإسرائيلي يتسياك مارون أعاد كل هذا وخلص إلى أن هاينز فسر هذه الصور الطيفية بشكل خاطئ." - "هل تم نشر ذلك؟" - "لا، لم نفعل ذلك، لعدم إثارة حزن هذا الرجل الراحل مالكوم" (...)
في المساء، عندما أصررت، أخذ ماكي أمام واجهة وقال لي:
- "سأرسل بريدًا إلكترونيًا إلى مارون أمامك، وغدًا سنحصل على توضيحاته. "
في اليوم التالي، قابلت ماكي:
- "إذن، توضيحات مارون؟" - "هmmm... نفضل ألا ننشر هذا الآن؛" - "لكنكم على الأقل ستعطونني قراءة بريده ..... " - "السبب هو... أجابناه عبر الهاتف" (....)
وأعقبت توضيحات غامضة وغير مقنعة.
بعد يومين، عرض ماتزين، على المنصة، تقدم ZR، مع التركيز على الجوانب التقنية الكبيرة، مع صور جميلة مصاحبة. في هذه اللحظة تعلمت أن تجارب الحصول على الجليد السابع لم تتم بالانكماش الانفجاري، بل بالانكماش الانفجاري، مع نموذج تجريبي مختلف، حيث يتدفق التيار كـ "مظلة"، أي مع إدخاله عبر عمود محوري كبير وعودة عبر أنبوب سلكي، حيث يتم وضع الوسط المضغوط، من الخارج. لا علاقة له بالتجارب السابقة. في نهاية عرضه، طلبت الميكروفون وقلت:
- "لدينا، في الأيام الماضية، مناقشة حيث أشرت إلى شكك في تحليل هاينز لقياسات درجة الحرارة على ماكينة Z، بالتحليل الطيفي ونشرت في عام 2006 في مجلة Physical Review D. وبحسب رأيك، كانت درجة حرارة الأيونات أقل بعشرة أضعاف على الأقل. قلت لي أن يتسياك مارون، من معهد ويسمان في القدس، وصل إلى هذه الاستنتاج. وبما أن هذه القضية مهمة، هل يمكنك توضيحها لنا؟"
ماتزين:
- "هmmm.... هذا سؤال جيد"
ثم دقيقة صمت، التي تم كسرها من قبل رئيس الجلسة.
عند العودة إلى بروكسل، أرسلت بريدًا إلكترونيًا إلى الإسرائيلي مارون، الذي أجاب برسالة غامضة، دون الإجابة على أسئلتي، مع ذكره بأفضل ما في هاينز. قال لي أنه سيانضم إلى سانديا في الأيام التالية.
أرسلت بريدًا إلكترونيًا آخر إلى جيرولد يوناس، المدير العلمي لسانديا، الذي أجابني فورًا برد قصير جدًا.
- "نعم، هذا أيضًا لغز بالنسبة لي. سأسأل ماتزين لشرح هذه القصة. "
منذ نهاية أكتوبر 2008، صمت كامل.
18 فبراير 2008: حول الاندماج غير العددي
في تفاعل اندماجي، يجب أن يقترب نواتان بمسافة كافية لحدوث تفاعل نووي. الفيزياء النووية تشبه في هذا الجانب عالم الكيمياء. الإشعاع الطبيعي أو المُحفَّز يعني ببساطة أن النوى غير مستقرة. الانشطار هو تفاعل تحلل تلقائي ينتج نوى ذات كتلة أقل من تلك التي أتت منها. في تحلل اليورانيوم 235 أو البلوتونيوم 239، تنتج هذه التحلل التلقائي نوى ذات كتلة تقارب نصف كتلة النواة الأصلية.
يتم إصدار نيوترونات، والتي يمكن أن تُحفِّز تحللات إضافية، انفجارات مُحفَّزة من خلال هذه التصادمات. يمكننا حينها الحديث عن "انشطار ذاتي التحفيز". تمتلك النوى "مقطعًا فعّالًا" للامتصاص. بمعرفة هذا المقطع، من الممكن حساب الكتلة الحرجة. هذه هي كتلة كرة ذات نصف قطر يساوي تقريبًا المسافة المتوسطة الحرة لنيوترون مقابل تصادمه مع نواة مُنشَّطة.
يمكن تقليل هذه الكتلة الحرجة عن طريق زيادة كثافة النوى، من خلال الضغط، الذي في القنابل يتم تأمينه بواسطة متفجرات كيميائية.
لنفترض أن غازًا له درجة حرارة مطلقة T. إذا كان هذا الوسط متصادمًا بشدة (أي إذا كان الوسط في حالة قريبة جدًا من التوازن الحراري مع إحصائي ماكسويل-بولتزمان)، فإن القيمة المتوسطة لسرعة الاهتزاز الحراري لهذه العناصر ستُعطى بالصيغة المذكورة أدناه. بعض الرسومات والصيغ تساعد على فهم مفهوم "المقطع الفعّال للتصادم" (الذي يؤدي هنا إلى تفاعل نووي) وتردد التصادم (للتّفاعل المذكور). هنا نقلّل سرعة الأيونات من الكتلة m إلى القيمة المتوسطة . نعتبر أن كل ما يتم تجاهله في "شبكة" تشكّل المقطع الفعّال يؤدي إلى احتمال تفاعل يساوي وحدة، وأن ما خارج ذلك، يكون احتماله صفراً.
**تردد التصادم، وقت معياري للتفاعل **( الاندماج )
لكن لا يكفي أن يكون تردد التصادم كافيًا، وأن يكون وقت التفاعل المعياري أقل من وقت التقييد. يجب أيضًا أن تكون درجة حرارة الأيونات كافية لكي يتجاوزوا "الحاجز الكهربائي"، المُنفرِد، الذي يعترض اقتراب أيونين مُشحَّنين إيجابيًا. هذا يؤدي، لخلط ديوتيrium-تريتيوم D-T، إلى درجة حرارة تقع بين 100 و200 مليون درجة، درجة حرارة يُقدّرها الفيزيائيون عادةً بالكيلو إلكترون فولت، بالصيغة
e V = k T
e هي الشحنة الكهربائية للإلكترون، أي 1.6 × 10-19 كولوم
k هي ثابت بولتزمان = 1.38 × 10-23
وبالتالي، يعادل إلكترون فولت (eV) (e/k) درجة كلفن، أي 11.600 °K
بما أننا نتعامل مع ترتيبات كبيرة، نعتبر أن إلكترون فولت يعادل درجة حرارة 10.000°K. وبالتالي، يجب أن تكون درجة حرارة الأيونات بين 10 و20 keV.
لبدء تفاعلات الاندماج، يجب أن تتوفر شروط لافوسيون.
هذه الدالة L تعتمد على درجة حرارة البلازما. المقطع الفعّال Q(V) يعتمد على السرعة النسبية للنوى، وبالتالي على السرعة المتوسطة ، أي درجة حرارة الأيونات.
منحنى لافوسيون
تُعتبر تفاعل ديوتيrium-تريتيوم نوويًا. نعرف منذ زمن طويل تفاعلات لا تُعتبر كذلك. انظر الاندماج غير العددي.
فقط عدد محدود من تفاعلات الاندماج تحدث دون إصدار نيوترونات. هذه هي التي تمتلك أكبر مقطع فعّال.
2D + 3He → 4He (3,6 MeV) + p+ (14,7 Mev)
2D + 6Li → 2 4He + 22,4 MeV
p+ + 6Li → 4He (1,7 MeV) + 3He (2,3 Mev)
3He + 6Li → 2 4He + p+ + 16,9 MeV
3He +3He→ 4He + 2 p+ + 12,86 MeV
p+ + 7Li → 2 4He + 17,2 MeV
p+ + 11B → 3 4He + 8,7 MeV
التفاعلان الأولان يستخدمان ديوتيrium كوقود، لكن بعض التفاعلات الثانوية 2D-2D تنتج بعض النيوترونات. على الرغم من أن نسبة الطاقة المحمولة بالنيوترونات يمكن أن تُحدَّد من خلال اختيار معايير التفاعل، فإن هذه النسبة ستبقى على الأرجح أعلى من 1%. لذلك من الصعب اعتبار هذه التفاعلات كأنها غير عدديّة.
تتركز الجهود على آخر تفاعل. إذا لم ينتج التفاعل المذكور نيوترونات، فإن التفاعلات الثانوية ستكون عدديّة. إذا اعتمدنا على أوقات الاسترخاء المحسوبة من قبل هاينز، وإذا كانت هناك فرق في درجة الحرارة بعامل مائة بين غاز الإلكترونات وغاز الأيونات (كان هذا الأخير في حالة "عدم التوازن العكسي"، أكثر سخونة)، يمكننا أن نعتبر أن توزيع الأيونات في حالة قريبة من التوازن الحراري حول درجة حرارتها الخاصة، أي أنها "بلازما حرارية". لدينا إذًا التفاعلات العدديّة التالية:
11B + alpha → 14N + n0 + 157 keV (مصدر طاقة خارجي)
11B + p+ → 11C + n0 - 2,8 Mev (مصدر طاقة خارجي)
هذا النظير من الكربون له نصف عمر 20 دقيقة.
قدّر بعضهم الطاقة المُطلقة من هذه التفاعلات بنسبة 0.1% من الإجمالي.
يوجد أيضًا تفاعل يُنتج أشعة غاما:
11B + p+ → 12C + n0 + γ 16 MeV
هذا التفاعل لديه احتمال 10-4 مقارنة بالتفاعل الذي ينتج ألباسًا.
أخيرًا، هناك تفاعلات عدديّة بورون-ديوتيrium، أو ديوتيrium-ديوتيrium:
11B + 2D → 12C + n0 + 13,7 MeV
2D + 2D → 3He + n0 + 3,27 MeV
، والتي يمكن التخلص منها باستخدام وقود مُعدّل بشكل مثالي.
المكون الرئيسي للدرع سيكون الماء لتبطيء النيوترونات السريعة، والبورون لامتصاصها، والمعادن لامتصاص الإشعاعات السينية بسماكة إجمالية تبلغ حوالي متر؛
الدرجة الحرارة المطلوبة لبدء تفاعلات البورون الهيدروجينية عشرة أضعاف درجة حرارة خليط الديوتيrium-تريتيوم. هناك أيضًا سؤال حول التفاعل الأمثل. بالنسبة لهذا الخليط، تقع حول 66 keV (730 مليون درجة). درجة حرارة البورون الهيدروجينية تصل إلى 600 keV (6 مليارات درجة). ومع ذلك، رأينا أن الحصول على درجات حرارة عالية جدًا ممكن مع ماكينة Z، مع ملاحظة أن درجة الحرارة القصوى المحققة تزداد بحسب مربع شدة التيار. وفقًا لهذه المنطق، يمكن أن تصل درجة حرارة ZR إلى 9 مليارات درجة.
لا توجد معلومات متوفرة حول الأداء الذي حققته هذه الآلة منذ دخولها الخدمة
في هذه المرحلة* من الأفضل تجنب التقدم أكثر في أي اتجاه*. البلازما الساخنة من ماكينة Z ليست تلك من توكاماك. أضف أن هذه الفرضية "نقاط ساخنة" تهمل حاليًا أي وصف نظري. رأيي الشخصي هو أن بدلاً من مناقشة بلا نهاية، من الأفضل ترك الموقف للطبيعة، أي التجربة. توضيح أن تكلفة ماكينة Z أقل بعدين من تكلفة مفاعل مثل ITER. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع الآلة بمرونة لا تمتلكها الأخيرة. في بداية عام 2008، قابلت في وزارة البحث والصناعة إدوارد دي بيراي، عالم مدرّب مبكر، مستشارًا علميًا لفاليير بيكريس. عندما قابلته، اعترف فورًا أنه لم يكن لديه الوقت لقراءة التقرير، رغم أن التقرير كان موجزًا وواضحًا. قدمت له نسخة من الرسالة التي اقترحها سميرنوف، بشرط أن يكون هناك اسم مستلم. لذلك طلبت من دي بيراي أن يحاول إقناع مديرة له لرؤية ما إذا كانت ستوافق على أن يظهر اسمها في هذه الرسالة كمستلم.
لم تكن هذه المبادرة لها أي تأثير. نفس الشيء بالنسبة لطلب دعم مشاركتي في المؤتمر الدولي في فيلنيوس، ليتوانيا، حول الطاقة العالية النبضية، حيث اضطررت للسفر بتكاليفي الخاصة في سبتمبر 2008.
يجب ملاحظة أن منهج Z-pinches لا يظهر في خريطة الطريق الأخيرة التي أصدرتها الوزيرة. أترك للقارئ صياغة فرضياته الخاصة حول فشل مبادرتي.
أعتقد أن الأوروبيين يجب أن يشكلوا فريق بحث سريع، بالتعاون الوثيق مع الروس، الخبراء في هذا المجال. من الأفضل، بل حتى ضروري، وضع بعض الأموال على الطاولة وبناء آلة بهدف مدني، مفتوحة للجميع، مثبتة في دولة "محايدة" (بمعنى تقني علمي، بالطبع). ماكينة Z الفرنسية، الآلة سفينكس، المثبتة في جرامات، في لوت، لا يمكن تحسينها. مع أوقات تفريغ 800 نانو ثانية هذه الآلة بطيئة جدًا. أعتقد أيضًا أن من الأخطاء الكبيرة وضع هذا المشروع تحت رعاية السرية العسكرية، لأسباب مختلفة. بالطبع، من خلال هذا النهج، يصبح ظهور قنابل الاندماج النقي "غير مستحيل". يمتلك الروس خبرة كبيرة في التعامل مع الطاقة العالية النبضية، عندما تكون الطاقة الأولية متفجرة. بشكل دوري، يكتشف الغرب، غالبًا بذهول، فكرة جديدة نشأت خارج أورال، والتي تغير تمامًا الموقف، مثل مولدات الأقراص.
تُنتج تيارات قوية عن طريق ضغط، باستخدام متفجرات، تجويفًا تم إنشاء مجال مغناطيسي قوي فيه. لكن المتفجرات الكيميائية تُنتج سرعات انفجارية محدودة. إذا قسمنا الحجم المميز للغرفة بسرعة هذه، نصل إلى أوقات لا يمكن أن تنخفض أقل من بضع ميكروثوانٍ. هذا كثير جدًا بطيء بالنسبة لنموذج مستوحى من ماكينة Z، حيث لا يمكن أن تتجاوز هذه الفترة 100 نانو ثانية. في نظام تقليدي، تزداد قوة التفريغ مع حجم الغرفة. لقد تجنب الروس المشكلة عن طريق منحها ببساطة شكلًا من ... المُرن. تخيل مُرنًا حيث يكون الخارج مغمورًا في متفجرات، مصبوبًا بجانب غرفته. يمكن أن يكون الحجم الإجمالي كبيرًا، بينما تبقى السمك المضغوط ضئيلًا في كل هذه الخلايا. يُذكر هذا الجانب في النسخة الإنجليزية من ويكيبيديا.
العسكريون يخشون جوانب "الانتشار" لهذه التكنولوجيا، حيث لن يمر إشعال تفاعلات الاندماج عبر المرحلة التقنية الثقيلة للاستخراج المعدني. لكن ماذا نفعل؟ لا شيء؟ كوكبنا على حافة الانهيار، بسبب نقص الموارد الطاقية. اذهب وقل للصينيين والهنود أنهم يجب أن يقلّصوا استهلاكهم!
الخيار سياسي، على مستوى عالمي. ملاحظة أخيرة حول ITER وMégajoule:
جيلس دي جين، قبل وفاته، كان من بين أولئك الذين أشاروا إلى العديد من الحجج التي تجعل مشروع ITER مثيرًا للجدل، ما لم نعتبره خطة اجتماعية أو طريقة، لآلاف الباحثين والمهندسين والتقنيين، لقضاء مسيرتهم المهنية الكاملة في أحد أجمل مناطق العالم، الأفضل موقعًا. كان دي جين متشككًا للغاية في أن المغناطيس الفائق التوصيل لـ ITER، المُثبت بالقرب من حلقة البلازما، يمكن أن يتحمل بسهولة تأثيرًا عنيفًا للنيوترونات. أشار إلى أن لا دراسة مسبقة تم إجراؤها في هذا الصدد، مما كان من الممكن أن يكون سهلاً، على مستوى نماذج موزعة في تدفق نيوتروني. لكن النتيجة قد تكون قد أدى إلى وقف بناء هذه الكاتدرائية الحقيقية للمهندسين.
النقطة الثانية: البلازما الاندماجية متصادمة، وهي بلازما حرارية، قريبة من التوازن الحراري. توزيع سرعة الأيونات سيكون من نوع ماكسويل-بولتزمان، مع ذيل توزيع بولتزمان، مكون من أيونات سريعة:
**أيونات سريعة في ذيل توزيع بولتزمان **
هذه الأيونات ستتجاوز بالتأكيد حواجز المجال المغناطيسي. عند الاصطدام بالجدر والأشياء المختلفة المكونة للغرفة، ستُطلق ذرات ثقيلة.
**تلوث بلازما الاندماج في توكاماك، المرتبط بإطلاق الأيونات الثقيلة من الجدار **
هذه الأيونات، ستُشحن فورًا، وتحصل على شحنة Z، وتعاني من تأثيرات انحدار الضغط المغناطيسي، وتعود إلى قلب البلازما وتلوثها. ومع ذلك، تزداد الخسائر الإشعاعية المرتبطة بالتفاعل بين الإلكترونات في البلازما والأيونات (الإشعاع المكثف أو Bremstrahlung) بحسب مربع الشحنة الكهربائية للأيونات Z.
**خسائر إشعاعية من التفاعل الإلكتروني-الأيوني **( الإشعاع المكثف )
لا أحد يرى كيف يمكن منع تلوث البلازما من هذه الأيونات الثقيلة، أو كيفية تنقيتها. زيادة الخسائر الإشعاعية ستؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة وستختنق محطة البخار في القرن الثالث. عندما طرحت هذا السؤال في اجتماعات عامة مع أشخاص من ITER، كانت ردتهم الوحيدة:
- "هذا سؤال جيد....."
إذا طرحنا السؤال إن كانت آلة ITER ستسمح بتحقيق تفاعلات اندماجية بسرعة كبيرة ومستمرة، فقد تكون الإجابة إيجابية، على مقياس زمني قصير. ولكن إذا كان السؤال "هل يمكن لهذه الآلة أن تؤدي في النهاية إلى محرك عملي وحل مشاكل الطاقة البشرية؟"، أعتقد أن الإجابة يجب أن تكون سلبية.
سأقدم ملاحظة أخرى، حول هذه الاندماج النبضي. يناسب هذا النوع من الاندماج التحويل المباشر. تنتشر بلازما الاندماج. إذا حدث ذلك في مجال مغناطيسي، فإن عدد رينولدز المغناطيسي مرتفع جدًا، لذلك هناك "ضغط تدفق" وتيار مُولد. الكفاءة: 70%. لا توجد أجزاء متحركة. لماذا تعقيد الحياة مع مبادل حراري، وترابين بخار. لماذا لا تستخدم عجلة مروحة، بينما نحن؟ أؤمن بالـ "وقت مزدوج للاندماج"، في النهاية. هناك حلول أخرى غير Z-pinches لهذا الاندماج النبضي. لم نتطرق إلا إلى سطح هذا الموضوع.
في الطبيعة، هناك أنظمة تحقق انفجارات نبضية. هذه هي القوازار. لا أعتقد أن الطاقة تأتي "من التراكم في ثقب أسود ضخم". تولّد التقلبات المشتركة في مترية الكونين المزدوجين موجة صدمة متجهة نحو الداخل، في الغاز بين النجوم للكون. لقد وصفت ذلك بالفعل في "فقدنا نصف الكون"، الذي صدر في عام 1997 لدى Albin Michel. تأثير إعلامي صارم لا شيء. يتم ضغط الغاز أثناء مروره، ويتم تثبيته. تتشكل نجوم شابة تطلق في الأشعة فوق البنفسجية، مما يُيونز الغاز بين النجوم. يرتفع عدد رينولدز المغناطيسي، وتُحمل الموجة الغازية خطوط المجال المغناطيسي للكون (مجمدة)، مثل مزارع يجمعون حبوب القمح. ينتهي الانهيار بكرة بلازما صغيرة بحجم كون، لكن الشروط لافوسيون تحققت في الكتلة وليس في القلب، كما في نجم. ومن ثم، هذه الأجسام التي "صغيرة كنجوم، تُصدر مثل كون". يتم إطلاق البلازما على شكل لوبين، تبعًا لاتجاه المجال المغناطيسي الدوائي. يسرع انحدار المجال المغناطيسي الجسيمات المشحونة على مسافات تصل إلى ملايين السنين الضوئية. وهكذا تتشكل "الأشعة الكونية" في هذه المسرعات الطبيعية الكبيرة.
عندما تؤدي التقلبات المشتركة في المترية إلى تراجع في التقييد، ينفجر الكون... هذه هي "النجوم غير المنتظمة"، والتي قال الفيزيائي الإنجليزي الشهير جيمس جانز (الذي اكتشف عدم الاستقرار الذي ارتبط باسمه، وكذلك المعادلة التي تصفه):
- "الأشكال أحيانًا مروعة جدًا لبعض النجوم تشير إلى أنها مسرح لقوى هائلة، لا نعرف عنها شيئًا."
أما بالنسبة لتركيب LMJ (Laser Mégajoule)، لم يتم ذكره أبدًا، خارج إعادة تكرار الأغاني المعتادة ("الشمس في أنبوب اختبار"، "مجال بحث لعلماء الفلك")، أن هذه الأداة للعمال العسكريين تدخل في محاولة لحل مشكلة احتياجات الطاقة على كوكب الأرض.
العودة إلى الدليل العودة إلى الصفحة الرئيسية
