Více než dvě miliardy stupňů! Analýza článku Malcolma Hainese (duben 2006)

Více než dvě miliardy stupňů! Analýza článku Malcoma Hainesa (duben 2006)

Více než dvě miliardy stupňů!
Článek Malcoma Hainesa

Publikováno 24. února 2006 v Physical Review Letters

Aktualizováno 16. července 2006 (data na konci stránky o růstu proudu v Z-machine)

****Aktualizace 18. března 2008. Na základě článku publikovaného v časopise Science et Avenir

**papier_Haines.htm#vilnius ** ****

železo

Z-machine Sandia

křivka zvýšení teploty

pole drátů

Laplace

pádící klec

tvorba plazmové skořápky

imploze na biconus

vývoj rychlosti v drátovém plášti

Pro nevědce

Čtenáři se ptají, zda byly skutečně změřeny tyto iontové teploty přesahující dvě miliardy stupňů. Odpověď zní ano. Už v roce 1998 však byl pozorován záhadný jev ve výsledcích experimentů s kompresí plazmatu prováděných na Z-machine. Tyto experimenty se týkaly různých uspořádání. Například při implozi „ptáčí klece“ byl v centru vyslán „gas puff“, tedy „výfuk plynu“, který byl pak komprimován. Energie vyzařovaných rentgenových paprsků umožnila změřit elektronovou teplotu. Plazma je směs „dvou druhů“: těžké ionty a lehké elektrony. V „železném plazmatu“, v „ionizovaném železe“, jádra

(56 nukleonů, 26 protonů) jsou 100 000krát těžší než elektrony ( jádra jsou složena z „nukleonů“ o velmi podobné hmotnosti: protony a elektrony. Elektron je 1850krát lehčí než proton).

I trubice s neonem obsahuje „tyto dvě složky“, elektrony a ionty neonu ( i když v tomto případě nebyly úplně zbaveny svého „elektronového obalu“). Když je trubice zapnutá, obsahuje směs „dvou teplot“, kde plyn složený z atomů a iontů neonu zůstává chladný. ( můžete ji dotknout rukou ), ale „plyn elektronů“ je mnohem horký, zahřátý na 10 000 °C. Proč tuto teplo neucítíte? Protože elektrony, chudáci, jsou příliš škodlivé, aby vám předaly energii, teplo. Na druhou stranu mají dostatek energie, aby pomocí srážek vznesly fluorescenční nátěr pokrývající vnitřek trubice. Proto se jim říká

fluorescenční trubice.

Fluorescence je schopnost absorbovat záření a emisí v jiné frekvenci. Například fluorescein absorbuje sluneční záření a emituje zelenou barvu. Trikoty z nylonu mohou absorbovat ultrafialové záření a emitovat viditelné světlo ( to je „černé světlo“ v luxusních diskotékách) apod. Bílý nátěr trubice s neonem je bombardován elektrony, které mají energii odpovídající oblasti UV, ale při srážkách s látkami tvořícími nátěr vzniká emise ve viditelném světle. Nátěr je složen tak, aby při emisi bylo světlo co nejblíže viditelnému světlu. Ale to není úplně přesné. Proto vám světlo neonových trubic připadá tak „divné“.

Důležité si zapamatovat, že může existovat prostředí „dvoutepelné“. Důvodem této situace je, že elektrické pole v trubici, spojené s napětím elektrod, přednostně předává energii elektronům, kteří ji následně předávají iontům srážkami. Protože přenos energie mezi elektronovým a iontovým plynem je neúčinný, může dojít k velkému rozdílu teplot. To je zejména způsobeno tím, že prostředí je řídké. Pokud by trubice pršela a tlak stoupal, tato „nerovnovážná situace“ by okamžitě zmizela. Silně vázaný na ionty, elektronový plyn rychle ochladne. Pak tyto elektrony, méně „pohyblivé“ ( absolutní teplota v plynu odpovídá pohybu tepelného závěsu ), klidně vrátí na atomy, které se opět dezionizují a stávají se neutrálními.

Experiment na Z-machine vedl k velmi zvláštní situaci. V prostředí jsou přítomny dvě složky:

plyn elektronů
plyn iontů ( v oceli, hlavně jádra železa, nabitá kladně)

Když lidé od roku 1998 zkoumali své výsledky, měli přístup pouze ke elektronové teplotě, měřené na základě vyzařovaných rentgenových paprsků. Proč je plyn elektronů hlavním zdrojem tohoto záření? Protože kolem plazmatu je velmi silné magnetické pole. Když elektrony, vystřelené rychlostí 40 000 km/s, pronikají do oblasti s intenzivním magnetickým polem, začnou spirálovit. Pak „křičí“, vyzařují „zpomalené záření“. Tímto měřením rentgenových paprsků experimentátoři změřili teplotu tohoto elektronového plynu: 35 milionů stupňů v experimentech, o nichž je v tomto článku řeč.

Pomocí vzorců ( „Bennettova vztah“), pokud se pokoušeli odhadnout teplotu železných iontů potřebnou k vyrovnání obrovské „magnetické tlakové síly“ vně plazmatu, museli připustit, že tato teplota musí být mnohem vyšší. Už od roku 1998, bez ohledu na provedené experimenty, byl tento rozdíl teplot zjevný. Tyto vysoké hodnoty byly potřebné, aby plazma nebylo okamžitě zničeno magnetickým tlakem. Je zřejmé, že to naznačuje stav mimo rovnováhu ( při termodynamické rovnováze jsou všechny teploty složek směsi plynů stejné), což je opačná situace než u neonové trubice, kde tentokrát byl plyn iontů horkýji než plyn elektronů.

Poznámka: Co vytváří „termodynamickou rovnováhu“? Jsou to výměny energie mezi částicemi přes srážky. Například energie je kinetická energie

. Proč index i? Protože plazma je směs různých druhů, v

je rychlost tepelného pohybu a

je „střední kvadratická rychlost“. Takže

je

průměrná kinetická energie

v daném druhu. To je přesná definice absolutní teploty, která udává průměrnou kinetickou energii ( tepelného pohybu) daného druhu podle vztahu:

kde k je Boltzmannova konstanta, jejíž hodnota je 1,38 × 10

V srážkách částice vyměňují energii. Tento jev směřuje k rovnoměrnému rozdělení energie. Když jde o čistě kinetickou energii, různé druhy mají tendenci získat stejnou kinetickou energii tepelného pohybu. Takže jsou stejné

absolutní teploty:

Nechť jsou dvě částice o různých hmotnostech m

a m

a nechť i je lehčí.

Kinetická teorie plynů

nám říká, že rychlost přenosu kinetické energie při srážce bude úměrná poměru

Pokud jsou hmotnosti velmi odlišné, všimneme si, že při dané teplotě ( dostatečné pro ionizaci prostředí, aby existovaly volné elektrony) rozdíl hmotností způsobuje velký rozdíl rychlostí tepelného pohybu elektronů a iontů. Uvažujme plazma deuteria-tritia s průměrnou atomovou hmotností 2,5 ( 2 pro deuterium, 3 pro tritium). Představme si, že plyn iontů je při teplotě 100 000 000 °C ( v tokamaku). Rychlost tepelného pohybu bude:

přibližně (3kT

Proton má hmotnost 1,6 × 10

kilogramů

Průměrná hmotnost iontů vodíku je tedy 1,6 × 10

2,5, což dává 4 × 10

kilogramů

Průměrná rychlost tepelného pohybu iontů vodíku je tedy v tokamaku 10

m/s, což je

tisíc kilometrů za sekundu

. Zajímavé číslo k zapamatování. V tokamaku je stav termodynamické rovnováhy. Teplota elektronového plynu je stejná jako teplota iontů. Ale rychlost tepelného pohybu elektronů je vyšší než u iontů, v převráceném poměru druhé odmocniny poměru hmotností.

Hmotnost elektronu je

= 0,91 × 10

kilogramů

V těžkém vodíkovém plazmatu je poměr hmotností 4400 a poměr rychlostí tepelného pohybu je druhá odmocnina tohoto čísla, tedy 66. Rychlost tepelného pohybu elektronů v tokamaku je tedy 66krát vyšší než u iontů a je 66 000 km/s, což je 20 % rychlosti světla. Jednoduchá poznámka.

V železném plazmatu Z-machine je poměr hmotností 100 000. V rovnovážném železném plazmatu by byl poměr rychlostí tepelného pohybu mezi elektrony a železnými ionty 316. Ale jak uvidíme dále, plazma železa v Z-machine je velmi mimo rovnováhu. Rozdíl oproti fluorescenčním trubicím je v tom, že tentokrát je elektronová teplota 100krát nižší než iontová. Jde tedy o nový druh plazmatu

v nerozváženém stavu s obrácenou teplotou

Jedná se o nové prostředí, málo známé, které je třeba prozkoumat. Ve skutečnosti je to pravý „diký západ“ pro experimentátory i teoretiky. Z-machine je především výkonný elektrický generátor:

Z-machine Sandia před rokem 2007

( byla od té doby změněna a přepracována na ZR, „refurbished“ Z)

Dodává impulsy o 18 milionech ampérů za 100 nanosekund. Nanosekunda je miliardtina sekundy. Elektrický proud lineárně roste: křivka nárůstu elektrického proudu v Z-machine ( analogicky v ZR)

Z-machine ZR, provozovaná od roku 2007, schopná dosáhnout 26 milionů ampérů, stále za 100 nanosekund

Z-machine přivádí tento proud do „drátového pláště“, druhého druhu „ptáčí klece“ vysoké 5 cm a průměru 8 cm, složené z 240 drátů z oceli, tenčích než vlákno:

Složení „drátového pláště“

Každým drátem prochází:

75 000 ampérů

Každý drát vytváří magnetické pole, které interaguje s sousedními dráty podle Laplaceovy síly I B. Tyto síly jsou do středu a mají tendenci seskupit všechny tyto dráty podél osy systému.

Laplaceovy síly mají tendenci seskupit dráty podél osy systému

Kresba, která měla velký význam pro Gerolda Yonas, vynálezce stroje

Při konvergenci se kovové dráty postupně sublimují:

Tvorba plazmové skořápky

( dizertační práce Mathias Bavay)

Struktura z drátů udržuje osou symetrii a brání vzniku MHD nestabilit. Názory se liší ohledně chování drátového pláště během této imploze. Drát je obklopen plazmovou skořápkou železa. Experiment ukazuje, že dráty po sobě nechávají „kometární ocas“, který představuje 30 % jejich hmotnosti.

Tento průběh imploze lze vypočítat ( viz dále). Poloměr této klece je 4 cm a čas je 100 nanosekund, takže průměrná rychlost konvergence je 400 km/s. Ve skutečnosti dochází k zrychlení před kontaktováním. Rychlost iontů před nárazem je mezi 550 a 650 km/s. Udržení osy symetrie znamená, že železný plazma v konečné fázi imploze tvoří nitro o průměru 1,5 mm.

Ionty a elektrony konvergují stejnou rychlostí k ose. Nelze oddělit dvě populace kvůli silným elektrostatickým silám, které je spojují. Když se tyto částice, železné ionty a elektrony, srážejí v blízkosti osy, dochází k termalizaci, tj. podle principu se kinetická energie související s radiální rychlostí rozděluje do všech směrů. To platí pro ionty i elektrony.

Nejprve si představme populaci objektů o hmotnosti rovné hmotnosti železných iontů, která se nachází v blízkosti osy rychlostí 650 km/s.

Hmotnost železných iontů je 9 × 10

kilogramů

Zapišme:

V = 600 km/s

Získáme iontovou teplotu 925 milionů stupňů. Jednoduchá konverze této radiální rychlosti na tepelný pohyb iontů.

Proveďme stejný výpočet pro elektrony, získáme teplotu 100 tisíckrát nižší, kolem 9250 stupňů. Silný stav nerozváženosti s obrácenou teplotou. Pak začínají být relevantní srážky. Pro ionty vypočítal Malcom Haines, že doba relaxace ( doba termalizace plynu iontů, vytvoření rozdělení rychlostí) je 37 pikosekund, tedy 3,7 × 10

sekundy. Tento čas je malý ve srovnání s „dobou zadržení“ plazmatu, ve formě hyperhusté a hyperhorké nitě velikosti tuhy.

Měření ( význam rentgenového záření „zpomaleného záření“, interakce elektron-ión) dávají teplotu 30 milionů stupňů. Plyn elektronů tedy byl ohřát. Toto si budeme analyzovat později. Obvykle se vysoké teploty vyjadřují v elektronvoltech podle vztahu

eV = kT

kde e ( jednotková elektrická náboj) = 1,6 × 10⁻¹⁹ coulombů

Pokud máme prostředí s teplotou vyjádřenou v „elektronvoltech“, která je „1 eV“, odpovídá to teplotě

T = e/k = 11 600 K

Protože pracujeme s řády velikosti, často převádíme elektronvolty na kelviny jednoduše takto:

T = 10 000 K

Takže „keV“, tisíc elektronvoltu, odpovídá 10 000 °C

Měření vyzařovaného záření ( v oblasti rentgenového záření) dávají teplotu 30 keV, kterou zaokrouhlujeme na 30 milionů stupňů.

Další problém: zjistili jsme, že plyn iontů je 3 až 4krát horký než bychom očekávali při jednoduché termalizaci. Měření teploty dávají hodnotu vyšší než dva miliardy stupňů, dosahující až maximální hodnoty 3,7 miliard stupňů. Odkud pochází tato energie? Opět o tom budeme diskutovat později.

Měření teploty byly provedena pomocí klasické metody odhadu rozšíření spektrálních čar efektem Doppler. Jádra ( jako atomy, molekuly) vyzařují záření podle určitého spektra, které má charakteristické čáry.

Pokud je prostředí relativně chladné, jsou tyto čáry tenké.

Spektrum výměny oceli „relativně chladné“, zahřáté na teplotu 100 000 K

Identifikujeme čáry chromu ( první, vlevo), pak manganu, železa a niklu.

V této oceli obsahuje uhlík 0,15 % směsi a jeho čáry nejsou viditelné.

Čáry odpovídají elektronovým excitacím. Okolo jádra obíhají elektrony na přesných drahách z důvodů souvisejících s kvantovou mechanikou ( kvantování drah). Přísun energie jakéhokoli původu může způsobit „přechod“, tedy změnu dráhy jednoho elektronu. Tento přechod se vždy děje směrem k odstupu elektronu na vyšší dráhu, která má více energie. Pro tento koncept není potřeba provádět složité výpočty. Víte dobře, že pro umístění hmoty M na vyšší dráhu je potřeba silnější raketa. Přísun energie tedy umístí elektron na „vyšší“ dráhu, dále od jádra. Nezůstane tam dlouho ( existuje životnost těchto excitovaných stavů) a brzy padne zpět do blízké dráhy jádra. Při tomto pádu ztrácí energii, která se vysílá ve formě fotonu, jehož energie je rovna rozdílu energie mezi dvěma orbitálními úrovněmi. Odtud toto spektrum „čar“.

Atom železa má 26 elektronů.

Všechny jsou schopné změnit dráhu, klesnout, ne nutně na původní dráhu. Proto vzniká spektrum složené z mnoha čar. Některé jsou vyšší než jiné. Co znamená „výška čar“? Mocnost vysílaného záření při této frekvenci. Čára měří příspěvek určitého přechodu. Některé přechody jsou pravděpodobnější než jiné. Tyto pravděpodobnější, častější přechody dávají hlavní příspěvek záření. Když se podíváme na výše uvedený obrázek, vidíme, že pro ocel s teplotou mezi 58 000 (5 elektronvoltu) a 116 000 K (10 elektronvoltu) je největší emise z čáry chromu. Čára manganu je „méně výrazná“. Při těchto teplotách jsou atomy již velmi zbaveny svých elektronů. Ale nějaké zůstávají. Kolik? Nemám při ruce knihu, abych vám to mohl říct. Odstraňování je postupné. Neznám teplotu, při které by se železo nebo chrom muselo zahřát, aby došlo k úplnému odstranění elektronů, aby byl poslední elektron odtržen. To se vypočítá. Je to energie potřebná k odtržení tohoto posledního elektronu od jádra s 26 kladnými náboji.

To, co bylo změřeno ve výzkumech Sandia, se týká spektra excitace-deexcitace elektronů, které zůstaly kolem jader.

Rozšíření čar je spojeno s Dopplerovým-Fizeauvým efektem.

Spektrum stejného materiálu, zahřátého na miliardy stupňů. Dopplerův efekt způsobil rozšíření čar

Frekvence odpovídající danému orbitálnímu přechodu ( čáře) bude vyšší, pokud se atom přibližuje pozorovateli a nižší, pokud se vzdaluje ( pak jde o „červený posun“). Tímto tepelný pohyb

rozšiřuje čáry

. Měření, důvěryhodná, byla provedena a potvrdila tyto vysoké hodnoty iontové teploty, které se pohybují v miliardách stupňů (

mezi 2,66 a 3,7 miliardami stupňů

Výsledky května 2005 na Z-machine Sandia.

Černě: nárůst iontové teploty. Modře: průměr plazmatu.

Na ose x: čas v nanosekundách

( jedna nanosekunda představuje miliardtinnou sekundy)

Tento skok teploty není jen další událostí. Je to velký vědecký objev a je velmi pravděpodobné, že bude mít na naši planetární společnost zásadní důsledky.

Ionty tak dosáhnou teploty 100krát vyšší než elektrony

. Dříve byla jedinou možnou vysvětlivkou, ale tentokrát to bylo změřeno v plně reprodukovatelných experimentech. Navíc tato iontová teplota

stoupá s časem.

Nakonec se ukázalo, že energie vyzařovaná elektronovým plynem ve formě rentgenového záření je 3 až 4krát vyšší než kinetická energie, kterou měly ocelové tyče „drátového pláště“, když se shromaždily na ose

Haines a jeho spolupracovníci se v následujícím článku pokusili vysvětlit tento záhadný jev. Odkud mohla tato energie pocházet?

Když se zapne Z-machine, energie se rozděluje do různých forem. Existuje tepelná energie plazmatu, která odpovídá součtu kinetických energií jeho složek ( hlavně kinetické energii železných iontů). Ale existuje také jiná, obtížnější pochopitelná energie:

magnetická energie

, která se rozprostírá po celém prostoru kolem tenké nitě plazmatu vytvořené na ose. Haines proto navrhl, že mohou vzniknout „MHD nestability“, které by plazma umožnily získat část této energie. Jak je uvedeno v článku, tato teorie je velmi základní a nevedla k žádnému „simulaci“. Závěr je jednoduše „není nemožné, že tento ohřev je způsoben tímto jevem“. Zároveň ukazuje slabý kolizní spojení mezi elektrony a ionty, což vysvětluje zpoždění emise rentgenového záření v čase. Jev nejprve ohřívá ionty, které předávají část této energie elektronovému plynu, který se pak stává emisivním ( prostřednictvím zpomaleného záření). Přesto měření ( čtyři body)

ukazují, že železný iontový plyn stále stoupá

Maximální teplota je zřejmě ještě nedosažená. Přesto dosahuje iontová teplota železa 3,7 miliard stupňů! Třicet sedmkrát vyšší než teplota, kterou Iter nikdy nepřekročí: 100 milionů stupňů.

Deeney řekl, že před takovým výsledkem znovu a znovu opakoval experiment a měření, aby byl naprosto jistý. Všimněme si, že v názvu článku je uvedeno: „více než dvě miliardy stupňů“. Logicky by výzkumníci měli zmínit maximální hodnotu 3,7 miliard stupňů. Nazvěme to pohyb... zdrženlivosti před obrovskostí dosaženého výsledku.

Je třeba si uvědomit, že při 500 milionech stupňů lze sloučit lithia a vodík, přičemž vzniká helia a žádné neutrony. Při miliardě stupňů máme „čistou fúzi“ trvající sekundu, stále bez radioaktivity ani odpadů ( jen helia): fúzi boru a vodíku. Co můžeme dělat s 3,7 miliardami stupňů nebo více? Pokud bude iontová teplota stále stoupat, je logické předpokládat, že lze dosáhnout ještě vyšších iontových teplot.

Poznámka. V těchto experimentech není možné, aby proud Z-machine ( 18 až 20 milionů ampérů) trval nekonečně dlouho. Jedná se o výboj: tento proud roste s časem, dosáhne maxima a pak klesá. V Z-machine trvá impuls 100 miliardtin sekundy. Další aspekt: pokud má Haines pravdu, okolní magnetické pole nitě plazmatu obsahuje velkou energii. Pokud bychom udrželi proud, tento magnetický proud by nadále „krmený“ plazma a zvyšoval iontovou teplotu. Tyto 3,7 miliard stupňů tedy nejsou horní hranicí a nikdo nemůže říct, jakou teplotu bychom mohli dosáhnout touto soustavou.

Prvním důsledkem takových experimentů může být „čistá neznečišťující fúze“ s míchaným lithiem a vodíkem ( lithia, přítomné ve slané vodě a solných výpadech, se nachází po celém světě. V současnosti stojí 59 dolarů za kilogram, včetně daní). Je to Zlatá doba z hlediska energie ( s dodatkem levné bomby H z čisté fúze pro každého). Pokud se to potvrdí, žádný stát na světě nemůže tvrdit, že „drží rezervy lithia planety“. Protože lithia je přítomno ve slané vodě, tyto planetární zásoby jsou z hlediska předpokladu neomezené.

Protože teplota ve supernově je deset miliard stupňů a tato reakce fúze dokáže vytvořit všechny prvky Mendělejevovy tabulky ( a jejich radioaktivní izotopy s různou dobou života), pokud by jednou Z-machine „nafouknutá“ dosáhla 10 miliard stupňů, v laboratoři bychom realizovali nejvyšší teploty, které příroda dokáže v kosmu dosáhnout. Tento skok vpřed proto představuje radikální změnu ve fyzice jaderné a obecně ve fyzice.

Doposud jsme se spokojili pouze s „žhavými uhlíky“. Tento krok představuje opravdu vynález jaderného ohně

nous disons que le taux de transfert d'énergie cinétique lors d'une collision sera proportionnel au rapport

Si les masses sont très différentes, on remarque qu'à une température donnée (suffisante pour que le milieu soit ionisé, qu'il y ait des électrons libres), la différence des masses fait que les vitesses d'agitation électronique et ionique sont très différentes. Prenons le cas d'un plasma d'hydrogène deutérium-tritium, avec une masse atomique moyenne de 2,5 (2 pour le deutérium, 3 pour le tritium). Imaginons que le gaz d'ions soit à 100.000.000 de degrés (dans un tokamak). La vitesse d'agitation thermique sera :

d'environ ( 3 k T

Un proton pèse 1,6 10

kilogramme

La masse moyenne des ions hydrogène est donc 1,6 10

2,5 , soit 4 10

kilogramme

La vitesse d'agitation thermique moyenne des ions hydrogène est donc, dans un tokamak de 10

m/s soit

mille kilomètres par seconde

. Un chiffre intéressant à retenir. Dans un tokamak règne l'état d'équilibre thermodynamique. La température du gaz d'électrons est la même que celle des ions. Mais la vitesse d'agitation des électrons est plus élevée que celle des ions, dans l'inverse de la racine carrée du rapport des masses.

La masse d'un électron est

= 0,91 10

kilogramme

Dans un plasma d'hydrogène lourd le rapport des masses est de 4400, et le rapport des vitesses d'agitation thermique comme la racine carré de ce nombre, soit 66. La vitesse d'agitation thermique des électrons dans un tokamak est donc 66 fois plus élevée que celle des ions et c'est donc 66.000 km/s et c'est donc 20 % de la vitesse de la lumière. Simple remarque.

Dans le plasma de fer des Z-machines le rapport des masses atteint 100.000. Dans un plasma de fer à l'équilibre, le rapport des vitesses thermiques entre les électrons et les ions fer serait de 316. Mais comme on le verra plus loin, le plasma de fer des Z machine est très hors d'équilibre. La différence avec les tubes fluorescents est que c'est cette fois la température électronique qui est 100 fois inférieure à celle des ions. Il s'agit donc d'un nouveau type de plasma

en état d'hors équilibre inverse

C'est un milieu nouveau, mal connu, à explorer. En fait un véritable far west pour expérimentateurs et théoriciens. Une Z-machine est avant tout un puissant générateur électrique :

La Z-machine de Sandia, avant 2007

( elle a été modifiée depuis et transformée en ZR, Z " refuirbished " )

Elle délivre des impulsions de 18 millions d'ampères, en 100 nanos secondes. Une nanoseconde est un milliardième de seconde. L'intensité électrique croit linéairement : Courbe de montée de l'intensité électrique dans la Z-machine ( analogue dans ZR )

La machine ZR, opérationnelle depuis 2007, capable de monter à 26 millions d'ampères, toujours en 100 nanosecondes

La Z-machine envoit ce courant dans un " liner à fils ", une sorte de cage à serins, de 5 cm de haut et de 8 cm de diamètre, composée de 240 fils en inox, plus fins qu'un cheveu : .

Constitution du " liner à fil "

Dans chaque fil passe donc :

75.000 ampères

Chaque fil crée un champ magnétique, qui interagit avec les fils voisins selon une force de Laplace I B . Ces forces sont centripètes et tendent à rassembler tous ces fils selon l'axe du système.

Les forces de Laplace tendent à rassembler les fils selon l'axe du système

Le dessin qui avait beaucoup plus à Gerold Yonas, inventeur de la machine

En convergeant, les fils métalliques se subliment au fur et à mesure :

Formation de la coquille de plasma

( thèse de Mathias Bavay )

C'est la structure en ensemble de fils qui maintient l'axisymmétrie et empêche les instabilités MHD d'apparaître. Les avis sont partagés quant au comportement ce liner à fils au long de cette implosion. Le fil est entouré d'une gaine de plasma de fer. L'expérience montre que les fils laissent en aval une sorte de " queue de comète " qui représente 30 % de leur masse.

Le schéma de cette implosion peut se calculer ( voir plus loin ). Le rayon de cette cage étant de 4 cm et le temps de 100 nanosecondes, la vitesse de convergence moyenne est de 400 km/s. Il y a en fait une accélération juste avant le contact. La vitesse de ions avant l'impact est entre 550 et 650 km/s. Le maintien de l'axisymétrie fait que ce plasma de fer constitue en fin d'implosion un cordon d'un millimètre et demi de diamètre.

Ions et électrons convergent à la même vitesse vers l'axe. Il n'est pas possible de séparer deux deux populations à cause des intenses forces électrostatiques qui les lient. Quand ces particules, ions fer et électrons, s'entre-percutent au voisinage de l'axe il y a thermalisation, c'est à dire, en principe, que l'énergie cinétique liée à la vitesse radiale se trouve dispatchée dans toutes les directions. C'est valable pour les ions comme pour les électrons.

Oublions dans un premier temps les électrons et imaginons une population d'objets d'une masse égale à celle de ions fer qui se retrouve au voisinage de l'axe à 650 km/s.

La masse des ions fer est 9 10

kilogramme

On écrira :

V = 600 km/s

On obtient une température ionique de 925 millions de degrés. Simple conversion de cette vitesse radiale en vitesse d'agitation thermique des ions.

Effectuons le même calcul pour les électrons, on obtient une température cent mille fois plus faible, dans les 9250 degrés. Un puissant état d'hors équilibre inverse. Les collisions entre alors en jeu. Pour les ions, Malcom Haines a calculé que le temps de relaxation ( le temps de thermalisation du gaz d'ions, d'établissement d'une fonction de distribution des vitesses ) était de 37 picosecondes, soit 3,7 10

seconde. Ce temps est faible devant le " temps de stagnation " du plasma, sous forme d'un cordon hyperdense et hyperchaud, de la taille d'une mine de crayon.

Les mesures ( émission de rayons X par " rayonnement de freinage ", interaction électrons-ions ) donnent une température de 30 millions de degrés. Le gaz d'électrons a donc été réchauffé. On analysera cela plus loin. On a coutume de chiffrer les fortes températures en électron-volts, selon la relation

e V = k T

avec e ( charge électrique unitaire ) = 1,6 10-19 coulomb

Si on a un milieu qui représente une température, chuffrée en " électron-volt " qui soit d'un " eV " ceci correspondra à une température

T = e / k = 11.600° K

Comme on raison en ordres de grandeur on a souvent l'habitude de convertir les électron-volts en degrés Kelvin en faisant simplement

T = 10.000 V

Aini un " keV ", un kilo-électron-volt équivaut-il à 10.000°

Les mesures de rayonnement émis ( dans la gamme des rayons X ) donne une température de 30 keV, qu'on arrondit à 30 millions de degrés.

Autre problème : on trouve que le gaz d'ions est de 3 à 4 fois plus chaud que ce qu'on obtiendrait pas simple thermalisation. Les mesures de température donnent une valeur supérieure à 2 milliards de degrés, atteignant même la valeur maximale de 3,7 milliards de degrés. D'où vient alors l'énergie ? Là encore on discutera de cela plus loin; .

Des mesures de température ont été effectuées en utilisant la classique méthode de l'évaluation de l'élargissement des raies spectrales par effet Doppler. Les noyaux ( comme les atomes, les molécules ) émettent du rayonnement selon un certain spectre qui présente des raies caractéristiques.

Si le milieu est relativement froid ces raies sont minces.

Spectre d'émission de l'acier inoxydable "relativement froid ", porté à une température de 100.000° K

On identifie les raies du chrome ( les premières, à gauche) puis celles du manganèse, dur fer et du nickel.

Dans cet acier inox le carbone représente 0,15 % du mélange et ses raies ne sont pas visibles.

es raies correspondent à des excitations électroniques. Autour d'un noyau orbitent des électrons, sur des orbites bien précises, pour des raisons liées à la mécanique quantique ( la quantification des orbites ). Un apport d'énergie d'origine quelconque peut provoquer une "transition", c'est à dire un changement d'orbite d'un des électrons. Ce changement se fait toujours dans le sens de la migration des électrons vers une orbite plus distante, qui représente plus d'énergie. Il n'y a pas besoin de faire de savants calculs pour évoquer cette idée. Vous savez très bien que pour mettre des charges de masse M sur orbite, plus cette orbite est haute plus il faut une fusée puissante. L'apport d'énergie met donc l'électron sur une orbite "plus haut", plus distante du noyau. Il n'y reste pas longtemps ( il existe une durée de vie de ces états excité ) et ne tarde pas à retomber en quelques nanosecondes sur une orbite plus proche du noyau. Ce faisant il perd de l'énergie qui est émise sous forme d'un photon dont l'énergie est égale à la différence d'énergie des deux niveaux d'orbitation. Doù ce spectre en "raies".

Un atome comme le fer possède 26 électrons.

ous sont capables d'effectuer des changement d'orbites, de redescendre, pas forcément sur leur orbite initiale. D'où un spectre composé d'une multitude de raies. Certaines sont plus hautes que d'autres. A quoi correspond cette "hauteur des raies" ? A la puissance émise selon cette fréquence. Une raie mesure la contribution d'une transition particulière certaines transitions sont plus probable que d'autres. Ce sont ces transitions les plus probables, donc fréquentes qui donneront l'essentiel du rayonnement. En jetant un oeil sur le schéma ci-dessus on voit que pour de l'inox dont la température serait entre 58.000 ( 5 électron-volts ) et 116.000° K ( 10 électrons-volts ) l'émission la plus forte provient d'une raie du chrome. La raie du manganèse est "plus modeste". A ces températures les atomes sont déjà très déshabillés de leurs électrons. Mais il en reste. Combien ? Je n'ai pas sous la main de bouquin pour pouvoir vous répondre. Le déshabillage est progressif. Je ne sais pas pas à quelle température il faudra porte du fer ou du chrome pour obtenir le déshabillage complet, que le dernier électrons soit arraché. Ca se calcule d'ailleurs. C'est l'énergie qu'il faut fournir pour arracher ce dernier électron à un noyau doté de 26 charges positives.

e qui a été mesuré dans les manips de Sandia se réfère à un spectre d'excitation-désexcitation des électrons qui sont restés autour des noyaux.

'élargissement des raies est lié à l'effet Doppler-Fizeau.

Spectre de ce même matériau, porté à des milliards de degrés. L'effet Doppler a entraîné un élargissement des raies

La fréquence correspondant à un saut orbital donné ( à une raie ) sera plus élevée si l'atome s'approche de l'observateur et plus basse s'il s'en éloigne ( c'est alors du "redshift" ). Ainsi l'agitation thermique

élargit les raies

. Les mesures, fiables, ont été effectuées et ont confirmé ces fortes valeurs de la température ionique, qui se chiffrent en milliards de degrés (

entre 2,66 et 3,7 milliards de degrés

Résultats de mai 2005 sur la Z-machine de Sandia.

En noir, la montée de la température ionique. En bleu le diamètre du plasma.

En abcisse : le temps en nanosecondes

( une nano seconde représente un milliardième de seconde )

e saut en température n'est pas un événement parmi d'autres. C'est une grande découverte scientifique et il est très probable qu'elle aura sur notre société planétaire des conséquences considérables.

Les ions arrivent ainsi à être cent fois plus chauds que les électrons

. Jusqu'ici c'était la seule explication possible, mais cette fois cela a pu être mesuré, dans des expériences totalement reproductibles. Qui plus est cette température ionique

croît dans le temps.

Enfin l'énergie émise par le gaz d'électrons, sous forme de rayonnement X s'est avéré être 3 à 4 fois supérieure à l'énergie cinétique que possédaient les tiges d'acier inox du "liner à fils" quand elles se sont trouvées rassemblées sur l'axe

Haines et ses collaborateurs ont tenté dans le papier qui suit d'élucider ce mystère. D'où pouvait provenir cette énergie ?

Quand on met en marche la Z-machine l'énergie se distribue sous plusieurs formes différentes. Il y a l'énergie thermique du plasma, qui correspond à la somme des énergies cinétiques de ses composants ( principalement l'énergie cinétique des ions fer ). Mais il y a aussi une autre énergie, plus difficile à comprendre :

l'énergie magnétique

qui se trouve distribuée dans tout l'espace entourant le fin cordon de plasma formé sur l'axe. Haines a donc suggéré que des " instabilités MHD " puissent naître qui permettraient au plasma de récupérer une partie de cette énergie. Comme il en convient dans l'article, cette théorie est très embryonnaire et n'a donné lieu à aucune " simulation ". La conclusion est simplement "qu'il n'est pas impossible que cet échauffement soit dû à ce phénomène ". Il montre au passage le faible couplage collisionnel entre les électrons et les ions, qui explique le retard de l'émission des rayons X, dans le temps. Le phénomène échauffe d'abord les ions, qui retransmettent une partie de cette énergie au gaz d'électrons, lequel devient alors émissif ( par rayonnement de freinage ). Ceci étant les mesures ( quatre points )

montrent que le gaz d'ions fer continue de s'échauffer

Le maximum de température n'est visiblement pas atteint. Pourtant la température ( mesurée ) des ions fer atteint 3,7 milliards de degrés ! trente sept fois la température qu'Iter ne pourra jamais dépasser : 100 millions de degrés.

Deeney a dit que face à un tel résultat il avait refait n fois l'expérience et les mesures, pour être bien sûr. On notera que dans le titre de l'article il est écrit : " plus de deux milliards de degrés ". Logiquement les chercheurs auraient du mentionner la valeur maximale, de 3,7 milliards de degrés. Appelons cela un mouvement de ... timidité, face à l'énormité du résultat obtenu.

Il faut se rappeler qu'avec 500 millions de degrés on peut faire fusionner du Lithium et de l'hydrogène, en obtenant de l'hélium et pas de neutrons. Avec un milliard on a une seconde "fusion propre", toujours sans radioactivité ni déchets ( seulement de l'hélium ) : celle du Bore et de l'hydrogène. Que peut-on faire avec 3,7 milliards de degrés, voire plus ? Si la température des ions continue de croître il est logique de penser que des températures ioniques encore supérieures pourraient être atteintes.

Une remarque. Dans ces expériences l'intensité du courant électrique que débit la Z-machine ( de 18 à 20 millions d'amères ) ne peut se maintenir indéfiniment. C'est une décharge : cette intensité croît dans le temps, passe par un maximum, puis décroît. Dans la Z-machine le pulse dure 100 milliardièmes de seconde. Autre aspect : si Haines a raison, l'environnement magnétique du cordon de plasma contient une très importante énergie. Donc si on maintient le courant ce champ magnétique va continuer de "nourrir" le plasma en faisant monter la température ionique. Ainsi ces 3,7 milliards de degrés ne constituent pas un plafond et personne n'est à même de dire quelle température on pourrait atteindre avec ce dispositif.

La première retombée de telles expériences pourrait être la "fusion pure non-polluante", avec un mélange de lithium et d'hydrogène ( le lithium, présent dans l'eau de mer et dans les saumures se trouve dans toutes les régions du monde. Actuellement son prix est de 59 dollars le kilo, taxes comprises ). C'est l'Age d'Or du point de vue de l'énergie ( avec en prime la bombe H à fusion pure, pas chère, pour tous ). Si tout cela se confirmais, aucun pays au monde ne pourrait se prévaloir "de détenir les réserves de lithium de la planète". Comme le lithium est présent dans l'eau de mer ces réserves planétaires sont a priori illimitées.

Comme la température dans une supernova est de dix milliards de degrés et que celle-ci, par des réactions de fusion, parvient à créer tous les atomes de la table de Mendeliev ( et leurs isotopes radioactifs à durées de vies plus ou moins importantes ) si une Z-machine "gonflée" parvient un jour à réaliser 10 milliards de degrés on aura réalisé en laboratoire les plus fortes températures que la Nature soit capable de réaliser dans le cosmos. Ce bond en avant représente donc un changement drastique en matière de physique nucléaire et de notre physique en général.

Jusqu'ici on s'était contenté de "braises". Ce pas représente vraiment l'invention du feu nucléaire

Ci-après le début de l'articles de Haines, Deeney et des autres :

**Traduisons le titre **:

**Chauffage visqueux des ions dans un pinch magnétohydrodynamiquement instable, une température de plus de 2 x 109 **K

Puis l'abstract :

Des ensembles constitués par des fils métalliques, puissamment concentrés selon l'axe de symétrie du système constituent les sources de rayons X de laboratoire les plus puissantes à ce jour. Mais en outre, dans certaines conditions on peut observer une énergie sous forme de rayons X "mous", émise dans un pulse d'une durée de 5 nanosecondes, au moment où la compression maximale est atteinte ( stagnation )

qui correspond à une énergie excédant l'énergie initiale sous forme cinétique, d'un facteur 3 à 4

. Un modèle théorique est développé pour expliquer ce phénomène en suggérant qu'il soit imputable à une conversion rapide d'énergie magnétique, portant les ions à une très forte température, à travers des phénomènes d'instabilités MHD de type m = 0 , à croissance rapide. Il y a alors saturation non-linéaire et chauffage visqueux du gaz d'ions. Cette énergie d'abord transférée au ions est ensuite transmise aux électrons par simple équipartition, collisions ions-électrons, et ces derniers émettent alors des rayons X mous. On a récemment obtenu à Sandia des spectres, ces mesures s'étendant dans le temps, qui ont confirmé une température ionique de 200 keV ( 2

degrés ), en accord avec cette théorie. On obtient alors un record de température pour un plasma confiné magnétiquement.

Haines et ses co-auteurs commencent par rappeler le fond du problème. On n'est pas parvenu à expliquer comment l'énergie dégagée par le plasma pouvait atteindre 3 ou 4 fois l'énergie cinétique "incidente", c'est à dire la somme des 1/2 mV2 des atomes de métal lancés les uns contre les autres, en direction de l'axe, au voisinage duquel ils finissent leur course, cette énergie cinétique étant transformée en énergie thermique. Quand on analyse les données, le compte n'y est pas. Il sort plus d'énergie qu'il n'en entre dans ce système et il faut bien qu'elle provienne de quelque part. Haines pense alors à l'énergie magnétique. Qu'en est-il ?

Si on considère un liner constitué de fils ( 240 ) et qu'on y fasse passer un courant on peut calculer l'intensité du champ magnétique, azimutal que créent les autres fils.Ce fil subit une force de Laplace J x B . Il est facile d'établir que cette force est la même que celle qui serait due au champ créé par un conducteur linéaire disposé selon l'axe et où on ferait circuler tout le courant ( dans la manip de Sandia : 20 millions d'ampères ).

C'est aussi ainsi qu'on peut calculer la valeur du champ extérieur, modulo l'hypothèse faite : qu'on peut considérer ce champ comme créé par des fils de longueur infinie, ce qui est loin d'être le cas. Cela donne donc de simples ordres de grandeur. A ce champ magnétique est associée une pression magnétique qu, si elle s'exprime en newtons par mètres carrés correspond aussi à des joules par mètre cube. La pression magnétique est une densité d'énergie volumique. On évaluer celle qui serait créée par un conducteur linéaire infini.

On peut, au voisinage de la nappe de fils où on peut en première approximation retenir cette façon de calculer le champ calculer l'énergie magnétique localisée entre un cylindre de rayon r et un cylindre de rayon dr

Soit rmin le rayon minimal du plasma. Ça n'a évidemment aucun sens d'intégrer cette expression de cette valeur à l'infini, puisqu'elle n'est valable que pour des conducteurs linéiques dont on peut considérer la longueur comme infinie. Mais, en écrivant :

on voit que plus le paquet d'atomes métalliques se trouve rassemblé au voisinage de l'axe du système, plus grande est l'énergie constituée sous forme de pression magnétique au voisinage de l'objet. Haines voit donc là la source d'énergie qui est susceptible d'accroître la température des ions, qui ont déjà converti leur énergie cinétique sous forme d'énergie cinétique d'agitation thermique. Si V est la vitesse radiale des ions au moment de l'impact, de la "stagnation" on peut évaluer cette vitesse d'agitation thermique en faisant simplement :

L'usage de cette formule implique que " le gaz d'ions fer " soit " thermalisé", qu'il ait acquis une distribution de vitesse de Maxwell-Boltzmann. Mais comme l'établira plus loin Haines, le temps de relaxation dans cet milieu est très faible.

tii , temps de relation dans le milieu ionique : 37 picosecondes ( Haines )

Ajoutons que le couplage énergétique avec le gaz d'électrons est aussi faible. En outre l'énergie redistribuée ne peut l'être que sous forme cinétique ( énergie d'agitation thermique des ions électrons ). Cette formule, très simple, est donc valable. Enfin, dans la mesure où on suppose que le gaz d'ions n'est pas nourri par une autre source d'énergie, et on verra plus loin que c'est le cas.

Ceci étant, avec une vitesse de 1000 km/s on obtiendrait effectivement les 2 milliards de degrés. Quand le système en implosion passe-t-il de la configuration " fils distincts " à la configuration " couronne de plasma " ? Le papier ne le dit pas. Avec un liner de 4 cm de rayon et un temps d'implosion de 100 nanosecondes on obtient une vitesse radiale moyenne de 400 km/s, minimale. L'atome de fer pèse 9 10-26 kilo mais si c'est la vitesse des ions au moment de l'impact on obtient quand même 348 millions de degrés. Ça n'est qu'une vitesse moyenne. Quand on écrit l'équation différentielle du mouvement on a une accélération spectaculaire en finale. Il faut aussi tenir compte du fait que la décharge n'est pas à intensité constante. I croît au cours du temps. On a :

M représente la masse du liner, au mètre. On voit qu'en fin de décharge et en fin de course l'accélération croit. La vitesse s'envole. Haines écrit :

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.

Une difficulté est apparue pour expliquer comment l'énergie rayonnée par l'implosion d'un système de fils selon leur axe OZ a pu atteindre jusqu'à 4 fois l'énergie cinétique (1 , 4 ) et comment la pression dans le plasma pouvait être suffisante pour équilibrer la pression magnétique au moment de la stagnation, si les températures ioniques et électroniques étaient égales. En fait, théoriquement, l'énorme pression magnétique aurait du continuer de comprimer le plasma en l'amenant à un collapse radial complet. Quelques théories ( 5 , 6 ) ont été développées pour tenter d'expliquer ce chauffage additionnel, mais aucune n'a pu rendre compte de cet équilibre des pressions

Coup d'oeil aux références citées :

[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,

La référence (1) remonte à 1997. Donc, dès cette époque ce phénomène inexpliqué était déjà constaté. Deeney est le directeur des manips de la Z-machine. Je n'ai pas lu ces articles. Si des gens pouvaient me les envoyer en pdf je pourrais les parcourir et donner des commentaires additionnels.

Sautons directement aux conclusions du papier :

puissance de calcul

**
| 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	En conclusion il apparaît que des instabilités m = 0 de courtes longueurs d'onde se produisant dans les conditions de stagnation, impliquant de faibles quantités de matière, produisent un chauffage visqueux rapide des ions jusqu'à une température record de 200 keV ( deux milliards de degrés ). Des telles températures ont été	mesurées	, une conversion d'énergie magnétique en énergie cinétique s'effectuant dans un temps de l'ordre de 5 nanoseconde. De plus le phénomène d'élargissement des raies, liées à la forte température des ions permet une plus grande émission de radiation du à la décroissance de l'opacité. Le mécanisme proposé donne une explication plausible de différents phénomènes d'une importance fondamentale pour l'étude des Z pinch dynamiques, incluant l'équilibre des pressions à la stagnation, l'absence de collapse radial et l'excès signicatif de rayonnement X.

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

En conclusion il apparaît que des instabilités m = 0 de courtes longueurs d'onde se produisant dans les conditions de stagnation, impliquant de faibles quantités de matière, produisent un chauffage visqueux rapide des ions jusqu'à une température record de 200 keV ( deux milliards de degrés ). Des telles températures ont été

mesurées

, une conversion d'énergie magnétique en énergie cinétique s'effectuant dans un temps de l'ordre de 5 nanoseconde. De plus le phénomène d'élargissement des raies, liées à la forte température des ions permet une plus grande émission de radiation du à la décroissance de l'opacité. Le mécanisme proposé donne une explication plausible de différents phénomènes d'une importance fondamentale pour l'étude des Z pinch dynamiques, incluant l'équilibre des pressions à la stagnation, l'absence de collapse radial et l'excès signicatif de rayonnement X.

Na závěr se zdá, že krátkovlnné m = 0 MHD nestability v podmínkách zastavení při nízké hmotnosti imploze způsobují rychlé viskózní ohřívání iontů na rekordní teploty přesahující 200 keV. Takové teploty byly měřeny, přičemž energie pocházela z přeměny magnetické energie v časovém úseku 5 ns. Ionty ohřívají elektrony, které okamžitě vyzařují energii. Navíc široké spektrální čáry vzniklé vysokou iontovou teplotou umožní větší radiativní výkon díky snížené opacitě. Navrhovaný mechanismus poskytuje pravděpodobné vysvětlení několika jevů zásadního významu pro dynamiku Z-pinch, včetně tlakové rovnováhy při zastavení, absence radiativního kolapsu a výrazného přebytku rentgenového záření.

Rovnice (1) v článku je citována jako „Bennettova vztah“, která pochází z roku 1934 (uváděna jako uvedená ve referenci (1)). Lze ji snadno odvodit. Jedná se jednoduše o rovnost magnetického tlaku a tlaku v plazmatu. Magnetický tlak je uveden výše. Celkový tlak v plazmatu je dána součtem částečných tlaků, které přispívají:

plyn elektronů ne k Te
a plyn iontů ni k Ti

kde k je Boltzmannova konstanta.

Pokud Z je stupeň ionizace, pak
ne = Z ni

Pokud navíc tyto absolutní teploty vyjadřujeme v elektronvoltech místo v kelvinech, s vztahem
k T = e V

pak tlak v plazmatu lze vyjádřit jako:
ni e ( Ti + Z Te )

Zde se objevuje druhá strana „Bennettovy vztahu“. Dále bylo ukázáno, že:

r je pak minimální poloměr omezeného plazmového vlákna podél osy. Bennett zavedl počet iontů na metr lineru Ni.

Což dává (Bennett, 1934):

Tento vztah je významný proto, že minimální poloměr plazmového vlákna se neobjevuje. Proč?

Když se plazmové vlákno zúží, magnetický tlak působící na něj roste jako inverzní čtverec jeho poloměru. Ale hustota iontů roste stejně. To se vyrovnává. Zajímavé je, že vysoký rozdíl mezi iontovou a elektronovou teplotou nezávisí na konečném poloměru plazmového vlákna, který může být libovolně malý. Máme diferenciální rovnici popisující vývoj poloměru r plazmatu v čase:

Lze spočítat průběh křivek (za předpokladu známosti zákona nárůstu proudu I(t), což je „vstupní“ parametr problému. V principu v Z strojích je tento nárůst téměř lineární, pokud se nemýlím). Pokles r se zvyšuje. Chci říct, že rychlost imploze roste s poklesem r. Kdyby se r stalo nulovým, rychlost imploze by byla nekonečná. Ale při psaní této rovnice jsme zapomněli na jednu věc: tlakovou sílu, která se odporuje implozi. Museli bychom ji zohlednit. Tím se problém stane méně jednoduchým, než se zdá. Tento tlak proti implozi závisí na iontové teplotě. Ale nemůžeme jej modelovat, protože podle Haines je jeho růst závislý na jevu, který neumíme zohlednit: ohřívání plazmatu mikroinstabilitami MHD.

Závěr: Je třeba umět přestat modelovat a přestat brát v úvahu všechny parametry. Máme rovnici:

ale neznáme rychlost V iontů na konci imploze. Zavedení průměrné rychlosti (poloměr lineru dělený časem imploze) nemá smysl, protože rychlost roste na konci imploze.

Haines se pak odkazuje na specifický experiment Z stroje, Z1141, kde hmotnost lineru na metr činila 450 miligramů ocelových drátů (4,5 × 10⁻⁵ kg/m), uspořádaných do dvou soustředných korun, první o průměru 55 mm měla dvojnásobnou hmotnost druhé o průměru 27,5 mm.

Trochu dále použije Haines hodnotu Ni (počet iontů na metr) 3,41 × 10²⁰. Hmotnost atomu železa je 9 × 10⁻²⁶ kg; pokud vydělíme 4,5 × 10⁻⁵ kg/m touto hmotností, dostaneme 5 × 10²⁰. Ale upřesňuje, že během imploze se ztratilo 30 % hmotnosti. Takže dostáváme přibližně jeho číslo.

Uvádí, že měření elektronové teploty ukázala 3 keV v okamžiku zastavení, tedy 35 milionů stupňů. Uvedl, že proud byl zvýšen na 18 megampérů za 100 nanosekund. Odhaduje, že 30 % hmoty „se ztratilo cestou“, ale 70 % dorazilo na místo. Skutečně to vyplývá z všech těchto studií s drátovými linerama (disertace Bavay). Během kolapsu se tyto dráty „vypařují“ jako komety, které vydávají plyny. Zanechávají „ve svém stopě“ stopu plazmatu, jejíž hmotnost může činit 30 až 50 % hmotnosti drátů.

S Ni = 3,41 × 10²⁰ iontů na metr a Z = 26 (železo) aplikujme Bennettův vztah s jednotkovým nábojem e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C
mo = 4π × 10⁻⁷ MKSA

Spočítejme (Ti + Z Te):

což odpovídá 3,44 miliardám stupňů. Když průměr plazmového vlákna prochází minimem, měřená iontová teplota je 270 keV, tedy 3,12 miliardy stupňů. S ohledem na chybovou mez je shoda skutečně výjimečná.

června 2006

Jak odhadnout iontovou teplotu v zařízení (J.P. Petit, 27. června 2006)

Znovu zvažme podrobně odvození diferenciální rovnice popisující dynamiku prvku lineru působeného radiální elektromagnetickou silou. Znovu všechno zvažme. Snadno lze ukázat, že magnetické pole vytvořené stínovým systémem drátů uspořádaných podél válce je ekvivalentní poli vytvořenému jediným drátem umístěným podél osy a procházejícím celým proudem. Tedy:

Je n drátů. V každém průchází proud I/n. Ten je vystaven síle Laplace, na jednotku délky:

Označme M hmotnost na jednotku délky lineru. Dokud drát nebyl vypařen, diferenciální rovnice získáme psaním:

kde I závisí na čase, samozřejmě. Ale je to vstupní data pro rovnici.

Nyní nahraďme drát párou kovové páry. Přesněji nahraďme celý systém drátů válcem plazmatu, tzv. „pinchem“. Ten stále prochází proudem I. Na povrchu můžeme spočítat pole B, stále stejnou formulí. Ale můžeme také zahrnout tlakovou sílu, která brání této implozi. Tento tlak je iontový tlak

pi = ni k Ti

Není to pod naším ovládáním, protože závisí na energii dodané iontům zatím nevyřešeným způsobem prostřednictvím MHD instabilit. Podle Haines. Máme sílu Laplace působící na každý „drát“ nebo každý sektor plazmatu, který odpovídá sektoru 2π/n, který zabíral. Tlaková síla působící na tento sektor na jednotku délky je:

Můžeme získat diferenciální rovnici pohybu psaním:

Máme:

začlenění do rovnice:

Protože nevíme, jak se iontová teplota mění s časem, protože závisí na tomto vnějším dodávání energie, nemůžeme jít dál, kromě pokusu odhadnout hodnotu iontové teploty, kdy je zrychlení nulové, v „podmínkách zastavení“, kdy je zrychlení nulové, r" = 0. Dostaneme pak:

Vidíme, že tato iontová teplota (jedná se o řád velikosti v hrubém výpočtu), odpovídající „podmínkám zastavení“, závisí na druhé mocnině celkového elektrického proudu I a roste, když počet iontů na metr klesá. Proto pro stejnou hmotnost a stejnou geometrii lineru by bylo výhodné použít těžší atomy, například zlato, jako navrhl bývalý pracovník DAM (oddělení vojenských aplikací), pružné, snadno zpracovatelné, čtyřikrát těžší než nerezová ocel. S konfigurací Z stroje Sandia bychom mohli očekávat dosažení teploty deseti miliard stupňů s výrobkem zlata.

Ale stále by bylo třeba, aby všechny parametry byly pod kontrolou, tedy aby bylo známo „proč to fungovalo“. Rychlost sublimace materiálu může hrát klíčovou roli. Čím nižší je, tím déle bude liner zůstat ve formě samostatných drátů a udržuje axiální symetrii. Pokud je rychlost sublimace zlata příliš vysoká, nahrazení nerezové oceli tímto materiálem může naopak dát horší výsledky. Ale v každém případě je třeba vyzkoušet. A samozřejmě vyzkoušet s vyššími proudy. Co američané dosáhnou s ZR, který bude mít 28 milionů ampér místo 20? Logicky by iontová teplota měla dosáhnout vyšších hodnot. Možná pět miliard stupňů.

Pokud se budeme řídit touto výrazem, který nám ukazuje tendenci experimentu, jak by parametry měly ovlivňovat iontovou teplotu na konci komprese, naznačuje to, že s identickým uspořádáním jako u Z stroje Sandia generátor Gramat nepřekročí 50 milionů stupňů. Ale lze zvážit i jiná uspořádání. Viz dále.

června 2006

Jak odhadnout iontovou teplotu v zařízení (J.P. Petit, 27. června 2006)

Je n drátů. V každém průchází proud I/n. Ten je vystaven síle Laplace, na jednotku délky:

Označme M hmotnost na jednotku délky lineru. Dokud drát nebyl vypařen, diferenciální rovnice získáme psaním:

kde I závisí na čase, samozřejmě. Ale je to vstupní data pro rovnici.

pi = ni k Ti

Můžeme získat diferenciální rovnici pohybu psaním:

Máme:

začlenění do rovnice:

Vraťme se k Bennettově vzorci. V experimentu Sandia je měřená elektronová teplota Te (podle výboje rentgenového záření) 3 keV. S Z = 26 máme:

Z Te = 78

Takže tlak není způsoben plynem elektronů! Zbývá pro vyrovnání magnetického tlaku (Bennettova vztah) tlak iontů. Ale ty by musely být při teplotě 219 keV, tedy ... 2,54 miliardy stupňů! Skutečně je třeba, aby:

Ti + 78 (měřeno) = 296

Ale to není vše. Předtím než byly tyto experimenty prováděny, Sandia používala „gas puff“ – „proud plynu“, který byl vysílán do středu systému a komprimován pomocí drátového lineru.

Nicméně stejný rozdíl v tlakové rovnováze vzniká i u Z-pinch implozí s „gas puff“ [9], při nichž byly skutečně měřeny profily hustoty a teploty v okamžiku zastavení, ale které také mají dosud nevysvětlenou vysokou měřenou iontovou teplotu 36 keV.

Jakýkoli je to, stejný rozdíl v tlakové rovnováze byl zjištěn i u experimentů Z-pinch s „gas puff“ [9], při nichž byly skutečně měřeny profily hustoty a teploty v okamžiku zastavení, ale které také mají dosud nevysvětlenou vysokou měřenou iontovou teplotu 36 keV (3 miliony stupňů).

[9] K. L. Wong et al., Phys. Rev. Lett. 80, 2334 (1998).

Znovu, pokud by někdo mohl poslat pdf odkazu (9), podívám se na to podrobněji.

Haines vyloučil odporové ohřívání, jednoduchý Jouleův efekt, kterým se obrátil Yonas. Například uvádí, že pro ohřátí pinče o průměru 2 mm na 3 keV (pouze 3 miliony stupňů) je potřeba 8 mikrosekund!

Nevidí jinou možnou energii než okolní magnetické pole. Navrhuje proto použít ohřívání iontů prostřednictvím MHD instabilit v krátkých vlnových délkách, následované vyrovnáním, ohříváním plynu elektronů srážkami iont-elektron a nakonec to vyústí ve vyzařování energie těchto elektronů (klasický Bremmstrahlung nebo brzdné záření, tedy interakce s magnetickým polem).

Následující text se zabývá povahou těchto MHD instabilit, o nichž bylo zmíněno. Dostáváme se k rovnici energie, která má tvar:

k je Boltzmannova konstanta a neq frekvence srážek. CA je rychlost Halvén, Cs rychlost zvuku, a je minimální průměr plazmatu. Haines ale tuto rovnici přepíše jinak, kde teploty uvádí v elektronvoltech a místo frekvence srážek použije její inverzi, střední volnou dráhu teq.

Ve srovnání s nevyváženými plazmaty, jako je například neonová trubice ve vaší kuchyni, si všimněte, že tentokrát je iontová teplota vyšší než elektronová (zatímco v trubici je naopak plyn elektronů horký, neon chladný). Níže je rovnice pro prostředí mimo rovnováhu, jako jednoduchá neonová trubice.

První člen představuje ohřívání plynu elektronů Jouleovým efektem. J je vektor hustoty proudu a σ je elektrická vodivost. Pravá strana předchozí rovnice se čte následovně. Ve jmenovateli je střední volná dráha elektronu v neonu, jejíž inverze je frekvence srážek. Když elektrony předávají energii iontům, děje se to s obtížemi a ve výrazu se objevuje koeficient poměru hmotností.

Ale když iont narazí do elektronu, účinnost přenosu energie je jednotka. Takže tento koeficient poměru hmotností zmizí, nebo spíše má hodnotu... jednotku. Haines pak uvádí klasický vztah pro výpočet frekvence srážky elektron-iont. Jsme v „Coulombově režimu“. Výraz obsahuje účinný průřez srážky elektron-iont. Ti, kdo znají kinetickou teorii plynů, poznají tento klasický výraz.

Část týkající se vzniku MHD instabilit je poměrně zjednodušená, zejména proto, že parametr Hallova iontů je větší než jednotka.

V tomto parametru se objevuje frekvence srážek iont-ion.

Yonas mi napsal, že „Hainesova teorie dobře vysvětluje tento stav mimo rovnováhu“, ale já jsem jen zčásti přesvědčen. Řekněme, že „vysvětlení“ Haines je velmi základní a shrnuje se na dvacet řádků. Předpokládá, že tyto instability ovlivňují ionty a způsobují v tomto prostředí viskózní ohřívání.

Čtenář se pravděpodobně ptá, jak tyto instability vypadají a jak vznikají. Jouleova disipace na jednotku objemu je:

Představované instability vytvářejí turbulentní hustotu proudu. Průběhy proudu se zhuštují, rozšiřují, znovu se zhuštují podle dlouhých vlnových délek, které Haines uvádí v mikrometrech nebo desítkách mikrometrů. Jedná se o mikroinstability. Pokud lokálně roste hustota proudu, to je doprovázeno zesílením magnetického pole a naopak. Jde tedy o elektromagnetickou turbulentu typickou pro pinche. Například se objevuje v blesku. Blesk trvá krátkou dobu, ale fotografie blesku při jeho rozptylu ukazují kapky plazmatu za sebou. V tomto případě není plyn (vzduch) úplně ionizován. Když dojde k pinčování výboje, roste hustota proudu a také elektronová teplota. Výboj blesku je elektrický oblouk. Mechanismy, které se v něm odehrávají, jsou složité. Nárůst intenzity elektrického proudu způsobuje nárůst tepelného výkonu Jouleovým efektem. Plazmový vlákno se rozšiřuje atd...

Mikroinstability navrhované Haines jsou „cousins“ těchto instability. Vznikají mikropinche. Lokální hodnota hustoty proudu roste, což následně zvyšuje hodnotu magnetického pole a magnetického tlaku v okolí. Tento nárůst zvyšuje pinčování. To je základem samoobslužné instability plazmatu, této elektromagnetické turbulence. Pak se může stát... spousta věcí, které by mohl teoretizovat jen výpočet, což Haines neprovedl. Nejmenší říct je, že prostředí je složité. Předpokládejme, že předtím, než se instabilities začnou ohřívat ionty plazmatu, jsou obě teploty, elektronová i iontová, rovny, například 20 milionů stupňů. Dochází k pinčování. To se projeví nárůstem elektronové teploty. Způsobuje to nové úniky elektronů? Záleží na „charakteristickém čase ionizace“. Znovu data, výpočet. Ale ve srovnání s instabilitou Vélikhova tato instability ovlivňuje plyn iontů prostřednictvím „viskozity“. Fyzikálně tyto pinche „otřásají“ ionty radiálně.

Uvedu, že v těchto plazmatech je elektrický proud elektronový a není způsoben proudem iontů. Tento plazma je připojeno k kovovým elektrodám. Když dojde k pinčování, dochází ke zvýšení magnetického pole a síly Laplace, která je nejprve působí na elektrony, které tuto „impulzi“ předávají iontům srážkami. Tato stisknutí sítě elektronových proudů vytváří radiální elektrické pole, které působí na ionty a ty se také táhnou. V této instabilitě máme jev mikroturbulence, který ovlivňuje plyn elektronů, který dále předává „otřesy“ plynu iontům. Charakteristický čas termalizace v plynu iontů je velmi krátký (37 pikosekund).

Poté napsal rovnici energie pro plyn iontů, kde první člen obsahuje příspěvek z viskózního ohřívání instabilitami;

Charakteristický čas uvedený ve jmenovateli druhého členu je střední volná dráha iontů v důsledku srážek s elektrony. Je to tedy „čas vyrovnání“, charakteristický čas rovnováhy mezi iontovou a elektronovou teplotou. Haines jej uvádí na „přibližně 5 ns“.

Všimněme si, že tento čas vyrovnání zahrnuje poměr (mi / me). Čím déle trvá, tím méně jsou plyn iontů a plyn elektronů vázány. Pro ionty železa je tento poměr:

Samozřejmě bylo možné se ptát, zda během tohoto procesu můžeme považovat rozdělení rychlosti v iontovém prostředí za Maxwellovo. Haines to zdůvodňuje uváděním hodnoty času relaxace termalizace tii v tomto prostředí, který uvádí na 37 pikosekund. Protože tento čas je malý ve srovnání s časem vyrovnání, Haines usuzuje, že plyn iontů je termalizovaný, Maxwellovský. Poté používá výše uvedený vzorec s hodnotami, které si zvolil, což ho přivedlo k vlnovým délkám těchto MHD mikroinstabilit v rozmezí jedné setiny až jedné desetiny milimetru.

V tomto výrazu A je atomová hmotnost železa (55,8), a je minimální průměr pinče, I je elektrický proud procházející plazmovým vláknem (již se nejedná o drátový liner: ti se přeměnily na plazma).

Klíčová věta zní:

Takže pro zastavené Z pinche, kde je čas vyrovnání výrazně delší než a / c

bude iontová teplota výrazně převyšovat elektronovou teplotu.

Vraťme se k experimentu, který je základem Haines. Použil pro průměr plazmového vlákna hodnotu 3,6 mm. S těmito hodnotami dosáhl „výsledku, který je konzistentní s hodnotou 219 keV pro iontovou teplotu (2,5 miliardy stupňů Kelvina). Připomíná, že v experimentu Saturn (reference 3) byl tento poměr faktoru 3 až 4 nalezen mezi tepelnou energií iontů a kinetickou energií pinče, ale tehdy nebyly provedeny měření iontové teploty. Rozdíl je v tom, že dnes mají experimentátoři taková měření, která budou podrobněji popsána dále.

Přesto:

Ve skutečnosti bez této umělé úpravy žádné kódy nejsou schopny modelovat tyto experimenty s velkými průměry. 2D a 3D simulace implozí drátových svazků obecně [9] vyžadují jako vstupní parametry znát vlnovou délku a počáteční amplitudu módů a hodnotu rezistivity „prázdného prostoru“, definovaného tam, kde hustota plazmatu klesne pod danou hodnotu. Navíc žádná simulace zatím nezahrnuje iontovou viskozitu (nechť už jenom celý tenzor napětí) ani dostatečně jemnou síť pro modelování krátkovlnných instabilit, které jsou zde navrhovány. Často se používá ad hoc procedura k zabránění radiativnímu kolapsu.

Výroky, které omezuje tuto vysvětlení ohřívání iontů interakcí s okolním magnetickým polem.

Měření iontové teploty pomocí rozšíření čar kvůli Dopplerovu efektu bylo provedeno, dále v čase a pomocí spektrometru s krystalem LiF umístěného ve vzdálenosti 6,64 m od pinče. Podrobnosti technického uspořádání tohoto spektrometru jsou uvedeny v článku. Níže je emisní spektrum:

V tomto ocelovém drátu použitém v experimentu Z1141, vedle čar chromu a železa, které dominují, jsou také čáry mangánu a niklu. Pro odhad teploty byla použita čára železa při 8,49 keV a pro mangan čára při 6,18 keV. Měření těchto čar, i když slabší, jsou méně náchylná k poškození opacitou.

Následně článek zdůvodňuje spolehlivost těchto měření teploty, odchylka byla odhadnuta na 35 keV. Níže je vývoj teplot, vyzařovaného výkonu a průměru pinče v čase.

Pozorujte, že chybové úsečky přidružené ke třem měřením iontové teploty železa nejsou na grafu znázorněny. V článku ale píše:

Chyba 35 keV je přiřazena k měřením teploty na základě nejistoty měření šířky čar.

Systémová chyba 35 keV je spojena s měřením teploty, způsobená nejistotou při hodnocení šířky čar.

Autoři jednoduše zapomněli uvést je. Není třeba zapomínat, že jich je šest. Buď jeden zodpovídá za psaní a ostatní podepisují, nebo každý přispívá svou částí, a článek má pak trochu patchworkový vzhled. Na čtenáři, aby rozhodl. Takže přidáme tyto chybové úsečky.

Vidíme, že body měření iontů železa jsou v chybové úsečce měření iontů manganu a naopak. V grafu se teplota měřená u iontů železa zvyšuje od 200 do 300 keV, ale protože se tyto měření směšují, nezvažují rozdíl teploty (35 keV) mezi populacemi iontů železa a manganu (pravděpodobně správně), autoři uvádějí mezihodnoty od 230 keV (2,66 miliardy stupňů Kelvin) do 320 keV (3,7 miliardy stupňů). Je to opravdu "přes 2 x 109 Kelvin", "přes dva miliardy stupňů" a ne jen trochu, protože maximální hodnota dosahuje 3,7 miliardy stupňů. Navíc, podle tvaru křivky není nemožné, že by byla měřena vyšší hodnota, pokud by byly čtyři dostupné obrázky umístěny o 5 ns později. A pokud by tato teplota, spojená s tímto zahříváním iontů, které Haines snaží omluvit, zůstala, nebylo by to 2 miliardy stupňů, které bychom mohli zvážit, ale ... čtyři (připomínáme, že ve supernovách teplota dosahuje deseti miliard stupňů).

Logicky, vzhledem k důvěryhodnosti měření teploty, autoři by měli napsat "Byla dosažena teplota 3,7 miliardy stupňů", uvádějíc "rekordní hodnotu", ale spokojili se jen s tím, že řekli "přes dva miliardy stupňů". Proč tato ... zdrženlivost? Navíc si všimněme:

S 500 miliony stupňů, bingo pro neznečišťující fúzi lithium-hydrogen
S miliardou stupňů, bingo pro neznečišťující fúzi bor-hydrogen
S čtyřmi miliardami, co? (od specialistů na jadernou energii)
Pokud by se někdy dosáhlo deseti miliard, pak by všechny syntetické jaderné reakce vedoucí k atomům v Mendělejevově tabulce byly možné. To znamená celý spektrum Genesis.

Zavolej mi Boha...

Stejný graf, když se zobrazí vývoj v čase, černá křivka průměrná, která byla zahrnuta v článku.

Vidíme, že průměr plazmatu prochází minimem právě před t = 110 ns. Je záření rentgenového záření po dobu přibližně 5 ns. Všimněte si maximálních hodnot teplot, které byly zaznamenány. 300 keV (3,48 miliardy stupňů) pro ionty železa a 340 keV (3,94 miliardy stupňů) pro ionty manganu.

Poznámka: Formule Bennet:

mo I2 = 8 p Ni ( Ti + Z Te )

poskytuje (viz výše) 2,5 miliardy stupňů pro železo. Tento výpočet se vztahuje na test Z1141 (18 milionů ampér. Liner 450 mg) stejně jako obrázek 1. Ale analýzy a data uvedená v tomto článku se vztahují na tři testy (Z1141, Z1137 a Z 1386).

Můj komentář:

Vraťte se k názvu článku Haines: " over 2 x 109 Kelvin ", což znamená " přes dva miliardy stupňů ". Přestože v předchozích letech byly tyto systémy zvedány na milion a půl, dva miliony stupňů a více, najednou se stroj rozjíždí. Čtenáři by mohli být překvapeni absencí emise uhlíku. Ale (Wikipedia) nerezová ocel austenitická obsahuje jen velmi málo uhlíku (méně než 0,15 %). Viz rámeček.

Austenitické nerezové oceli tvoří více než 70 % celkové produkce nerezové oceli. Obsahují maximálně 0,15 % uhlíku, minimálně 16 % chromu a dostatek niklu a/nebo manganu, aby udržely austenitickou strukturu ve všech teplotách od kryogenního období až po taveninu slitiny.

Austenitické nerezové oceli (speciální krystalická struktura) tvoří 70 % produkce. Obsahují maximálně 0,15 % uhlíku (...), minimálně 16 % chromu a dostatek niklu a/nebo manganu, aby udržely austenitickou strukturu ve všech teplotách, od velmi nízkých, kryogenních až po taveninu slitiny.

Byly zahrnuty dvě křivky teplot pro plyn iontů železa a plyn iontů manganu, které se zdají být různé. Z jedné strany, rozsah chyby uvedený pro mangan umožňuje považovat tyto dvě teploty za skutečně velmi blízké. Z druhé strany, iont manganu, který má prakticky stejnou náboj jako iont železa (25 proti 26), je dvakrát lehčí (30 proti 58). Takže není nemožné, že, pod vlivem MHD nestability, tyto dva plyny, těsně spojené, mezi sebou mají (lehký: 12 %) efekt mimo rovnováhu a mají různé teploty.

Haines: průměr plazmatu dosáhne své minimální hodnoty 1,5 mm 2 nanosekundy před maximem výboje rentgenového záření. Odhaduje, že v okamžiku, kdy je toto maximum dosaženo, hustota a "rozdělení" musí být maximální (měl bych číst "tendence k rovnováze")

Zkuste "rozhovor" těchto křivek. Co se děje?

Máme čtyři body měření teploty. Jeden je vyloučen, pro železo, druhý kvůli problému měření. Tento nízký počet odpovídá všemu, co může systém zaznamenat. To je už úžasné, nejen mít měření teploty, ale také mít představu o jejich vývoji v čase. Nicméně nemáme přístup k hodnotám před t = 105 ns a po t = 115 ns.

Text říká, že v okamžiku "zastavení" (stagnace) plazmatu elektronová teplota dosáhla 3 keV, tedy 35 milionů stupňů. To znamená, že v okamžiku, kdy je tato teplota maximální, nebude vyšší než stětina hodnoty dosažené maximální iontovou teplotou. Protože výkon výrazně roste v silném "pulzu", musíme předpokládat, že před t = 105 ns byl mnohem nižší. Měl bych pocit, že tato teplota se zhroutí o faktor 9 k 115 ns. Ale zákon Stephan říká, že vyzařovaný výkon se mění jako čtvrtá mocnina teploty. Takže pokles je ve skutečnosti v poměru čtvrté odmocniny z 9, tedy 1,73. To znamená, že Te klesne na 3 až 1,68 keV. Nakreslím křivku, přibližně:

Černá křivka změny elektronové teploty. Červená křivka změny vyzařovaného výkonu (Stephanův zákon)

Ale v t = 105 ns jsou ionty už horké (T řádově 200 keV). Takže tento mechanismus zahřívání, který je třeba vyřešit, působí před zastavením stavu plazmatu, kdy je jeho poloměr minimální, což se nachází v t = 110 ns.

Schématicky: plazma implozuje. Bez tohoto dalšího zdroje energie, který je třeba vyřešit, ale Haines si myslí, že pochází z magnetické energie převedené na teplo, by plazma implozovalo plně, pokud by teplota iontů byla stejná jako teplota elektronů (méně než dvacet milionů stupňů před t = 105 sekundami).

Ale ionty jsou zásobovány tímto přírůstkem. Teplota iontů roste. Spojení mezi plynem iontů a plynem elektronů probíhá v "charakteristickém čase rovnováhy" teq, který Haine odhadl na 5 ns. Čas vzestupu elektronové teploty tedy odpovídá tomuto číslu (od 107 do 112 ns).

Haines říká, že tento proces zahřívání plynu iontů je dostatečný k vyrovnání magnetického tlaku a že "podmínky zastavení" jsou skutečně dosaženy, protože charakteristická rychlost, se kterou se mění poloměr plazmatu, je jen 15 % rychlosti termické iontů. Můžeme odhadnout rychlost termického pohybu iontů železa mezi minimální a maximální hodnotou měřené teploty.

Pro minimální teplotu, 230 keV nebo 2,66 miliardy stupňů: < Vi > = 1066 km/s - Pro maximální teplotu, 320 keV nebo 3,7 miliardy stupňů: < Vi > = 1258 km/s

Haines porovnává tyto hodnoty s "rychlostí roztažení" plazmatu a říká, že tvoří 15 % této hodnoty. Jakoukoli formou hodnocení, bereme-li body na křivce, zůstává nižší než termická rychlost, což skutečně naznačuje, že tlak v plazmatu vyrovnal magnetický tlak.

Poté se průměr plazmatu znovu začne zvětšovat. Proč? Protože zahřívání iontů pokračuje. Mohli bychom pokusit se vypočítat tuto expanzi.

Je jedna věc, kterou zatím nepochopím: proč elektronová teplota klesá, protože plyn elektronů by měl stále být zásobován energií z plynu iontů, který sám pokračuje ve zahřívání, alespoň v časovém rozsahu, který nám je dostupný.

Poznámka: Jaká je rychlost termického pohybu v plynu elektronů zahřátém na 3 keV (35 milionů stupňů).

Předpokládejme, že bychom dokázali vést 18 milionů ampér přes plazmový vodič o průměru jednoho a půl milimetru. Jaká je hodnota magnetického pole na kontaktu s plazmatem a odpovídající hodnota magnetického tlaku? (předpokládáme, že považujeme vodič za nekonečný, samozřejmě)

27. června 2006: Ve Francii zajímavá myšlenka.

V jiném tématu věnovaném magnetickým strojům, inspirovaným ruskými stroji z padesátých let, jsme viděli princip stroje MK-1. Později lidé experimentovali s nekruhovými, ale kuželovými linery. Získáváme "efekt dutého náboje". Hmotnost linery, která se shromažďuje na ose, vytváří hrot, který je vysílán rychle. Myslím, že byly dosaženy rychlosti 80 km/s. Je třeba ověřit. V každém případě, jak mi řekl Violent, můžeme zvážit Z-mašiny s vodiči, které nejsou kruhové, ale kuželové. Můžeme pak očekávat, že získáme stejným způsobem efekt dutého náboje. Různé konfigurace lze představit. MHD je pole nejvýraznějších řešení. Níže je konstrukce sestavená z dvou kuželů se společnou základnou. Pokud se oba plazmové hroty vytvoří a vstoupí do kontaktu, můžeme dosáhnout vyšších teplot, i s takovým strojem jako Gramat.

Nemůžeme dělat nic jiného než nakreslit. Mohly by být zvažovány simulace a samozřejmě i experimenty.

Ještě jedna myšlenka se objevuje: posunout liner na bicón. Tato myšlenka není nová. Zde je obrázek, který odpovídá spojitému lineru:

imploze na bicón

** Stačí přenést, s vodičem. ** ---

**16. července 2006. Jaká je hodnota Hallova parametru bi = Wi tii pro ionty? **

Haines ve svém článku říká, že je větší než jedna. Tento parametr je poměr gyroskopicke frekvence k frekvenci srážky. Podle Haines je tato iontová frekvence hlavně frekvence iontových srážek. Inverzní, čas uvolnění tii je uveden jako 37 pikosekund. To dává frekvenci srážky:

nii = 3 1010

Gyroskopicke frekvence je:

gyrofrequence iontů

To dává hodnotu bi = 0,258 Z pro Hallova parametru iontů, Z je iontový náboj (maximálně 26, pokud je iont plně odstraněn). Takže, jak říká Haines, Hallova parametr je větší než jedna. Mnoho práce pro teoretiky, kteří jsme my.

laplace

Dodatečná data (zdroj: http://www.sandia.gov/pulsedpower/prog_cap/pub_papers/023862p.pdf)

Charakteristický profil proudu v Z stroji:

To krátké zvýšení intenzity (100 nanosekund) umožnilo dosáhnout těchto výsledků na stroji Sandia. Ve skutečnosti se ukázalo, že sublimace drátů byla pomalejší, než se očekávalo. Tato struktura "drátového linery" tedy mohla přetrvávat během imploze, udržujíc axisymetrii, která zmizí okamžitě, když objekt se změní v plazmový závěs a začne se zkrutit pod vlivem MHD nestabilit. Pokud se pokusíme implozovat válec z kovu, dostaneme přibližně to, co by se stalo, pokud bychom pokusili zatlačit válec z papíru v ruce. Myslím, že Francouzi (stroj Sphinx, článek představen v září 21006 na konferenci v Tomsku, Sibiři, minimální čas náběhu: 800 nanosekund) nebyli plně vědomi toho, že toto aspekty byly kritické, což mi oznámil Yonas e-mailem v roce 2006.

17. února 2008: Přesnější informace o parazitních reakcích spojených s rovnicí B11 + H1

Bor má 5 elektrické náboje, vodík má jeden. Uhlík má 6 a dusík 7.

Chladnutí plazmatu zářením probíhá zářením brzdným. Výkon vyzařovaný se mění jako druhá mocnina elektrického náboje. Výkon vyzařovaný rentgenovým zářením elektronu, který se otáčí kolem atomu boru, je tedy 25krát vyšší než výkon ztracený při otáčení kolem atomu vodíku (lehkého nebo těžkého, důležitý je náboj)

B11 + H1 dává C11 + n + 2,8 MeV

Životnost uhlíku C11: 20 minut. Můžeme bezpečně otevřít komoru 10 hodin po vypnutí.

B11 + He4 dává N11 + n + 157 keV

Ochrana: 20 cm B10 nebo 1 metr vody.

Radioaktivita indukovaná v elektrodě z berylia: 5 mikrocurie ročně (údaje: koncentrace Lerner)

Podle Lerner je v této impulsní fúzi používány MHD nestability. Jeho popis mechanismů je následující. Elektrický výboj "parasol" nejprve tenduje k vytváření kondenzací plazmatu podobných "balech tohoto samotného parasolu". Pak se tyto vlákna vinou podél osy, aby vytvořily plazmový vodič. Tento vodič, kvůli nestabilitě Kink, se konfiguruje "jako telefonní kabel". Pak se ve stejné struktuře tvoří "samozavězné plazmoidy", teplé body v malém objemu, menší než krychlový mikrometr. V těchto plazmoidech má magnetické pole toroidní topologii. Nové stlačení podél osy tohoto plazmoidu-kapky. A pak, podle Lerner, probíhají fúzní reakce.

18. března 2008: Komentář po vydání článku ve vědeckém časopise Science et Avenir.

Novinář David Larousserie publikoval článek s názvem "Úspěchy Z-mašiny" v čísle března 2008, které vydává. Volal mě a zeptal se, kde jsem mohl číst, že experimenty Sandie v letech 2005-2006 umožnily překonat, ne jen dva miliardy stupňů, ale tři. Odkázal jsem ho na článek Haines z 24. února 2006, obrázek 3, kde je jasně uvedeno, že iontová teplota vzrostla z 230 do 320 keV. Pokud jsem se nezmýlil, 320 keV odpovídá teplotě 3,68 miliardy stupňů.

Nezmiňuje v článku možnost neutronové fúze boru s vodíkem, omezí se jen na techniku holraum. V pravidle je tato teplotní výhoda velmi špatně přijata ve vědeckých kruzích spojených, blízko nebo daleko, s projektem ITER, kde preferují tuto perspektivu ponechat v tichu, aby Z-mašinu omezili na hlavně vojenské aplikace. Skutečně, pokud by se někdy ukázalo, že budoucnost fúze bude procházet těmito velmi vysokými teplotami (miliarda stupňů), pak technologie Tokamak by nemohly následovat.

V jeho článku Larousserie zaznamenává, co mohl získat z konverzace s Alexandrem Chuvatinem z Laboratoře fyziky a technologie plazmatu (LPTP) École Polytechnique. Zaznamenává tyto slova, která citujeme:

*- Není třeba se příliš rozčilovat ohledně těchto teplot. Existují jen po příliš krátkých okamžicích a jsou lokalizované v nestabilních oblastech. To znamená, že fúze je nemožná, protože vyžaduje velkou hustotu materiálu, dostatečně dlouhý čas uchování a vysokou energii. *

Podle Larousserie řekl Chuvatin, že navrhl vysvětlení anomálie, kterou Haines uvedl na začátku svého článku. Citujeme, co zdůrazňuje Haines:

There has been some difficulty in understanding the radiated energy in a wire-array Z pinch implosion could be up to 4 times the kinetic energy [1,4] (data odkazů: 1997 až 2002, ukazují, že tento problém není nový),* and also how the plasma pressure could be sufficient to balance the magnetic pressure at stagnation if the ion and ion temperatures were equal. In fact, theoretically the excess magnetic pressure should continue to compress the plasma leading to a radiative collapse. Some theories have been developped to explain the additional heating, but neither of these have adressed the pressure imbalance. *

Nepřiznávám, že nechápu poznámku Chuvatina. Důležité je, co vyplývá z Bennetovy formule, která jednoduše říká, že tlak plazmatu vyrovnává magnetický tlak. Je uvedena v článku Haines a já jsem ji podrobně vysvětlil:

formule Bennet

Haines to jasně uvádí: aby se plazma nezničilo, musí být teplota 296 eV. Co je nové, nakonec v článku z roku 2006, je, že tato iontová teplota, dříve odvozená touto formulí, byla měřena šířkou čar a potvrzena. Článek Haines je na tomto základě velmi jasný.

Co navrhuje poznámka Chuvatina, je, že tyto velmi vysoké teploty by mohly zajímat jen velmi malé a nestabilní oblasti. Pak si myslíme na "teplé body" manipulací Lerner, spojené s samozavěznými plazmoidy mikrometrické velikosti. Pokud by to byla myšlenka, znamenalo by to, že jen malé objemy by byly ovlivněny těmito vysokými teplotami. Ale neměli bychom zapomenout, že teplota je také hustota energie, v joulech na metr krychlový. Pokud by tato teplota zajímala jen velmi malé části plazmatu, v objemu a hmotnosti, pak by tlak měl být odvozen z průměrné hustoty energie. A Bennetova formule by se již nesplnila.

Myslím, že je jednodušší, že měření teploty spektroskopií je výborně v souladu s Bennetovou formulí, a proto můžeme konstatovat, že tato zvýšená teplota má velkou šanci zajímat celou hmotu plazmového vodiče a ne jen malé teplé body.

Pokud jde o proveditelnost fúze: samozřejmě jsme ještě daleko, i když fúze D-T je již zvažována ve Spojených státech. Ale je nepochybné, že Z-pinče, jako Z-mašina, představují velmi zajímavou cestu ve srovnání s těžkými a problematickými směry jako ITER nebo MEGAJOULE, přičemž jsou o dva řády větší levnější a mnohem flexibilnější. Je líto, že dvě roky od vydání článku Haines nevznikla žádná reakce ve Francii, pokud výjimkou nejsou pokračující testy na manipulaci Sphinx, které nám nejsou podle našeho názoru na úrovni, jakou by měl mít význam: aneutronová fúze!

16. února 2009: Po několika výměnách s fyziky horkého plazmatu a lidmi, kteří pracovali na Z-pinchech, se vykládají následující závěry:

Tato prostředí jsou stále špatně známa. Podle všech názorů byla tato plazma velmi turbulentní, možná i seděla na mikroturbulencích. Je vskutku nutné vysvětlit, odkud může pocházet energie vyzařovaná ve formě rentgenového záření, což je něco konkrétního, měřitelného a přesahující třikrát až pětkrát kinetickou energii shromážděnou ionty kovů během jejich cesty k ose systému. Jak jsme viděli, Malcom Haines odkazuje na MHD nestability, bez jejich popisu. Pak se používá slovo spheromaks, samozavězné prvky, které by se tvořily v důsledku této nestability a zahrnují uzavření magnetických čar na sebe, podle toroidní geometrie. Rozměry těchto objektů: spekulativní. Lidé jako Lerner (manipulace Focus) používají slovo teplé body. Měření provedená neukázala dostatečnou prostorovou a časovou rozlišovací schopnost, aby byly tyto jevy zjištěny.

Haines odhadl ohřev vlivem Jouleova efektu a závěrem, že je nedostatečný pro vysvětlení měřeného zvýšení teploty. Ale jak pochopit toto tajemné přenos energie mezi plazmovým vodičem a tím, co jej obklopuje, kde panuje magnetický tlak 90 megabar, odpovídající magnetickému poli 4800 tesla? Když Haines odhaduje Jouleovu disipaci, počítá s plazmatem homogenním. Elektrické pole pohání náboje. Pokrok těchto nábojů je znemožněn srážkami s vším, co v plazmatu může být překážkou. V Hainesově výpočtu jde o ionty různých druhů přítomných, jejich efektivní průřez srážky roste jako druhá mocnina jejich elektrického náboje.

Turbulence dělá prostředí nehomogenní, na různých škálách. V mechanice kapalin je turbulentní difuze více disipativní než laminární disipace. Uvažujme profil křídla letadla. Když se turbulence aktivuje, odpor tření na stěně roste. Mezní vrstva získává větší tloušťku. V jejím nitru se dějí disipativní jevy, které uvolňují více tepla. A to vše se děje prostřednictvím mikroturbulencí, které nejsou viditelné pouhým okem.

Existuje analogie, když si přemýšlíme o plazmatu. Proudový tok, předpokládaný v hodnocení Haines, probíhá homogenně (jednoduchá pracovní hypotéza!), přestává být laminární. Oblasti mikroinstabilit MHD se stávají překážkami pro pohyb proudu. Je zvýšení odporu, které bylo nejprve označeno Christianem Nazetem. Navíc, vznik těchto spheromaků by měl být spojen s chaotickým rozložením teplotního pole. Je to myšlenka Lerner. V plazmatu, kde byla celková teplota nižší než kritická teplota fúze a podmínky Lawsonu nebyly nastaveny (na makroskopické úrovni), mohly by se tyto podmínky objevit krátce v těchto malých objektech, jejichž životnost není známa předem.

Zjistilo se, že jsem strávil celý den, na lodi, před třiceti lety, s astrofyzikem Fritzem Zwicky, vynálezce konceptu supernovy v roce 1931. Najednou si vzpomínám na jeho hypotézu "jaderných trpaslíků", spheromaks před písmenem, které si představoval, že se tvoří uvnitř Slunce, kvůli MHD nestabilitám a o kterých mi mluvil během této mořské procházky.

Vraťme se k Z-pinčím. Musíme někde získat energii. Máme k dispozici magnetickou energii kolem plazmového vodiče. Připomeňme si, že tlak (v tomto případě magnetický tlak) je hustota energie na jednotku objemu. Pokud se tato energie přenáší na plazmový vodič, bude to na úkor této elektromagnetické energie. Nemáme zde žádnou "magii". Mikronestability, které vznikají v plazmatu, zvyšují jeho odpor, vytvářejí další disipaci a, snižují intenzitu proudu, tím snižují hodnotu magnetického pole působícího vně vodiče. Komunikační nádoby.

Dobře znám elektrotermickou nestabilitu (Vélikhov). Jedná se o typ bitempératury plazmové turbulence, která se projevuje výraznými fluktuacemi elektronové teploty. Z jedné strany, strukturováním plazmatu jako mnohovrstvý, s střídáním oblastí silně a slabě ionizovaných, to zničí výkon MHD generátorů. Z druhé strany to ukazuje, jak MHD nestabilita může vytvořit lokálně (zde v rovinných vrstvách) oblasti teplejší, více ionizované (jev je silně nelineární). Hypotéza vzniku teplých bodů navrhuje jiný model vzniku mikronestabilit, tentokrát v 3D. V těchto velmi nelineárních jevech mohou být výkyvy teploty a hustoty významné. Z toho vyplývají možné "malé fúze".

Takže je předčasně konstatovat, že s systémy jako Z-mašina jsme "velmi daleko od možnosti dosáhnout fúze". Pokud uvažujeme s homogenním plazmatem: ano.

Přejděme k otázce měření teploty. Nejprve, co je teplota? V teoretické kinetické teorii plynů je to měření průměrné kinetické energie pro danou složku. Prostředí může být složeno z různých složek, každá má svou vlastní teplotu. Tyto teploty mohou výrazně lišit. V zářivém trubici je elektronová teplota mnohem vyšší než teplota iontů a neutrálních částic. Mluvíme pak o ne-termické ionizaci (kde je energie dodávána elektrickým polem, které urychluje elektrony. Pokud se toto pole vypne, elektrony ztrácejí svou energii srážkami: plyn elektronů se ochladí a ionizace zmizí.

Musíme pak vypočítat frekvenci srážky elektron-gas. Inverzní čas uvolnění. Skutečně, pokud necháme bitempératurní prostředí samotné, rovnováha se uskuteční rychlostí srážek.

Plná termodynamická rovnováha je rovnost všech teplot na jedné hodnotě a skutečnost, že distribuce rychlostí každé složky nabývá tvaru Maxwellovy-Boltzmannovy distribuce (Gaussova křivka). Plazma Z-mašiny je v nevratném nerovnováze, protože plyn elektronů je chladnější než plyn iontů. Pokud zanedbáme energii spojenou s MHD nestabilitami, které je třeba modelovat (plazmová mikroturbulence), energie, kterou je třeba zvážit, je kinetická. Síla Laplace působí na tyčky z nerezové oceli, které se navzájem přemístěují, nakonec rychlostí 400 km/s. Tato síla působí na elektrony. Proud procházející tyčkami je elektronový, ne iontový. Elektrony následují ionty. Nemůžeme je oddělit, jako dvojice příliš dobře spojené, na vzdálenost větší než Debyeova vzdálenost. Výsledkem je, že ionty a elektrony se shromažďují v blízkosti osy symetrie stejnou rychlostí. Ale kinetické energie jsou různé. Lehké částice přenášejí méně energie.

Haines pak odhaduje různé časy uvolnění, spojené s různými typy srážek.

- Jsou to srážky elektron-elektron

- Srážky iont-iont

- Srážky elektron-iont

Přenos energie mezi dvěma částicemi různých hmotností je přímo úměrný poměru hmotnosti lehčí částice k hmotnosti těžší částice. Uvnitř stejného druhu jsou tyto výměny energie maximální, protože tento poměr je roven jedné. Haines tak odhaduje dobu vazby na 37 pikosekund. Křivky ukazují dobu uzavření plazmatu několik nanosekund (přibližně pět). Nevím, jaká je doba měření teploty rozšířením spektrálních čar. Mělo by to být někde uvedeno v papíru Haines. Porovnáním doby uvolnění uvnitř stejného druhu (elektron-elektron nebo ion-ion) je tato doba více než o řád vyšší než doba uvolnění. To stačí k tomu, aby se dalo tvrdit, že iontové druhy lze popsat Maxwell-Boltzmannovou funkcí.

Měření rozšířením spektrálních čar průměruje Doppler-Fizeauův efekt podle „pohledu“, jak říkají astronomové, tedy podle radiální distribuce. A tady je ještě jedna možnost odchýlení od termodynamické rovnováhy: anizotropie. Ale řeknete mi, zda by se mohl plynulý prostředí projevovat jiným „teplotním vzhledem“ pod různými úhly? To se děje za intenzivní rázovou vlnou, skutečným „úderem kladiva“, který přenáší atomům impuls nejprve kolmo na vlnu a pak rychle „termalizuje“, přičemž získaná rychlost je rozdělena do všech směrů během několika srážek. Zde opět můžeme uvažovat o době uvolnění. Přibližně bych řekl, že tato anizotropie by měla být zanedbatelná. Ale i zde závisí každý závěr na předpokladech o povaze prostředí v mikroskopickém měřítku. Navíc přidáváme magnetické pole a jeho lokální a časové fluktuace, ahoj!

Jakou důvěryhodnost můžeme přisoudit těmto měřením teploty rozšířením spektrálních čar? Nebylo by možné, že měříme teplotu podmnožiny: např. „teplých bodů“? Víme, že zářivá energie odpovídá Stefanově zákonu, který roste jako čtvrtá mocnina teploty zdroje. Dilema.

Zde je třeba obrátit se k Bennetově rovnici, neimplozi plazmového provazu. Jeho poloměr prochází minimem. V tomto okamžiku musí být iontový tlak vyvážen magnetickým tlakem, což svědčí o teplotě 300 keV. Vyberte si manometrickou nádobu. Poskytuje nám hodnotu tlaku integrací velkého počtu srážek částic s jejím povrchem. Zde už nejde o Stefanův zákon. Tlak ve směsi je součtem částečných tlaků. A tlak je také hustota energie na jednotku objemu. Pokud Bennetova rovnice dá 300 keV, dostaneme průměrnou hodnotu energie částic. A tato hodnota odpovídá více než třem miliardám kelvinů, ať už jsou „teplé body“ nebo ne.

Vím, že to všechno je trochu zmatené. Vezměme si například zářivku. Chladný plyn, horké elektrony. Proveďme měření teploty spektroskopií (v zářivce se světlo vysílá ne z plynu, ale z fluorescentní vrstvy pokrývající vnitřek obalu). Emise plynu je v UV. Můžeme tedy usoudit, že tento plyn má teplotu 10 000 °C? Ne, horké jsou elektrony. Bez Bennetovy rovnice bychom mohli být vyzváni k předpokladu, že naše měření teploty rozšířením spektrálních čar je zkreslené.

Všechno to nás vede k závěru, že je tu hodně práce. Doporučil jsem (vox clamat in deserto) vytvoření evropského projektu Z-pinch. Pokud LMJ nedá očekávané výsledky, budeme muset co nejdříve přejít na něco levnějšího.

Poslední poznámka.

Když jsem byl na konferenci o pulzních vysokých výkonech ve Vilniusu, Litva, v září 2008 (kde jsem prezentoval tři příspěvky, viz http://www.mhdprospects.com), už první den jsem byl tváří v tvář Američanům Matzenovi a Mac Keeovi, prvnímu byl odpovědný za experiment ZR v Sandii a druhýmu jeho asistent. Byl jsem velmi překvapen, když jsem je okamžitě uviděl usmívat se, když jsem je ptal na ZR a okamžitě mi řekli:

„Papír Haines z roku 2006? Udělal chybu, teplota byla o řád nižší!“
„Ale přesto jsou tyto velké rozšíření spektrálních čar…“
„Izraelec Yitziak Maron to přezkoumal a zjistil, že Haines špatně interpretoval tyto spektrogramy.“
„Bylo to publikováno?“
„Ne, neudělali jsme to, aby jsme nepříjemně zasáhli toho dobrého Malcoma.“

V noci, když jsem na to naléhal, Mac Kee se postavil k konzoli a řekl:

„Napíšu Maronovi e-mail před vámi a zítra budeme mít jeho vysvětlení.“

Druhý den jsem potkal Mac Keea:

„Takže ty vysvětlení od Marona?“
„Hmmm… raději bychom to momentálně nevydali…“
„Ale alespoň mi přečtete jeho e-mail…“
„No… odpověděl nám telefonicky.“

Následovaly zmatené a málo přesvědčivé vysvětlení.

Dva dny poté Matzen přednesl pokrok ZR na pódiu, zaměřil se na jednoduché technologické aspekty a předvedl úžasné fotografie. V té chvíli jsem zjistil, že získání ledu VII nebylo dosaženo implozivní kompresí, ale explozivní kompresí s jiným experimentálním schématem, kde proud protéká jako „paraplík“, tedy s přívodem po hmotném axiálním sloupu a návratem po drátovém obalu, na kterém je umístěn materiál ke kompresi, venku. Nic společného s předchozími experimenty. Na konci své prezentace jsem si vyzvedl mikrofon a řekl:

„Měli jsme v posledních dnech diskuzi, ve které jste pochyboval o analýze Hainesovy měření teploty na Z-machine pomocí spektroskopie a publikované v roce 2006 v Physical Review D. Podle vás byla teplota iontů o řád nižší. Řekl jste, že Yitziak Maron z Jeruzalémského institutu Weisman přišel k této závěr. Protože je to důležité, můžete nás osvětlit?“

Matzen:

„Hmmm… to je dobrá otázka.“

Následovala minuta ticha, kterou přerušil předseda seance.

Zpátky v Bruselu jsem poslal e-mail Izraelci Maronovi, který mi odpověděl zmateně, neodpověděl na mé otázky a řekl nejlepší věci o Hainesovi. Měl podle něj přijet do Sandie během následujících dnů.

Poslal jsem další e-mail Geroldu Yonasovi, vědeckému řediteli Sandie, který mi okamžitě odpověděl velmi stručně.

„Ano, to je pro mě také záhadou. Požádám Matzena, aby to vyjasnil.“

Od konce října 2008 žádný kontakt.

18. února 2008: O aneutronové fúzi

Při jaderné fúzi musí být dva jádra přiblíženy na dostatečně malou vzdálenost, aby mohla dojít k jaderné reakci. Fyzika jader je v tomto ohledu podobná chemii. Radioaktivita, přirozená nebo vyvolaná, znamená pouze nestabilitu jader. Štěpení je spontánní rozpad, který vzniká jádra s nižší hmotností než původní. Při štěpení uranu 235 nebo plutonia 239 mají produkty tohoto spontánního rozpadu hmotnosti blízké polovině původního jádra.

Při tomto procesu dochází k vydělení neutronů, které mohou při srážce s dalšími jádry uranu 235 nebo plutonia 239 vyvolat nové štěpení, tedy štěpení indukované srážkami. Můžeme tedy mluvit o autokatalytickém štěpení. Jádra mají účinný průřez pro zachycení. Známe-li jej, můžeme vypočítat kritickou hmotnost. Je to hmotnost koule, jejíž poloměr je přibližně roven střední volné dráze neutronu vzhledem ke srážce s jádrem štěpného materiálu.

Tuto kritickou hmotnost můžeme snížit zvýšením hustoty jader kompresí, která je v bombách zajištěna chemickým explozivem.

Mějme plyn při absolutní teplotě T. Pokud je tento prostředí silně srážkové (takže je velmi blízko termodynamické rovnováhy s Maxwell-Boltzmannovskou statistikou), bude průměrná rychlost tepelného pohybu těchto částic dána uvedeným vzorcem. Několik obrázků a vzorců umožňuje pochopit schématicky koncept účinného průřezu srážky (vedoucí zde k jaderné reakci) a frekvence srážky (jedná se o danou jadernou reakci). Zde snižujeme rychlost iontů hmotnosti m na průměrnou hodnotu . Předpokládáme, že vše, co je při pohybu „zabráno“ ve „síti“ tvořené účinným průřezem, má pravděpodobnost reakce rovnou jedné, a pro všechno mimo síť je pravděpodobnost nulová.

frekvence srážky

Frekvence srážky, charakteristická doba reakce (fúze)

Ale nestačí, aby byla frekvence srážky dostatečná a charakteristická doba reakce menší než doba uzavření. Je také třeba, aby teplota iontů byla dostatečně vysoká, aby mohly tyto částice, pohybující se kolem průměrné rychlosti , překonat Coulombovu bariéru, odpudivou sílu bránící přiblížení dvou kladně nabitých iontů. To vede pro směs deuteria a tritia D-T k teplotě mezi 100 a 200 miliony stupňů, kterou fyzici často vyjadřují v kiloelektronvoltách (keV) podle vzorce

e V = k T

e je elektrický náboj elektronu, tedy 1,6 × 10⁻¹⁹ coulombů
k je Boltzmannova konstanta = 1,38 × 10⁻²³

Takže jeden elektronvolt odpovídá (e/k) kelvinům, což je 11 600 °K.

Protože pracujeme s řády velikosti, považujeme jeden eV za teplotu 10 000 °K. Teplota iontů tedy musí být mezi 10 a 20 keV.

Aby mohly reakce fúze začít, musí být splněny podmínky Lawsonova kritéria.

výpočet Lawsonova kritéria

Tato funkce L závisí na teplotě plazmatu. Účinný průřez Q(V) závisí na relativní rychlosti jader a tedy na průměrné rychlosti , tedy na teplotě iontů.

Lawsonova křivka

Lawsonova křivka

Reakce deuterium-tritium je neutronová. Dlouho známe reakce, které nejsou. Viz Aneutronová fúze.

Jen omezený počet jaderných reakcí probíhá bez emise neutronů. Jsou to ty s největším účinným průřezem:

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

První dvě používají deuterium jako palivo, ale některé vedlejší reakce 2D-2D produkují několik neutronů. I když lze část energie přenášenou neutrony omezit výběrem parametrů reakce, tato část pravděpodobně zůstane nad prahem 1 %. Je proto obtížné tyto reakce považovat za aneutronové.

Na poslední reakci se soustředí úsilí. I když uvedená reakce nevydává neutrony, vedlejší reakce jsou neutronové. Pokud se vychází z dob uvolnění spočítaných Hainesem a existuje rozdíl teplot o faktor 100 mezi elektronovým a iontovým plynem (ten byl v tomto „návratu z nerovnováhy“ teplejší), můžeme stále uvažovat, že iontová populace je ve stavu blízkém termodynamické rovnováze kolem vlastní teploty, tedy o termální plazma. Pak máme tyto neutronové reakce:

11B + alfa → 14N + n0 + 157 keV (exotermická)
11B + p+ → 11C + n0 – 2,8 MeV (exotermická)

Tento izotop uhlíku má poločas rozpadu 20 minut.

Někteří odhadli energii uvolněnou touto reakcí na 0,1 % celkové energie.

Existuje také reakce vydávající gama záření:

11B + p+ → 12C + n0 + γ 16 MeV

Tato reakce má pravděpodobnost pouze 10⁻⁴ ve srovnání s reakcí vydávající alfa částice.

Nakonec existují neutronové reakce bor-deuterium nebo deuterium-deuterium:

11B + 2D → 12C + n0 + 13,7 MeV
2D + 2D → 3He + n0 + 3,27 MeV

Ty můžeme eliminovat použitím izotopicky čistého paliva.

Hlavním materiálem ochranného krytu bude voda na zpomalení rychlých neutronů, bor na jejich absorpci a kov na absorpci rentgenového záření s celkovou tloušťkou kolem jednoho metru.

Teplota potřebná pro spuštění reakcí bor-vodík je desetkrát vyšší než u směsi deuterium-tritium. Navíc existuje otázka optimální reaktivnosti. U této směsi je kolem 66 keV (730 milionů stupňů). U bor-vodíku to vede na 600 keV (6 miliard stupňů). Nicméně jsme viděli, že dosažení velmi vysokých teplot je možné s pomocí Z-machine, přičemž maximální dosažená teplota roste jako druhá mocnina proudu. Podle této logiky by teplota, kterou by mohla dosáhnout ZR, činila 9 miliard stupňů.

Žádné informace o výkonech této stroje od jejího spuštění nejsou k dispozici.

V tomto bodě je třeba vyhnout se přílišnému zaujatosti, jak jedním, tak druhým směrem. Horké plazma Z-machine není jako u Tokamaku. Navíc hypotéza „teplých bodů“ zatím neodpovídá žádné teoretické popisu. Moje osobní názor je, že místo nekonečného argumentování by bylo lepší nechat slovo přírodě, tedy provést experimenty. Připomínám, že náklady na Z-machine jsou o dva řády nižší než u obřího fúzního zařízení jako ITER. Navíc má stroj větší flexibilitu než ono. Na začátku roku 2008 jsem se setkal ve vládním ministerstvu pro výzkum a průmysl s Edouardem de Pirey, mladým absolventem École normale supérieure, vědeckým poradcem Valérie Pécresse. Když jsem ho potkal, okamžitě mi přiznal, že neměl čas seznámit se s mémi krátkými a jasnými zprávami, které mu poslal. Předal jsem mu kopii dopisu, který Smirnov navrhoval odeslat, za podmínky, že bude znát jméno adresáta. Takže jsem požádal de Pireyho, aby se obrátil na svou šéfku, aby zjistil, zda by souhlasila s tím, aby její jméno bylo uvedeno jako adresát tohoto dopisu.

Tato snaha zůstala bez odpovědi. Stejně tak i žádost o financování mé účasti na mezinárodní konferenci ve Vilniusu, Litva, o pulzních vysokých výkonech, kde jsem nakonec musel cestu zaplatit sám v září 2008.

Všimněme si, že přístup Z-pinches nefiguruje na nedávné plánové listině ministrů. Nechávám čtenáře, aby si sám formuloval své hypotézy ohledně selhání mého úsilí.

Myslím, že Evropané by měli co nejdříve vytvořit výzkumnou skupinu, těsně spolupracující s Ruskem, odborníky na tento obor. Bylo by vhodné, dokonce i naléhavé, dát nějaké peníze a postavit stroj s civilním účelem, přístupný všem, umístěný v nějakém „neutrálním“ státě (v technicko-vědeckém smyslu). Francouzská Z-machine, zařízení Sphinx, umístěné v Gramat ve Francii, nelze dále zlepšit. S dobami výboje 800 nanosekund je tato stroj příliš pomalá. Myslím také, že by bylo velkou chybou umístit tento projekt pod ochranu národní bezpečnosti z různých důvodů. Samozřejmě, tímto přístupem se vývoj čisté fúzní bomby stane „nejsnadnější“. Rusové jsou mistři manipulace s pulzními vysokými výkony, když je počáteční energie z explozivu. Občas objevují Západní zprávy, často se zděšením, novou myšlenku vyvinutou za Ural, která zcela změní situaci, jako např. generátory disků.

Výroba velkých proudů se provádí kompresí dutiny, ve které byl vytvořen silný magnetický pole pomocí explozivu. Avšak chemické explozivy omezuji rychlost imploze. Pokud vydělíme charakteristickou rozměr komory touto rychlostí, dostaneme časy, které těžko klesnou pod několik mikrosekund. To je příliš pomalé pro formuli inspirovanou Z-machine, kde tento čas nesmí překročit 100 nanosekund. U klasického systému roste výkon výboje s objemem dutiny. Rusové řešili problém tím, že jí dali jednoduše tvar … harmoniky. Představte si harmoniku, jejíž vnější část je ponořená do explozivu, zalita přímo do komory. Celkový objem může být velký, zatímco tloušťka kompresovaná zůstává v každé z těchto buněk poměrně malá. Tento aspekt je zmíněn ve versi anglického Wikipedia.

Vojsko se velmi obává „rozšířených“ aspektů této technologie, kde zapalování fúzních reakcí již neprochází technologicky náročným stádiem izotopového obohacení. Ale co dělat? Nic? Naše planeta je na okraji kolapsu kvůli nedostatku energie. Řekněte tedy Číňanům a Indům, aby dělali úspory!

Volba je politická na globální úrovni. Poslední poznámka ohledně ITER a Mégajoule:

Gilles de Gennes, před svým úmrtím, byl mezi těmi, kdo upozornili na mnoho argumentů, které dělají projekt ITER problematickým, pokud jej nepovažujeme za sociální plán nebo způsob, jak tisícům vědců, inženýrů a techniků umožnit celoživotní kariéru v jedné z nejkrásnějších částí světa, nejlépe umístěné. De Gennes byl velmi skeptický ohledně toho, že supravodivý magnet ITER, umístěný co nejblíže plazmovému toru, bude dlouhou dobu odolávat intenzivnímu neutronovému záření. Upozornil, že žádná předchozí studie nebyla provedena v tomto směru, což bylo však snadné na úrovni modelů umístěných ve svazku neutronů. Ale výsledek by mohl být zastavení stavby této opravdové katedrály pro inženýry.

Druhý bod: fúzní plazmaty jsou srážkové, tedy termální, blízko termodynamické rovnováhy. Rozdělení rychlostí iontů je tedy typu Maxwell-Boltzmann, s ocasem rozdělení Boltzmannova, plným rychlých iontů:

ocas rozdělení Boltzmannova

Rychlé ionty v ocasu rozdělení Boltzmannova

Tyto ionty nevyhnutelně překonají magnetické pole uzavření. Srážkou se stěnami a různými objekty tvořícími komoru odtrhnou těžké atomy.

znečištění plazmatu ITER

Znečištění fúzního plazmatu tokamaku způsobené odtrhnutím těžkých iontů ze stěny

Tyto atomy se okamžitě ionizují a získají náboj Z, přičemž jsou dále ovlivněny gradientem magnetického tlaku, a vrátí se do jádra plazmatu, znečišťujíce jej. Ztráty záření způsobené interakcí mezi elektrony plazmatu a ionty (zpomalené záření nebo Bremstrahlung) rostou jako druhá mocnina náboje iontů Z.

Ztráty zářením zpomalení

Ztráty zářením při interakci elektron-iont (zpomalené záření)

Nikdo nevidí, jak zabránit tomuto znečištění plazmatu těžkými ionty ani jak jej odstranit. Zvýšené ztráty záření sníží teplotu a parní kotel třetího tisíciletí se utopí. Když jsem tuto otázku přednesl na veřejných setkáních s lidmi z ITER, jejich jedinou reakcí bylo:

„To je dobrá otázka…“

Pokud se ptáme, zda stroj ITER umožní dosáhnout významné a trvalé fúzní reakce, možná bude odpověď kladná na krátkých časových škálách. Ale pokud je otázka: „Bude tento typ stroje nakonec vést k provoznímu reaktoru a vyřeší problémy lidské energie?“, zdá se mi, že odpověď musí být záporná.

Udělám ještě jednu poznámku ohledně této impulzní fúze. Je vhodná pro přímou konverzi. Fúzní plazma se rozšiřuje. Pokud to probíhá v magnetickém poli, protože je Reynoldsův číslo magnetického pole velmi vysoké, dochází k „zachování toku“ a indukovanému proudu. Účinnost: 70 %. Žádné pohyblivé části. Proč si komplikovat život s výměníkem, pásovou turbínou? Proč ne kolo s lopatkami? Věřím v „dvoudobou fúzi“ na dlouhé období. Existují jiné možnosti než Z-pinche pro tuto impulzní fúzi. Pouze jsme se dotkli této otázky.

V přírodě existují systémy realizující impulzní fúzi. Jsou to kvazary. Nevěřím, že energie pochází „z akrece do velkého černé díry“. Společné fluktuace metrik dvou dvojčatových vesmírů vytvářejí centripetální rázovou vlnu ve vesmírném plynu galaxie. Už jsem to popsal v knize „Ztratili jsme polovinu vesmíru“, vydané v roce 1997 nakladatelstvím Albin Michel. Média o tom nezaznamenala žádný záznam. Plyn je při průchodu komprimován a nestabilizován. Vznikají mladé hvězdy, které vysílají do UV, ionizují tento mezihvězdný plyn. Reynoldsovo číslo magnetického pole stoupá a plynová vlna pak následuje magnetické linie galaxie (frozen in), jako zemědělec sevře klasy pšenice. Kolaps končí malou koulí plazmatu ve velikosti galaxie, kde jsou podmínky Lawsonova kritéria dosaženy v hmotě a ne v jádře, jako u hvězdy. Proto tyto objekty „tak malé jako hvězdy, vysílají tolik jako galaxie“. Plazma je pak vystřelováno ve dvou lalocích podél směru magnetického dipólu. Gradient magnetického pole urychluje nabité částice na vzdálenost sto tisíc světelných let. Tak se v těchto velkých přirozených akcelerátorech částic tvoří „kosmické paprsky“.

Když společné fluktuace metrik vedou ke zhoršení uzavření, galaxie… exploduje. Jsou to „nepravidelné galaxie“, o nichž slavný anglický astrofyzik sir James Jeans (objevitel nestability, které dal své jméno, stejně jako rovnice, která ji popisuje) řekl:

„Neuvěřitelně zmatené tvary některých galaxií naznačují, že jsou sedlištěm obrovských sil, o nichž nic nevíme.“

Pokud jde o instalaci LMJ (Laser Mégajoule), nikde nikdy nebylo řečeno, kromě opakování běžných frází („Slunce v zkoušce“, „oblast výzkumu pro astrofyziky“), že tento nástroj pro inženýry vojenského charakteru je součástí snahy vyřešit problém energetických potřeb planety.

Zpět k přehledu Zpět na úvodní stránku

Více než dvě miliardy stupňů! Analýza článku Malcolma Hainese (duben 2006)

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

Mots-clés