Mehr als zwei Milliarden Grad! Analyse des Papier von Malcom Haines (April 2006)

Mehr als zwei Milliarden Grad! Analyse des Artikels von Malcolm Haines (April 2006)

Mehr als zwei Milliarden Grad!
Der Artikel von Malcolm Haines

Veröffentlicht am 24. Februar 2006 in Physical Review Letters

Aktualisiert am 16. Juli 2006 (Daten unten auf der Stromanstiegskurve der Z-Maschine)

****Aktualisierung vom 18. März 2008. Aufgrund eines Artikels, der in der Zeitschrift Science et Avenir veröffentlicht wurde

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

Eisen

Für Nichtwissenschaftler

Leser fragen, ob diese ionischen Temperaturen über zwei Milliarden Grad tatsächlich gemessen wurden. Die Antwort ist ja. Allerdings war ein verwirrender Phänomen bereits 1998 in den Plasmapressungsexperimenten mit der Z-Maschine beobachtet worden. Diese Experimente betrafen verschiedene Aufbauten. In einem Beispiel wurde bei der Implosion der "Vogelkäfig" ein "Gaspuff", eine "Gaszufuhr" direkt in die Mitte gesendet, die dann komprimiert wurde. Die Röntgenstrahlung ermöglichte die Messung der elektronischen Temperatur. Ein Plasma ist ein "Zweispiegel-Mischung": die Ionen, schwer und die Elektronen, leicht. In einem "Eisenplasma", in "ionisiertem Eisen" sind die Kerne

(56 Nukleonen, 26 Protonen) 100.000 Mal schwerer als die Elektronen (die Kerne bestehen aus "Nukleonen" mit sehr ähnlichen Massen: Protonen und Elektronen. Ein Elektron ist 1850 Mal leichter als ein Proton).

Ein Neonrohr enthält auch "diese beiden Spiegel", die Elektronen und die Neonionen (selbst wenn diese in diesem Fall nicht vollständig von ihrem "Elektronenschutz" befreit wurden). Wenn das Rohr in Betrieb ist, enthält es eine "Zweitemperatur-Mischung", bei der die Gase aus Atomen, die Neonionen kalt bleiben. (Sie können das Rohr mit der Hand berühren), aber das "Elektronengas" ist viel heißer, auf 10.000°. Warum spüren Sie diese Wärme nicht mit der Hand? Weil die Elektronen, die armen Dinger, zu sparsam sind, um Ihnen Energie, Wärme zu geben. Im Gegenteil, sie haben genug Energie, um durch Kollisionen das fluoreszierende Beschichtung zu erregen, das das Innere des Rohrs auskleidet. Deshalb werden sie als

Leuchtrohre

bezeichnet. Fluoreszenz ist die Fähigkeit, Strahlung zu absorbieren und sie in einer anderen Frequenz wieder abzugeben. So absorbiert die Fluorescein Sonnenstrahlung und emittiert sie im Grün. Nylonhemden können UV-Strahlung absorbieren und im Sichtbaren emittieren (das ist die "schwarze Licht" in trendigen Diskotheken) usw. Diese weiße Beschichtung des Neonrohrs wird von Elektronen mit Energien bombardiert, die dem UV-Bereich entsprechen, aber wenn sie die Substanzen, die die Beschichtung bilden, treffen, verursachen sie eine Wiederemission im Sichtbaren. Diese Beschichtung ist so zusammengesetzt, dass die Lichtemission so nahe wie möglich an das sichtbare Licht liegt. Aber das ist nicht ganz der Fall. Deshalb erscheint das Licht der Neonröhren Ihnen so "seltsam".

Das Wichtige zu merken ist, dass es "Zweitemperatur-Medien" geben kann. Der Grund für diese Situation ist, dass das elektrische Feld im Rohr, das mit der Spannung der Elektroden verbunden ist, primär Energie an die Elektronen überträgt, die diese durch Kollisionen an die Ionen zurückgeben. Da der Energieübertrag zwischen Elektronengas und Iongas jedoch ineffizient ist, kann ein sehr großer Temperaturunterschied entstehen. Dies ist insbesondere aufgrund der Verdünnung des Mediums. Wenn das Rohr undicht ist und der Druck steigt, verschwindet diese "ungleichgewichtige Situation" sofort. Stark an die Ionen gekoppelt, kühlt das Elektronengas sehr schnell ab. Dann diese Elektronen, weniger "aufgeregt" (die absolute Temperatur in einem Gas entspricht der thermischen Bewegung), kehren ruhig zu den Atomen zurück, die sich entionisieren, wieder neutral werden.

Das Experiment der Z-Maschine führte zu einer sehr seltsamen Situation. Es gibt zwei Arten von Teilchen:

• Das Elektronengas

• Das Iongas (im Edelstahl, hauptsächlich Eisenkerne, positiv geladen)

Seit 1998 versuchten die Leute, ihre Messungen zu erklären, hatten jedoch nur Zugang zur elektronischen Temperatur, indem sie Messungen der emittierten Röntgenstrahlen durchführten. Warum ist das Elektronengas in diesen Experimenten die Hauptquelle dieses Strahlens? Weil um das Plasma ein sehr starkes Magnetfeld vorhanden ist. Wenn die Elektronen, mit 40.000 km/s, in diese Region mit dem intensiven Magnetfeld eindringen, machen sie sich spiralförmig. Dann "schreien" sie, sie emittieren ein "Bremsspektrum". Es ist durch die Messung dieser emittierten Röntgenstrahlen, dass die Experimentatoren die Temperatur dieses Elektronengases gemessen haben: 35 Millionen Grad in den Experimenten, die in diesem Papier beschrieben werden.

Doch mit Formeln (die "Bennett-Beziehung"), wenn sie versuchten, die Temperatur zu berechnen, die die Eisenionen haben mussten, um die riesige "Magnetdruck" außerhalb des Plasmas auszugleichen, mussten sie zugeben, dass diese Temperatur beträchtlich höher sein musste. Schon 1998, egal welche Experimente durchgeführt wurden, dieser Temperaturunterschied war offensichtlich. Diese hohen Werte waren notwendig, damit das Plasma nicht sofort durch den Magnetdruck zerquetscht wurde. Man sieht, dass dies einen Zustand außerhalb des Gleichgewichts vorschlug (bei thermodynamischem Gleichgewicht sind alle Temperaturen der Komponenten eines gasförmigen Gemisches gleich), eine umgekehrte Zweitemperatur-Situation im Vergleich zum Leuchtrohr, wo diesmal das Iongas wärmer war als das Elektronengas.

Einfache Bemerkung: Was erzeugt dieses "thermodynamische Gleichgewicht"? Es sind die Energieaustausche zwischen Teilchen durch Kollisionen. Die Energie ist beispielsweise die kinetische Energie

. Warum der Index i? Weil ein Plasma eine Mischung verschiedener Arten ist, v

ist die thermische Bewegungsgeschwindigkeit und < v

die "mittlere quadratische Geschwindigkeit". So ist

die

mittlere kinetische Energie

, in der betrachteten Art. Das ist die Definition der absoluten Temperatur, die die mittlere kinetische Energie (thermische Bewegung) einer bestimmten Art gemäß der Beziehung angibt:

wobei k die Boltzmann-Konstante ist, die 1,38 10

Beträgt.

In Kollisionen tauschen die Teilchen Energie aus. Dieser Prozess tendiert zur Gleichverteilung der Energien. Wenn es sich um reine kinetische Energie handelt, streben die verschiedenen Arten dazu, gleichwertige kinetische Schwingungsenergie zu erlangen. Also gleiche absolute Temperaturen:

Seien zwei Teilchen mit unterschiedlichen Massen m

und m

und sei i das leichtere.

Die kinetische Theorie der Gase

sagt uns, dass der Energieübertrag in einer Kollision proportional zum Verhältnis

sein wird. Wenn die Massen sehr unterschiedlich sind, wird der Energieübertrag sehr gering sein. Dabei ist zu beachten, dass bei einer gegebenen Temperatur (ausreichend hoch, um das Medium ionisiert zu haben, sodass freie Elektronen vorhanden sind) die Massendifferenz dazu führt, dass die thermischen Bewegungsgeschwindigkeiten der Elektronen und Ionen sehr unterschiedlich sind. Nehmen wir den Fall eines Deuterium-Tritium-Plasmas mit einer durchschnittlichen Atommasse von 2,5 (2 für Deuterium, 3 für Tritium). Stellen wir uns vor, das Iongas sei bei 100.000.000° Grad (in einem Tokamak). Die thermische Bewegungsgeschwindigkeit wird sein:

  im Bereich von   ( 3 k T

Ein Proton wiegt 1,6 10

Kilo

Die durchschnittliche Masse der Wasserstoffionen beträgt also  1,6 10

2,5, also 4 10

Kilo

Die mittlere thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Wasserstoffionen beträgt also in einem Tokamak von 10

m/s, also

tausend Kilometer pro Sekunde

. Eine interessante Zahl, die man sich merken sollte. In einem Tokamak regelt die thermodynamische Gleichgewichtsbedingung den Zustand. Die Temperatur des Elektronengases ist gleich der der Ionen. Aber die thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen ist höher als die der Ionen, im umgekehrten Verhältnis der Quadratwurzel des Massenverhältnisses.

Die Masse eines Elektrons ist

= 0,91 10

Kilo

In einem schweren Wasserstoffplasma ist das Massenverhältnis 4400, und das Verhältnis der thermischen Bewegungsgeschwindigkeiten ist die Quadratwurzel dieses Wertes, also 66. Die thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen in einem Tokamak ist also 66 Mal höher als die der Ionen und beträgt daher 66.000 km/s, also 20 % der Lichtgeschwindigkeit. Einfache Bemerkung.

Im Eisenplasma der Z-Maschine beträgt das Massenverhältnis 100.000. In einem gleichgewichtigen Eisenplasma wäre das Verhältnis der thermischen Geschwindigkeiten zwischen Elektronen und Eisenionen 316. Doch wie wir später sehen werden, ist das Eisenplasma der Z-Maschine sehr außerhalb des Gleichgewichts. Der Unterschied zu den Leuchtrohren ist, dass diesmal die elektronische Temperatur 100 Mal niedriger ist als die der Ionen. Es handelt sich also um einen neuen Typ von Plasma

in einem umgekehrten Nichtgleichgewichtszustand

Es ist ein neues, schlecht bekanntes Medium, das erforscht werden muss. Tatsächlich ein echtes Wild-West-Gebiet für Experimentatoren und Theoretiker. Eine Z-Maschine ist vor allem ein leistungsstarker elektrischer Generator:

Die Sandia-Z-Maschine, vor 2007

( sie wurde seitdem verändert und in ZR, Z "neu gebaut", umgewandelt )

Sie liefert Impulse von 18 Millionen Ampere in 100 Nanosekunden. Eine Nanosekunde ist ein Milliardstel Sekunde. Die elektrische Stromstärke steigt linear: Stromanstiegskurve der elektrischen Stromstärke in der Z-Maschine (analog in ZR)

Die ZR-Maschine, seit 2007 in Betrieb, in der Lage, bis zu 26 Millionen Ampere zu erreichen, immer noch in 100 Nanosekunden

Die Z-Maschine sendet diesen Strom in einen "Drahtliner", eine Art Vogelkäfig, 5 cm hoch und 8 cm im Durchmesser, bestehend aus 240 Drahten aus Edelstahl, dünner als ein Haar: .

Aufbau des "Drahtliners"

In jedem Draht fließen also:

75.000 Ampere

Jeder Draht erzeugt ein Magnetfeld, das mit den benachbarten Drähten gemäß der Lorentz-Kraft I B interagiert. Diese Kräfte sind zentripetal und streben danach, alle diese Drähte entlang der Achse des Systems zu sammeln.

Die Lorentz-Kräfte streben danach, die Drähte entlang der Achse des Systems zu sammeln

Das Bild, das viel mehr bei Gerold Yonas, dem Erfinder der Maschine, hatte

Beim Zusammenstoß sublimieren die metallischen Drähte allmählich:

Formation der Plasmahülle

( Dissertation von Mathias Bavay )

Es ist die Struktur aus Drähten, die die Achsensymmetrie aufrechterhält und Instabilitäten der MHD verhindert. Die Meinungen sind geteilt über das Verhalten dieses Drahtliners während dieser Implosion. Der Draht ist von einer Plasmaschicht aus Eisen umgeben. Das Experiment zeigt, dass die Drähte eine Art "Kometenschweif" hinterlassen, der 30 % ihrer Masse darstellt.

Der Ablauf dieser Implosion kann berechnet werden (siehe unten). Der Radius dieser Käfigs beträgt 4 cm und die Zeit 100 Nanosekunden, die mittlere Konvergenzgeschwindigkeit beträgt 400 km/s. Tatsächlich gibt es eine Beschleunigung kurz vor dem Kontakt. Die Ionen-Geschwindigkeit vor dem Aufprall liegt zwischen 550 und 650 km/s. Die Aufrechterhaltung der Achsensymmetrie führt dazu, dass das Eisenplasma am Ende der Implosion einen Kordon von 1,5 mm Durchmesser bildet.

Ionen und Elektronen konvergieren mit derselben Geschwindigkeit auf die Achse. Es ist nicht möglich, zwei Populationen zu trennen, aufgrund der intensiven elektrostatischen Kräfte, die sie verbinden. Wenn diese Teilchen, Eisenionen und Elektronen, sich in der Nähe der Achse gegenseitig treffen, gibt es eine thermische Ausgleichsprozess, d.h. im Prinzip wird die kinetische Energie, die mit der radialen Geschwindigkeit verbunden ist, in alle Richtungen verteilt. Dies gilt für Ionen wie für Elektronen.

Vergessen wir zunächst die Elektronen und stellen wir uns eine Population von Objekten vor, deren Masse gleich der der Eisenionen ist, die sich in der Nähe der Achse mit 650 km/s befinden.

Die Masse der Eisenionen beträgt 9 10

Kilo

Wir schreiben:

V = 600 km/s

Wir erhalten eine ionische Temperatur von 925 Millionen Grad. Eine einfache Umrechnung dieser radialen Geschwindigkeit in die thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Ionen.

Führen wir dasselbe für die Elektronen durch, erhalten wir eine Temperatur, die 100 Mal niedriger ist, bei etwa 9250 Grad. Ein starker umgekehrter Nichtgleichgewichtszustand. Dann spielen die Kollisionen eine Rolle. Für die Ionen hat Malcolm Haines berechnet, dass die Relaxationszeit (die Zeit der thermischen Ausgleichsprozesse des Iongases, die Aufstellung einer Geschwindigkeitsverteilungsfunktion) 37 Pikosekunden beträgt, also 3,7 10

Sekunde. Diese Zeit ist klein gegenüber der "Stagnationszeit" des Plasmas, in Form eines hyperdichten und hyperheißen Kordons, der so groß wie eine Bleistiftmine ist.

Die Messungen (Röntgenstrahlung durch "Bremsspektrum", Elektron-Ion-Wechselwirkung) geben eine Temperatur von 30 Millionen Grad an. Das Elektronengas wurde also erhitzt. Dies wird später analysiert. Es ist üblich, hohe Temperaturen in Elektronenvolt zu zahlen, gemäß der Beziehung

e V = k T

mit e (Einheit der elektrischen Ladung) = 1,6 10-19 Coulomb

Wenn ein Medium eine Temperatur hat, die in "Elektronenvolt" angegeben wird, und diese Temperatur 1 "eV" beträgt, entspricht dies einer Temperatur

T = e / k = 11.600° K

Da wir in Größenordnungen rechnen, haben wir oft die Gewohnheit, Elektronenvolt in Kelvin umzurechnen, indem wir einfach

T = 10.000 V

machen. Ein "keV", ein Kilo-Elektronenvolt entspricht also 10.000°

Die Messungen der emittierten Strahlung (im Röntgenbereich) geben eine Temperatur von 30 keV an, die auf 30 Millionen Grad gerundet wird.

Ein weiteres Problem: Es stellt sich heraus, dass das Iongas 3 bis 4 Mal heißer ist als das, was man durch einfache thermische Ausgleichsprozesse erhielte. Die Temperaturmessungen geben einen Wert über 2 Milliarden Grad an, der sogar bis zu 3,7 Milliarden Grad erreicht. Woher kommt dann die Energie? Auch dies werden wir später diskutieren; .

Temperaturmessungen wurden mit der klassischen Methode der Bewertung der Spektralbandbreite durch Dopplereffekt durchgeführt. Die Kerne (wie Atome, Moleküle) emittieren Strahlung gemäß einem bestimmten Spektrum, das charakteristische Linien aufweist.

Wenn das Medium relativ kalt ist, sind diese Linien schmal.

Emissions-Spektrum des rostfreien Stahls "relativ kalt", bei einer Temperatur von 100.000 K

Wir identifizieren die Linien des Chroms (die ersten, links) und dann die des Mangan, Eisen und Nickel.

In diesem rostfreien Stahl beträgt der Kohlenstoffanteil 0,15 % des Gemisches und seine Linien sind nicht sichtbar.

Die Linien entsprechen elektronischen Anregungen. Um einen Kern kreisen Elektronen auf bestimmten Bahnen, aufgrund der Quantenmechanik (die Quantisierung der Bahnen). Eine Energiezufuhr irgendeiner Art kann eine "Übertragung" verursachen, d.h. einen Wechsel der Bahn eines der Elektronen. Dieser Wechsel erfolgt immer in Richtung der Migration der Elektronen auf eine weiter entfernte Bahn, die mehr Energie hat. Es ist nicht notwendig, komplexe Berechnungen durchzuführen, um diese Idee zu erläutern. Sie wissen sehr gut, dass um Massen M auf eine Bahn zu setzen, umso stärker die Rakete sein muss, je höher die Bahn ist. Die Energiezufuhr bringt also das Elektron auf eine "höhere" Bahn, weiter vom Kern entfernt. Es bleibt nicht lange dort (es gibt eine Lebensdauer dieser angeregten Zustände) und fällt nach einigen Nanosekunden auf eine nähere Bahn zum Kern zurück. Dabei verliert es Energie, die als Photon emittiert wird, dessen Energie der Differenz der Energie der beiden Bahnen entspricht. Daraus entsteht dieses Spektrum in "Linien".

Ein Atom wie Eisen besitzt 26 Elektronen.

Sie sind in der Lage, Bahnenwechsel vorzunehmen, zurückzukommen, nicht unbedingt auf ihre ursprüngliche Bahn. Daraus entsteht ein Spektrum mit einer Vielzahl von Linien. Einige sind höher als andere. Was entspricht dieser "Höhe der Linien"? Der Leistung, die gemäß dieser Frequenz emittiert wird. Eine Linie misst die Beiträge einer bestimmten Übergang. Einige Übergänge sind wahrscheinlicher als andere. Diese wahrscheinlicheren, häufigeren Übergänge geben den größten Teil der Strahlung. Wenn man sich das Diagramm oben ansieht, sieht man, dass für rostfreien Stahl, dessen Temperatur zwischen 58.000 (5 Elektronenvolt) und 116.000 K (10 Elektronenvolt) liegt, die stärkste Emission von einer Chromlinie stammt. Die Manganlinie ist "modest". Bei diesen Temperaturen sind die Atome bereits stark entelektronisiert. Aber es bleiben einige. Wie viele? Ich habe keinen Buch zur Hand, um Ihnen darauf zu antworten. Die Entelektronisierung ist schrittweise. Ich weiß nicht, bei welcher Temperatur man Eisen oder Chrom bringen muss, um die vollständige Entelektronisierung zu erreichen, bei der das letzte Elektron abgerissen wird. Das lässt sich übrigens berechnen. Es ist die Energie, die benötigt wird, um dieses letzte Elektron von einem Kern mit 26 positiven Ladungen abzulösen.

Was in den Sandia-Experimenten gemessen wurde, bezieht sich auf ein Spektrum der Elektronen-Excitation-Deexcitation, die um die Kerne verblieben sind.

Die Breite der Linien ist mit dem Doppler-Fizeau-Effekt verbunden.

Spektrum des gleichen Materials, auf Milliarden Grad erhitzt. Der Doppler-Effekt hat zu einer Breite der Linien geführt

Die Frequenz, die einem bestimmten Orbitalübergang (einer Linie) entspricht, ist höher, wenn das Atom sich dem Beobachter nähert und niedriger, wenn es sich entfernt (dies ist dann "Redshift"). Somit führt die thermische Bewegung

zu einer Breite der Linien

. Die Messungen, die zuverlässig waren, wurden durchgeführt und bestätigten diese hohen Werte der ionischen Temperatur, die in Milliarden Grad angegeben werden (

zwischen 2,66 und 3,7 Milliarden Grad

Ergebnisse Mai 2005 auf der Sandia-Z-Maschine.

In schwarz, der Temperaturanstieg der Ionen. In blau der Durchmesser des Plasmas.

Auf der x-Achse: die Zeit in Nanosekunden

( eine Nanosekunde entspricht einem Milliardstel Sekunde )

Der Temperaturanstieg ist kein Ereignis unter vielen. Es ist eine große wissenschaftliche Entdeckung und es ist sehr wahrscheinlich, dass sie auf unsere planetare Gesellschaft erhebliche Auswirkungen haben wird.

Die Ionen erreichen also hundertmal höhere Temperaturen als die Elektronen

. Bislang war dies die einzige mögliche Erklärung, aber diesmal konnte es gemessen werden, in vollständig reproduzierbaren Experimenten. Außerdem wächst diese ionische Temperatur im Laufe der Zeit.

Schließlich erwies sich die von dem Elektronengas emittierte Energie in Form von Röntgenstrahlung als 3-4 Mal höher als die kinetische Energie, die die Stahlstäbe des "Drahtliners" besaßen, als sie sich auf der Achse sammelten

Haines und seine Kollegen haben in dem folgenden Artikel versucht, dieses Rätsel zu lösen. Woher kam diese Energie?

Wenn die Z-Maschine in Betrieb genommen wird, verteilt sich die Energie in verschiedenen Formen. Es gibt die thermische Energie des Plasmas, die der Summe der kinetischen Energien seiner Komponenten entspricht (hauptsächlich die kinetische Energie der Eisenionen). Aber es gibt auch eine andere Energie, die schwerer zu verstehen ist:

die magnetische Energie

, die sich im gesamten Raum um den dünnen Plasmakordon auf der Achse verteilt. Haines hat also vorgeschlagen, dass "MHD-Instabilitäten" entstehen könnten, die dem Plasma ermöglichen, einen Teil dieser Energie zurückzugewinnen. Wie es in dem Artikel angemessen ist, ist diese Theorie sehr embryonal und hat keine "Simulation" hervorgebracht. Die Schlussfolgerung ist einfach "es ist nicht ausgeschlossen, dass diese Erwärmung auf diesem Phänomen zurückzuführen ist". Dabei zeigt er den schwachen kollisionshaften Zusammenhang zwischen Elektronen und Ionen, der den zeitlichen Verzögerung der Röntgenstrahlung erklärt. Das Phänomen erwärmt zuerst die Ionen, die einen Teil dieser Energie an das Elektronengas weitergeben, das dann strahlend (durch Bremsspektrum) wird. Dieser Punkt sind die Messungen (vier Punkte)

zeigen, dass das Eisenionengas weiterhin erwärmt wird

Der Maximalwert der Temperatur ist offensichtlich noch nicht erreicht. Trotzdem erreicht die Temperatur der Eisenionen 3,7 Milliarden Grad! Dreißigmal höher als die Temperatur, die Iter niemals übertreffen kann: 100 Millionen Grad.

Deeney sagte, dass er gegenüber einem solchen Ergebnis das Experiment und die Messungen mehrfach wiederholt hat, um sicherzugehen. Es ist zu beachten, dass im Titel des Artikels steht: "Mehr als zwei Milliarden Grad". Logischerweise hätten die Forscher die maximale Temperatur, 3,7 Milliarden Grad, erwähnen sollen. Nennen wir das einen Bewegung von ... Scheu, vor der Größe des erzielten Ergebnisses.

Man sollte sich daran erinnern, dass bei 500 Millionen Grad Lithium und Wasserstoff verschmelzen können, wobei Helium entsteht und keine Neutronen. Mit einer Milliarde Grad kann man eine "reine Fusion" erreichen, immer noch ohne Radioaktivität oder Abfälle (nur Helium): die von Bor und Wasserstoff. Was kann man mit 3,7 Milliarden Grad, oder sogar mehr, tun? Wenn die Temperatur der Ionen weiter ansteigt, ist es logisch zu denken, dass noch höhere ionische Temperaturen erreicht werden könnten.

Eine Bemerkung. In diesen Experimenten kann die Stromstärke, die die Z-Maschine liefert (18 bis 20 Millionen Ampere), nicht unendlich lange aufrechterhalten werden. Es ist ein Entladung: diese Stromstärke steigt mit der Zeit, erreicht ein Maximum und sinkt dann. In der Z-Maschine dauert der Impuls 100 Milliardstel Sekunde. Ein weiteres Aspekt: wenn Haines Recht hat, enthält das magnetische Umfeld des Plasmakordons eine sehr große Energie. Also, wenn man den Strom aufrechterhält, wird dieses Magnetfeld weiterhin das Plasma mit Energie versorgen und die ionische Temperatur erhöhen. Somit sind diese 3,7 Milliarden Grad kein Limit und niemand kann sagen, welche Temperatur man mit diesem Gerät erreichen könnte.

Die erste Auswirkung solcher Experimente könnte die "reine, nicht verschmutzende Fusion" sein, mit einer Mischung aus Lithium und Wasserstoff (Lithium, das in Meerwasser und Salzlake vorkommt, ist in allen Regionen der Welt vorhanden. Derzeit kostet es 59 Dollar pro Kilogramm, einschließlich Steuern). Das ist das Goldene Zeitalter der Energie (mit dem Bonus der reinen Wasserstoffbombe, nicht teuer, für alle). Wenn dies bestätigt wird, kann kein Land der Welt behaupten, "die Lithiumvorräte der Erde zu besitzen". Da Lithium in Meerwasser vorhanden ist, sind diese planetaren Vorräte a priori unendlich.

Da die Temperatur in einer Supernova zehn Milliarden Grad beträgt und diese durch Fusionen in der Lage ist, alle Atome des Mendelejev-Tabellen (und ihre radioaktiven Isotope mit unterschiedlichen Lebensdauern) zu erzeugen, wenn eine "aufgeblasene" Z-Maschine eines Tages zehn Milliarden Grad erreicht, hat man in Laboratorien die höchsten Temperaturen erreicht, die die Natur im Kosmos realisieren kann. Dieser Fortschritt stellt also einen drastischen Wandel in der Kernphysik und in unserer Physik insgesamt dar.

Bislang war man mit "Glut" zufrieden. Dieser Schritt stellt wirklich die Erfindung des nuklearen Feuers dar

Für Nichtwissenschaftler

Leser fragen, ob diese ionischen Temperaturen über zwei Milliarden Grad tatsächlich gemessen wurden. Die Antwort ist ja. Allerdings war ein verwirrender Phänomen bereits 1998 in den Plasmapressungsexperimenten mit der Z-Maschine beobachtet worden. Diese Experimente betrafen verschiedene Aufbauten. In einem Beispiel wurde bei der Implosion der "Vogelkäfig" ein "Gaspuff", eine "Gaszufuhr" direkt in die Mitte gesendet, die dann komprimiert wurde. Die Röntgenstrahlung ermöglichte die Messung der elektronischen Temperatur. Ein Plasma ist ein "Zweispiegel-Mischung": die Ionen, schwer und die Elektronen, leicht. In einem "Eisenplasma", in "ionisiertem Eisen" sind die Kerne

(56 Nukleonen, 26 Protonen) 100.000 Mal schwerer als die Elektronen (die Kerne bestehen aus "Nukleonen" mit sehr ähnlichen Massen: Protonen und Elektronen. Ein Elektron ist 1850 Mal leichter als ein Proton).

Ein Neonrohr enthält auch "diese beiden Spiegel", die Elektronen und die Neonionen (selbst wenn diese in diesem Fall nicht vollständig von ihrem "Elektronenschutz" befreit wurden). Wenn das Rohr in Betrieb ist, enthält es eine "Zweitemperatur-Mischung", bei der die Gase aus Atomen, die Neonionen kalt bleiben. (Sie können das Rohr mit der Hand berühren), aber das "Elektronengas" ist viel heißer, auf 10.000°. Warum spüren Sie diese Wärme nicht mit der Hand? Weil die Elektronen, die armen Dinger, zu sparsam sind, um Ihnen Energie, Wärme zu geben. Im Gegenteil, sie haben genug Energie, um durch Kollisionen das fluoreszierende Beschichtung zu erregen, das das Innere des Rohrs auskleidet. Deshalb werden sie als

Leuchtrohre

bezeichnet. Fluoreszenz ist die Fähigkeit, Strahlung zu absorbieren und sie in einer anderen Frequenz wieder abzugeben. So absorbiert die Fluorescein Sonnenstrahlung und emittiert sie im Grün. Nylonhemden können UV-Strahlung absorbieren und im Sichtbaren emittieren (das ist die "schwarze Licht" in trendigen Diskotheken) usw. Diese weiße Beschichtung des Neonrohrs wird von Elektronen mit Energien bombardiert, die dem UV-Bereich entsprechen, aber wenn sie die Substanzen, die die Beschichtung bilden, treffen, verursachen sie eine Wiederemission im Sichtbaren. Diese Beschichtung ist so zusammengesetzt, dass die Lichtemission so nahe wie möglich an das sichtbare Licht liegt. Aber das ist nicht ganz der Fall. Deshalb erscheint das Licht der Neonröhren Ihnen so "seltsam".

Das Wichtige zu merken ist, dass es "Zweitemperatur-Medien" geben kann. Der Grund für diese Situation ist, dass das elektrische Feld im Rohr, das mit der Spannung der Elektroden verbunden ist, primär Energie an die Elektronen überträgt, die diese durch Kollisionen an die Ionen zurückgeben. Da der Energieübertrag zwischen Elektronengas und Iongas jedoch ineffizient ist, kann ein sehr großer Temperaturunterschied entstehen. Dies ist insbesondere aufgrund der Verdünnung des Mediums. Wenn das Rohr undicht ist und der Druck steigt, verschwindet diese "ungleichgewichtige Situation" sofort. Stark an die Ionen gekoppelt, kühlt das Elektronengas sehr schnell ab. Dann diese Elektronen, weniger "aufgeregt" (die absolute Temperatur in einem Gas entspricht der thermischen Bewegung), kehren ruhig zu den Atomen zurück, die sich entionisieren, wieder neutral werden.

Das Experiment der Z-Maschine führte zu einer sehr seltsamen Situation. Es gibt zwei Arten von Teilchen:

• Das Elektronengas

• Das Iongas (im Edelstahl, hauptsächlich Eisenkerne, positiv geladen)

Seit 1998 versuchten die Leute, ihre Messungen zu erklären, hatten jedoch nur Zugang zur elektronischen Temperatur, indem sie Messungen der emittierten Röntgenstrahlen durchführten. Warum ist das Elektronengas in diesen Experimenten die Hauptquelle dieses Strahlens? Weil um das Plasma ein sehr starkes Magnetfeld vorhanden ist. Wenn die Elektronen, mit 40.000 km/s, in diese Region mit dem intensiven Magnetfeld eindringen, machen sie sich spiralförmig. Dann "schreien" sie, sie emittieren ein "Bremsspektrum". Es ist durch die Messung dieser emittierten Röntgenstrahlen, dass die Experimentatoren die Temperatur dieses Elektronengases gemessen haben: 35 Millionen Grad in den Experimenten, die in diesem Papier beschrieben werden.

Doch mit Formeln (die "Bennett-Beziehung"), wenn sie versuchten, die Temperatur zu berechnen, die die Eisenionen haben mussten, um die riesige "Magnetdruck" außerhalb des Plasmas auszugleichen, mussten sie zugeben, dass diese Temperatur beträchtlich höher sein musste. Schon 1998, egal welche Experimente durchgeführt wurden, dieser Temperaturunterschied war offensichtlich. Diese hohen Werte waren notwendig, damit das Plasma nicht sofort durch den Magnetdruck zerquetscht wurde. Man sieht, dass dies einen Zustand außerhalb des Gleichgewichts vorschlug (bei thermodynamischem Gleichgewicht sind alle Temperaturen der Komponenten eines gasförmigen Gemisches gleich), eine umgekehrte Zweitemperatur-Situation im Vergleich zum Leuchtrohr, wo diesmal das Iongas wärmer war als das Elektronengas.

Einfache Bemerkung: Was erzeugt dieses "thermodynamische Gleichgewicht"? Es sind die Energieaustausche zwischen Teilchen durch Kollisionen. Die Energie ist beispielsweise die kinetische Energie

. Warum der Index i? Weil ein Plasma eine Mischung verschiedener Arten ist, v

ist die thermische Bewegungsgeschwindigkeit und < v

die "mittlere quadratische Geschwindigkeit". So ist

die

mittlere kinetische Energie

, in der betrachteten Art. Das ist die Definition der absoluten Temperatur, die die mittlere kinetische Energie (thermische Bewegung) einer bestimmten Art gemäß der Beziehung angibt:

wobei k die Boltzmann-Konstante ist, die 1,38 10

Beträgt.

In Kollisionen tauschen die Teilchen Energie aus. Dieser Prozess tendiert zur Gleichverteilung der Energien. Wenn es sich um reine kinetische Energie handelt, streben die verschiedenen Arten dazu, gleichwertige kinetische Schwingungsenergie zu erlangen. Also gleiche absolute Temperaturen:

Seien zwei Teilchen mit unterschiedlichen Massen m

und m

und sei i das leichtere.

Die kinetische Theorie der Gase

er sagte, dass der Energieübertragungsgrad bei einer Kollision proportional zum Verhältnis sein wird

Wenn die Massen sehr unterschiedlich sind, stellt man fest, dass bei einer bestimmten Temperatur (ausreichend, um das Medium ionisiert zu haben, mit freien Elektronen) die Massendifferenz dazu führt, dass die thermischen Geschwindigkeiten der Elektronen und Ionen sehr unterschiedlich sind. Nehmen wir den Fall eines Deuterium-Tritium-Plasmas mit einer durchschnittlichen Atommasse von 2,5 (2 für Deuterium, 3 für Tritium). Stellen wir uns vor, dass das Ionen-Gas bei 100.000.000° Celsius ist (in einem Tokamak). Die thermische Bewegungsgeschwindigkeit wird sein:

etwa (3 k T

Ein Proton wiegt 1,6 10

Kilo

Die durchschnittliche Masse der Wasserstoff-Ionen beträgt also 1,6 10

2,5, also 4 10

Kilo

Die durchschnittliche thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Wasserstoff-Ionen beträgt also in einem Tokamak 10

m/s, also

tausend Kilometer pro Sekunde

. Eine interessante Zahl, die man sich merken sollte. In einem Tokamak regelt die thermodynamische Gleichgewichtsbedingung den Zustand. Die Temperatur des Elektronengases ist dieselbe wie die der Ionen. Aber die thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen ist höher als die der Ionen, im umgekehrten Verhältnis zur Quadratwurzel des Massenverhältnisses.

Die Masse eines Elektrons ist

= 0,91 10

Kilo

In einem schweren Wasserstoffplasma beträgt das Massenverhältnis 4400, und das Verhältnis der thermischen Bewegungsgeschwindigkeiten entspricht der Quadratwurzel dieses Wertes, also 66. Die thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen in einem Tokamak ist also 66-mal höher als die der Ionen und beträgt daher 66.000 km/s, was 20 % der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Eine einfache Bemerkung.

Im Plasma von Eisen in den Z-Maschinen beträgt das Massenverhältnis 100.000. In einem gleichgewichteten Eisenplasma wäre das Verhältnis der thermischen Geschwindigkeiten zwischen Elektronen und Eisen-Ionen 316. Aber wie wir später sehen werden, ist das Plasma der Z-Maschine sehr außerhalb des Gleichgewichts. Der Unterschied zu den Leuchtstoffröhren besteht darin, dass diesmal die elektronische Temperatur 100-mal niedriger ist als die der Ionen. Es handelt sich also um einen neuen Typ von Plasma

in einem umgekehrten Nicht-Gleichgewichts-Zustand

Es ist ein neues Medium, das noch nicht gut bekannt ist und erforscht werden muss. Tatsächlich ein echtes Wild-West-Land für Experimentatoren und Theoretiker. Eine Z-Maschine ist vor allem ein leistungsstarker elektrischer Generator:

Die Z-Maschine von Sandia, vor 2007

( sie wurde später geändert und in ZR, Z "refurbished" umgewandelt )

Sie liefert Impulse von 18 Millionen Ampere in 100 Nanosekunden. Eine Nanosekunde ist ein Milliardstel Sekunde. Die elektrische Stromstärke steigt linear: Stromanstiegskurve in der Z-Maschine ( analog in ZR )

Die ZR-Maschine, seit 2007 in Betrieb, mit einer Stromstärke von 26 Millionen Ampere, immer noch in 100 Nanosekunden

Die Z-Maschine leitet diesen Strom in einen "Fadenring", eine Art Käfig aus Fäden, 5 cm hoch und 8 cm im Durchmesser, bestehend aus 240 Fäden aus Edelstahl, dünner als ein Haar: .

Aufbau des "Fadenrings"

In jedem Faden fließen also:

75.000 Ampere

Jeder Faden erzeugt ein Magnetfeld, das mit den benachbarten Fäden gemäß der Lorentz-Kraft I B interagiert. Diese Kräfte sind zentripetal und streben danach, alle diese Fäden entlang der Achse des Systems zusammenzubringen.

Die Lorentz-Kräfte streben danach, die Fäden entlang der Achse des Systems zusammenzubringen

Das Bild, das viel mehr bei Gerold Yonas hatte, dem Erfinder der Maschine

Beim Zusammenfließen sublimieren die metallischen Fäden allmählich:

Bildung der Plasmahülle

( Dissertation von Mathias Bavay )

Es ist die Struktur aus Fäden, die die Achsensymmetrie aufrechterhält und Instabilitäten der MHD verhindert. Die Meinungen sind geteilt über das Verhalten dieses Fadenrings während dieser Implosion. Jeder Faden ist von einer Eisen-Plasma-Schicht umgeben. Die Erfahrung zeigt, dass die Fäden eine Art „Kometenschweif“ hinterlassen, der 30 % ihrer Masse darstellt.

Der Implosionsverlauf kann berechnet werden (siehe unten). Der Radius dieses Käfigs beträgt 4 cm und die Zeit 100 Nanosekunden, die durchschnittliche Konvergenzgeschwindigkeit beträgt also 400 km/s. Tatsächlich gibt es eine Beschleunigung kurz vor dem Kontakt. Die Ionen-Geschwindigkeit vor dem Aufprall liegt zwischen 550 und 650 km/s. Die Aufrechterhaltung der Achsensymmetrie führt dazu, dass das Eisen-Plasma am Ende der Implosion einen Faden von 1,5 mm Durchmesser bildet.

Ionen und Elektronen konvergieren mit derselben Geschwindigkeit in Richtung der Achse. Es ist nicht möglich, zwei Populationen zu trennen, aufgrund der starken elektrostatischen Kräfte, die sie verbinden. Wenn diese Teilchen, Eisen-Ionen und Elektronen, sich in der Nähe der Achse gegenseitig treffen, erfolgt eine thermische Ausgleichsprozess, d.h. im Prinzip wird die kinetische Energie, die mit der radialen Geschwindigkeit verbunden ist, in alle Richtungen verteilt. Dies gilt sowohl für Ionen als auch für Elektronen.

Vergessen wir zunächst die Elektronen und stellen wir uns eine Population von Objekten mit einer Masse gleich der von Eisen-Ionen vor, die sich in der Nähe der Achse mit 650 km/s befindet.

Die Masse der Eisen-Ionen beträgt 9 10

Kilo

Wir schreiben:

V = 600 km/s

Wir erhalten eine ionische Temperatur von 925 Millionen Grad. Eine einfache Umrechnung dieser radialen Geschwindigkeit in die thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Ionen.

Führen wir dieselbe Berechnung für die Elektronen durch, erhalten wir eine Temperatur, die tausendmal niedriger ist, etwa 9250 Grad. Ein starker Zustand eines umgekehrten Nicht-Gleichgewichts. Die Kollisionen spielen nun eine Rolle. Für die Ionen hat Malcom Haines berechnet, dass die Relaxationszeit (die Zeit der thermischen Ausgleichsprozesse des Ionen-Gases, die Aufstellung einer Geschwindigkeitsverteilungsfunktion) 37 Pikosekunden beträgt, also 3,7 10

Sekunde. Diese Zeit ist klein gegenüber der „Stagnationszeit“ des Plasmas, in Form eines hyperdichten und hyperheißen Fadens, der so groß wie eine Bleistiftspitze ist.

Die Messungen (Röntgenstrahlung durch Bremsstrahlung, Elektron-Ion-Interaktion) geben eine Temperatur von 30 Millionen Grad an. Das Elektronengas wurde also erhitzt. Dieses Phänomen werden wir später analysieren. Es ist üblich, hohe Temperaturen in Elektronenvolt zu ziffern, gemäß der Beziehung

e V = k T

mit e (Einheit der elektrischen Ladung) = 1,6 10-19 Coulomb

Wenn ein Medium eine Temperatur hat, die in „Elektronenvolt“ umgerechnet wird, und dies entspricht einem „eV“, dann entspricht dies einer Temperatur

T = e / k = 11.600° K

Da wir in Größenordnungen rechnen, ist es üblich, Elektronenvolt in Kelvin umzurechnen, indem man einfach

T = 10.000 V

macht. Somit entspricht ein „keV“, ein Kilo-Elektronenvolt, 10.000°.

Die Messungen der abgegebenen Strahlung (im Röntgenbereich) ergeben eine Temperatur von 30 keV, die auf 30 Millionen Grad abgerundet wird.

Ein weiteres Problem: Es stellt sich heraus, dass das Ionen-Gas 3 bis 4 Mal heißer ist als das, was man durch einfache thermische Ausgleichsprozesse erwartet hätte. Die Temperaturmessungen ergeben einen Wert über 2 Milliarden Grad, der sogar bis zu 3,7 Milliarden Grad ansteigen kann. Woher kommt dann die Energie? Auch darüber werden wir später sprechen; .

Temperaturmessungen wurden mit der klassischen Methode der Bewertung der Spektral-Linienverbreiterung durch den Dopplereffekt durchgeführt. Die Kerne (wie Atome, Moleküle) emittieren Strahlung gemäß einem bestimmten Spektrum, das charakteristische Linien aufweist.

Wenn das Medium relativ kalt ist, sind diese Linien schmal.

Emissions-Spektrum von rostfreiem Stahl „relativ kalt“, aufgeheizt auf eine Temperatur von 100.000° K

Wir identifizieren die Linien des Chroms (die ersten, links) und dann die des Mangan, Eisen und Nickel.

In diesem rostfreien Stahl beträgt der Kohlenstoffanteil 0,15 % des Gemisches und seine Linien sind nicht sichtbar.

Die Linien entsprechen elektronischen Anregungen. Um einen Kern kreisen Elektronen auf bestimmten Bahnen, aufgrund der Quantenmechanik (die Quantisierung der Bahnen). Eine Energiezufuhr irgendeiner Art kann eine „Übergang“ verursachen, d.h. eine Änderung der Bahn eines Elektrons. Dieser Übergang erfolgt immer in Richtung der Migration der Elektronen auf eine weiter entfernte Bahn, die mehr Energie darstellt. Es ist nicht nötig, komplexe Berechnungen anzustellen, um diese Idee zu erörtern. Sie wissen sehr gut, dass um Massen M auf eine Bahn zu setzen, je höher diese Bahn ist, desto stärker der Rakete benötigt wird. Die Energiezufuhr bringt also das Elektron auf eine „höhere“ Bahn, weiter vom Kern entfernt. Es bleibt nicht lange dort (es gibt eine Lebensdauer dieser angeregten Zustände) und fällt nach einigen Nanosekunden schnell auf eine nähere Bahn zum Kern zurück. Dabei verliert es Energie, die als Photon emittiert wird, dessen Energie der Differenz der Energie der beiden Bahnen entspricht. Daher dieses Spektrum in „Linien“.

Ein Atom wie Eisen hat 26 Elektronen.

Sie sind in der Lage, Bahnen zu wechseln, zurückzukommen, nicht unbedingt auf ihre ursprüngliche Bahn. Daher ein Spektrum, bestehend aus einer Vielzahl von Linien. Einige sind höher als andere. Was entspricht dieser „Höhe der Linien“? Der Leistung, die gemäß dieser Frequenz emittiert wird. Eine Linie misst die Beiträge einer bestimmten Übergang. Einige Übergänge sind wahrscheinlicher als andere. Es sind diese wahrscheinlichsten Übergänge, also häufigen, die den Großteil der Strahlung liefern. Wenn man sich das obige Bild ansieht, sieht man, dass für rostfreien Stahl, dessen Temperatur zwischen 58.000 (5 Elektronenvolt) und 116.000° K (10 Elektronenvolt) liegt, die stärkste Emission von einer Chrom-Linie stammt. Die Mangan-Linie ist „modest“. Bei diesen Temperaturen sind die Atome bereits sehr weit von ihren Elektronen entfernt. Aber sie bleiben. Wie viele? Ich habe keinen Buch zur Hand, um Ihnen darauf zu antworten. Das Entfernen der Elektronen erfolgt schrittweise. Ich weiß nicht, bei welcher Temperatur man Eisen oder Chrom aufheizen muss, um das vollständige Entfernen der Elektronen zu erreichen, das letzte Elektron zu entfernen. Das lässt sich übrigens berechnen. Es ist die Energie, die benötigt wird, um dieses letzte Elektron von einem Kern mit 26 positiven Ladungen zu entfernen.

Was in den Sandia-Experimenten gemessen wurde, bezieht sich auf ein Spektrum der Elektronen-Exzitation und -Desexcitation, die um die Kerne verblieben sind.

Die Linienverbreiterung ist mit dem Doppler-Fizeau-Effekt verbunden.

Spektrum des gleichen Materials, auf Milliarden von Grad erhitzt. Der Doppler-Effekt hat zu einer Verbreiterung der Linien geführt

Die Frequenz, die einem bestimmten Bahnsprung (einer Linie) entspricht, ist höher, wenn das Atom sich dem Beobachter nähert und niedriger, wenn es sich entfernt (dies ist dann „Redshift“). Somit führt die thermische Bewegung

die Linienverbreiterung

. Die Messungen, die zuverlässig sind, wurden durchgeführt und bestätigten diese hohen Werte der ionischen Temperatur, die in Milliarden von Grad angegeben werden (zwischen 2,66 und 3,7 Milliarden Grad).

Ergebnisse Mai 2005 auf der Sandia-Z-Maschine.

In schwarz, die Temperaturanstieg der Ionen. In blau, der Durchmesser des Plasmas.

Auf der x-Achse: die Zeit in Nanosekunden

( eine Nanosekunde entspricht einem Milliardstel Sekunde )

Der Temperaturanstieg ist kein Ereignis unter vielen. Es ist eine große wissenschaftliche Entdeckung und es ist sehr wahrscheinlich, dass sie auf unsere planetare Gesellschaft große Auswirkungen haben wird.

Die Ionen erreichen also hundertmal höhere Temperaturen als die Elektronen

. Bislang war dies die einzige mögliche Erklärung, aber diesmal konnte es gemessen werden, in vollständig reproduzierbaren Experimenten. Außerdem wächst diese ionische Temperatur mit der Zeit.

Schließlich hat sich die von dem Elektronengas emittierte Energie, in Form von Röntgenstrahlung, als 3 bis 4 Mal höher erwiesen als die kinetische Energie, die die Stahlstäbe des „Fadenrings“ besaßen, als sie sich auf der Achse zusammenfanden

Haines und seine Kollegen haben in dem folgenden Papier versucht, dieses Rätsel zu entschlüsseln. Woher kam diese Energie?

Wenn man die Z-Maschine in Betrieb nimmt, verteilt sich die Energie in verschiedenen Formen. Es gibt die thermische Energie des Plasmas, die der Summe der kinetischen Energien seiner Komponenten entspricht (hauptsächlich die kinetische Energie der Eisen-Ionen). Aber es gibt auch eine andere Energie, schwerer zu verstehen:

die magnetische Energie

, die sich im gesamten Raum um den dünnen Plasmastab auf der Achse verteilt. Haines hat also vorgeschlagen, dass „MHD-Instabilitäten“ entstehen könnten, die dem Plasma ermöglichen, einen Teil dieser Energie zurückzugewinnen. Wie in dem Artikel erwähnt, ist diese Theorie sehr embryonal und hat keine „Simulation“ hervorgebracht. Die Schlussfolgerung ist einfach „es ist nicht ausgeschlossen, dass dieser Erwärmungsvorgang auf diesem Phänomen zurückzuführen ist“. Dabei zeigt er nebenbei den schwachen kollisionshaften Zusammenhang zwischen Elektronen und Ionen, der den zeitlichen Verzögerung der Röntgenstrahlung erklärt. Das Phänomen erwärmt zunächst die Ionen, die dann einen Teil dieser Energie an das Elektronengas weitergeben, das dann strahlend (durch Bremsstrahlung) wird. Dieser Punkt, die Messungen (vier Punkte)

zeigen, dass das Eisen-Ionen-Gas weiterhin erwärmt wird

Der maximale Temperaturwert ist offensichtlich noch nicht erreicht. Trotzdem erreicht die Temperatur der Eisen-Ionen 3,7 Milliarden Grad! Dreißigmal höher als die Temperatur, die Iter niemals übertreffen kann: 100 Millionen Grad.

Deeney sagte, dass er gegenüber diesem Ergebnis das Experiment und die Messungen mehrfach wiederholt hat, um sicherzugehen. Es ist zu beachten, dass im Titel des Artikels steht: „mehr als zwei Milliarden Grad“. Logischerweise hätten die Forscher die maximale Wert, von 3,7 Milliarden Grad, erwähnen sollen. Nennen wir das einen Bewegung von ... Scheu, gegenüber der Größenordnung des erzielten Ergebnisses.

Man sollte sich daran erinnern, dass man mit 500 Millionen Grad Lithium und Wasserstoff verschmelzen kann, wobei Helium entsteht und keine Neutronen. Mit einer Milliarde Grad kann man eine Sekunde „reine Fusion“ erreichen, immer noch ohne Radioaktivität oder Abfälle (nur Helium): die der Bor- und Wasserstofffusion. Was kann man mit 3,7 Milliarden Grad, oder sogar mehr, tun? Wenn die Temperatur der Ionen weiter ansteigt, ist es logisch zu denken, dass noch höhere ionische Temperaturen erreicht werden könnten.

Eine Bemerkung. In diesen Experimenten kann die elektrische Stromstärke, die die Z-Maschine abgibt (18 bis 20 Millionen Ampere), nicht unbegrenzt aufrechterhalten werden. Es ist ein Entladevorgang: diese Stromstärke steigt mit der Zeit, erreicht ein Maximum und fällt dann ab. In der Z-Maschine dauert der Impuls 100 Milliardstel Sekunde. Ein weiteres Aspekt: wenn Haines recht hat, enthält das magnetische Umfeld des Plasmastabs eine sehr große Energie. Daher, wenn man den Strom aufrechterhält, wird dieses Magnetfeld weiterhin das Plasma mit Energie versorgen und die ionische Temperatur erhöhen. Somit sind diese 3,7 Milliarden Grad nicht das Maximum und niemand kann sagen, welche Temperatur man mit diesem Gerät erreichen könnte.

Die erste Auswirkung solcher Experimente könnte die „reine, nicht-polluierende Fusion“ sein, mit einer Mischung aus Lithium und Wasserstoff (Lithium, das in Meereswasser und Salzlake vorkommt, ist in allen Regionen der Welt vorhanden. Derzeit kostet es 59 Dollar pro Kilogramm, einschließlich Steuern). Es ist das Goldene Zeitalter der Energie (mit zusätzlich der Wasserstoffbombe, reine Fusion, nicht teuer, für alle). Wenn all dies bestätigt wird, könnte kein Land der Welt behaupten, „die Lithiumvorräte des Planeten zu besitzen“. Da Lithium in Meereswasser vorhanden ist, sind diese planetaren Vorräte a priori unerschöpflich.

Da die Temperatur in einer Supernova zehn Milliarden Grad beträgt und diese durch Fusion-Reaktionen alle Atome des Mendelejev-Periodensystems (und ihre radioaktiven Isotope mit unterschiedlichen Halbwertszeiten) erzeugt, wenn eine „aufgeblasene“ Z-Maschine eines Tages 10 Milliarden Grad erreicht, hat man in der Laborumgebung die höchsten Temperaturen erreicht, die die Natur im Kosmos realisieren kann. Dieser Fortschritt stellt also eine grundlegende Veränderung in der Kernphysik und unserer Physik insgesamt dar.

Bislang war man mit „Glut“ zufrieden. Dieser Schritt stellt wirklich die Erfindung des nuklearen Feuers dar

Im Folgenden der Beginn des Artikels von Haines, Deeney und anderen:

**Übersetzen Sie den Titel **:

**Viskose Erwärmung der Ionen in einem instabilen magnetohydrodynamischen Pinch, eine Temperatur von mehr als 2 x 109 **K

Dann die Zusammenfassung :

Zusammengesetzte Systeme aus Metallfäden, stark konzentriert entlang der Symmetrieachse des Systems, sind die leistungsstärksten Röntgenstrahlungsquellen in der Laborumgebung. Doch zusätzlich kann man in bestimmten Bedingungen eine „weiche“ Röntgenstrahlung beobachten, die in einem Impuls von 5 Nanosekunden emittiert wird, zum Zeitpunkt, an dem die maximale Kompression erreicht wird (Stagnation)

, die eine Energie übertreffen, die 3 bis 4 Mal höher ist als die anfängliche kinetische Energie

. Ein theoretisches Modell wird entwickelt, um dieses Phänomen zu erklären, indem es auf eine schnelle Umwandlung magnetischer Energie zurückführt, die die Ionen auf eine sehr hohe Temperatur bringt, durch Phänomene von MHD-Instabilitäten des Typs m = 0, mit schnellem Wachstum. Dann gibt es eine nichtlineare Sättigung und eine viskose Erwärmung des Ionen-Gases. Diese Energie, zunächst an die Ionen übertragen, wird anschließend durch einfache Gleichverteilung, Ionen-Elektronen-Kollisionen, an die Elektronen weitergegeben, und diese strahlen dann weiche Röntgenstrahlung ab. Kürzlich wurden in Sandia Spektren erhalten, die sich über die Zeit erstreckten, und diese Messungen bestätigten eine ionische Temperatur von 200 keV (2

Grad), im Einklang mit dieser Theorie. Man erreicht damit einen Rekord für eine magnetisch eingeschlossene Plasmas.

Haines und seine Mitautoren beginnen damit, das Problem zu erinnern. Es ist nicht gelungen, zu erklären, wie die von dem Plasma freigesetzte Energie 3 oder 4 Mal höher sein konnte als die kinetische „einfallende“ Energie, also die Summe der 1/2 mV2 der Metallatome, die in Richtung der Achse aufeinanderprallten und dort ihren Lauf beendeten, wobei diese kinetische Energie in thermische Energie umgewandelt wurde. Wenn man die Daten analysiert, stimmt das Konto nicht. Es kommt mehr Energie heraus, als hineingeht, und sie muss irgendwoher kommen. Haines denkt dann an die magnetische Energie. Was ist damit?

Wenn man einen Liner aus Fäden (240) betrachtet und einen Strom durch ihn leitet, kann man die Stärke des azimutalen Magnetfeldes berechnen, das von den anderen Fäden erzeugt wird. Dieser Faden erfährt eine Lorentz-Kraft J x B. Es ist einfach zu zeigen, dass diese Kraft dieselbe ist wie die, die durch einen linearen Leiter erzeugt wird, der entlang der Achse angeordnet ist und durch den der gesamte Strom fließt (in der Sandia-Experiment: 20 Millionen Ampere).

Das ist auch die Methode, um den Wert des äußeren Feldes zu berechnen, modulo der Annahme, dass man dieses Feld als von Fäden mit unendlicher Länge erzeugt betrachten kann, was nicht der Fall ist. Das gibt also nur grobe Größenordnungen. Diesem magnetischen Feld ist eine magnetische Druckkraft zugeordnet, die, wenn sie in Newton pro Quadratmeter ausgedrückt wird, auch Joule pro Kubikmeter entspricht. Der magnetische Druck ist eine Volumendichte der Energie. Wir bewerten jene, die durch einen unendlich langen linearen Leiter erzeugt wird.

Man kann, in der Nähe der Faden-Schicht, wo man diese Berechnungsmethode in erster Näherung anwenden kann, die lokale magnetische Energie zwischen einem Zylinder mit Radius r und einem Zylinder mit Radius dr berechnen

Sei rmin der minimale Radius des Plasmas. Es hat offensichtlich keinen Sinn, diese Ausdruck von dieser Wert bis ins Unendliche zu integrieren, da sie nur für lineare Leiter gilt, deren Länge als unendlich betrachtet werden kann. Aber, wenn man schreibt:

sieht man, dass je näher das Metall-Atom-Paket sich der Achse des Systems befindet, desto größer ist die Energie, die in Form von magnetischem Druck in der Nähe des Objekts gebildet wird. Haines sieht also darin die Energiequelle, die die Temperatur der Ionen erhöhen kann, die bereits ihre kinetische Energie in Form von thermischer Bewegungsenergie umgewandelt haben. Wenn V die radiale Geschwindigkeit der Ionen zum Zeitpunkt des Aufpralls, der „Stagnation“ ist, kann man diese thermische Bewegungsgeschwindigkeit einfach wie folgt bewerten:

Die Anwendung dieser Formel setzt voraus, dass „das Eisen-Ionen-Gas“ „thermisch“ ist, dass es eine Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung erlangt hat. Aber wie Haines später zeigen wird, ist die Relaxationszeit in diesem Medium sehr gering.

tii, Relaxationszeit im ionischen Medium: 37 Pikosekunden (Haines)

Hinzu kommt, dass der Energie-Kopplung mit dem Elektronengas auch sehr gering ist. Außerdem kann die umverteilte Energie nur in Form kinetischer Energie (thermische Bewegungsenergie der Ionen und Elektronen) erfolgen. Diese Formel, sehr einfach, ist also gültig. Schließlich, sofern man annimmt, dass das Ionen-Gas nicht durch eine andere Energiequelle versorgt wird, und wir werden später sehen, dass dies der Fall ist.

Mit einer Geschwindigkeit von 1000 km/s würde man tatsächlich 2 Milliarden Grad erreichen. Wann wechselt das System von der Konfiguration „verschiedene Fäden“ zur Konfiguration „Plasmakrone“? Das Papier sagt es nicht. Mit einem Liner von 4 cm Radius und einer Implosionszeit von 100 Nanosekunden erhält man eine durchschnittliche radiale Geschwindigkeit von 400 km/s, minimal. Das Eisen-Atom wiegt 9 10-26 Kilogramm, aber wenn es die Geschwindigkeit der Ionen zum Zeitpunkt des Aufpralls ist, erhält man immer noch 348 Millionen Grad. Das ist nur eine Durchschnittsgeschwindigkeit. Wenn man die Bewegungsgleichung aufstellt, hat man eine spektakuläre Beschleunigung am Ende. Man muss auch bedenken, dass der Strom nicht konstant ist. I steigt mit der Zeit. Man hat:

M stellt die Masse des Liners pro Meter dar. Man sieht, dass am Ende des Entladungsprozesses und am Ende der Bewegung die Beschleunigung zunimmt. Die Geschwindigkeit steigt. Haines schreibt:

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.

Eine Schwierigkeit ist aufgetreten, um zu verstehen, wie die abgestrahlte Energie in einer Z-Pinch-Implosion mit Drahtarray bis zu 4-mal die kinetische Energie betragen konnte [1– 4], und auch, wie der Plasmapressur ausreichen konnte, um die magnetische Druck auszugleichen, wenn die ionische und elektronische Temperaturen gleich waren. Tatsächlich theoretisch sollte der überschüssige magnetische Druck den Plasma weiter komprimieren, was zu einem strahlenden Kollaps führen würde. Einige Theorien [5,6] wurden entwickelt, um diesen zusätzlichen Erwärmungsvorgang zu erklären, aber keine von ihnen hat den Druckungleichgewicht behandelt.

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.

Eine Schwierigkeit ist aufgetreten, um zu verstehen, wie die abgestrahlte Energie in einer Z-Pinch-Implosion mit Drahtarray bis zu 4-mal die kinetische Energie betragen konnte [1– 4], und auch, wie der Plasmapressur ausreichen konnte, um die magnetische Druck auszugleichen, wenn die ionische und elektronische Temperaturen gleich waren. Tatsächlich theoretisch sollte der überschüssige magnetische Druck den Plasma weiter komprimieren, was zu einem strahlenden Kollaps führen würde. Einige Theorien [5,6] wurden entwickelt, um diesen zusätzlichen Erwärmungsvorgang zu erklären, aber keine von ihnen hat den Druckungleichgewicht behandelt.

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.

Eine Schwierigkeit ist aufgetreten, um zu verstehen, wie die abgestrahlte Energie in einer Z-Pinch-Implosion mit Drahtarray bis zu 4-mal die kinetische Energie betragen konnte [1– 4], und auch, wie der Plasmapressur ausreichen konnte, um die magnetische Druck auszugleichen, wenn die ionische und elektronische Temperaturen gleich waren. Tatsächlich theoretisch sollte der überschüssige magnetische Druck den Plasma weiter komprimieren, was zu einem strahlenden Kollaps führen würde. Einige Theorien [5,6] wurden entwickelt, um diesen zusätzlichen Erwärmungsvorgang zu erklären, aber keine von ihnen hat den Druckungleichgewicht behandelt.

Blick auf die zitierten Referenzen:

[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,

Die Referenz (1) geht auf das Jahr 1997 zurück. Also, bereits zu dieser Zeit war dieses unerklärte Phänomen bereits beobachtet worden. Deeney ist der Leiter der Experimente an der Z-Maschine. Ich habe diese Artikel nicht gelesen. Wenn Leute sie mir als PDF senden könnten, könnte ich sie durchgehen und zusätzliche Kommentare geben.

Springen wir direkt zu den Schlussfolgerungen des Artikels:

**
| In conclusion, it appears that short wavelength

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

Zusammenfassend scheint es, dass kurzwellige m = 0 MHD-Unstabilitäten bei Stagnation in Implosionen mit geringer Masse eine schnelle viskose Erwärmung der Ionen auf Rekordtemperaturen von über 200 keV verursachen. Solche Temperaturen wurden gemessen, wobei die Energie aus der Umwandlung magnetischer Energie in einem Zeitraum von 5 ns stammt. Die Ionen erwärmen die Elektronen, die sofort die Energie abstrahlen. Außerdem ermöglichen die verbreiterten Spektrallinien, die durch die hohe Iontemperatur entstehen, eine größere strahlende Leistung aufgrund verringerten Opazitäten. Der vorgeschlagene Mechanismus liefert eine plausibele Erklärung für mehrere Phänomene von grundlegender Bedeutung für die Z-Pinche-Dynamik, einschließlich des Druckausgleichs bei der Stagnation, das Fehlen eines strahlenden Kollapses, die signifikante Überschreitung der Röntgenstrahlung.

In 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, liés 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.

L'équation (1) du papier est citée comme étant "la relation de Bennet", qui date de 1934 ( évoquée comme étant présentée dans la référence (1 ) ). On peut la rétablir sans trop de problème. Elle exprime simplement que la pression magnétique égale la pression dans le plasma. La pression magnétique est donné plus haut. La pression totale dans le plasma est donnée comme étant la somme des pressions partielles constituant la contribution

• du gaz d'électrons ne k Te

• et du gaz d'ions ni k Ti

où k est la constante de Boltzmann.

Si Z est le degré d'ionisation

ne = Z ni

Si de plus ces températures absolues sont exprimées en électron-volts et non en degrés Kelvin, avec

k T = e V

alors la pression dans le plasma s'écrit :

ni e ( Ti + Z Te )

On voit apparaître le second membre de la " relation de Bennet ". Plus faut on avait établi que :

r est alors le rayon minimal du cordon de plasma confiné selon l'axe. Bennet fait alors intervenir un nombre d'ions au mètre de liner Ni .

Ce qui donne ( Bennet, 1934 )

Cette expression est remarquable parce que le rayon minimal du cordon de plasma n'intervient pas. Pourquoi ?

Quand le cordon de plasma mincit, la pression magnétique s'exerçant sur lui croit comme l'inverse du carré de son rayon. Mais la densité des ions croît également de la même façon. Ceci compense cela. Ce qui est curieux, effectivement , c'est que la forte différence entre les températures ionique et électronique ne dépende pas du rayon final du cordon de plasma, disposé selon l'axe, qui pourrait être aussi petit que l'on veut. On a une équation différentielle qui donne l'évolution du rayon r du plasma en fonction du temps :

On peut calculer l'allure des courbes ( à condition de disposer de la loi de montée du courant I(t), qui est une "entrée" du problème. En principe dans les Z machines cette montée est pratiquement linéaire, sauf erreur ). La descente de r s'accentue. Je veux dire que la vitesse d'implosion croît au fur et à mesure que r diminue. Si r devenait nul cette vitesse d'implosion deviendrait infinie. Mais il en écrivant cette équation on a oublié quelque chose : la force de pression qui s'oppose à l'implosion. Il faudrait en tenir compte. Ceci étant le problème est moins simple qu'il n'y apparaît. Cette pression qui s'oppose à l'implosion dépend de la température ionique. Or nous ne pouvons pas la modéliser puisque, selon Haines, sa croissance dépend d'un phénomène que nous ne savons pas prendre en charge : le chauffage du plasma par des micro-instabilités MHD.

Moralité : il faut savoir s'arrêter quand on tente de modéliser et qu'on cesse de prendre en compte tous les paramètres. On a bien la formule :

mais on ne connaît pas la vitesse V des ions en fin d'implosion. Introduire une vitesse moyenne ( rayon du liner sur temps d'implosion ) n'a guère de sens puisque la vitesse croît en fin d'implosion.

Haines se réfère alors à un essai particulier de la Z-machine, le Z1141 où la masse du liner par mètre était de 450 milligrammes de fils d'acier inox (4.5 10-5 k/m ) , agencés en deux couronnes concentriques, la première, d'un diamètre de 55 mm faisant le double de la masse de l'autre, d'un diamètre de 27,5 mm.

Un peu plus loin Haines se servira d'une valeur de Ni ( nombre d'ions au mètre ) de 3.41 1020. La masse d'un atome de fer étant de 9 10-26 kilo si je divise 4.5 10-5 k/m par cette masse j'obtiens 5 1020 . Mais il précise qu'au cours de l'implosion 30 % de la masse "est perdue en route. On retrouve donc à peu de choses près son chiffre.

Il indique que les mesures de température électronique effectuées donnent 3 keV au moment de la stagnation, c'est à dire 35 millions de degrés. Il précise que le courant est monté à 18 méga-ampères en 100 nanosecondes. Il estime que 30 % de la matière " a été perdue en route ", mais que 70 % est arrivée à bon port. En effet c'est ce qui ressort de toutes ces études avec les liners à fils ( thèse de Bavay ). Pendant le collapse ces fils "s'évaporent" tels des comètes en train de dégazer. Ils laissent "dans leur sillage" une traînée de plasma, dont la masse peut représenter de 30 à 50 % de la masse des fils.

Avec Ni = 3,41 1020 ions au mètre et Z = 26 ( fer ), appliquons la relation de Bennet avec la charge électrique unitaire e = 1,6 10-19 ( Coulomb )

mo = 4 p 10-7 MKSA

Calculons ( Ti + Z Te ) :

ce qui correspond à 3,44 milliards de degrés. Quand le diamètre du cordon de plasma passe par un minimum voir courbe, la mesure de température ionique est de 270 keV, soit 3,12 milliards de degrés. Compte tenu de la fourchette d'erreur cet accord est tout simplement remarquable.

26 juin 2006

Comment évaluer la température ionique dans un montage ( J.P.Petit 27 juin 2006 )

Reprenons le détail de l'établissement de l'équation différentielle donnant la dynamique d'un élément du liner soumis à la force électromagnétique radiale. Reprenons tout cela. On établit facilement que le champ magnétique créé par un rideau de fils disposés suivant un cylindre est équivalent à celui qui serait créé par un fil unique disposé selon l'axe et à travers lequel passerait tout le courant. Soit :

Il y a n fil. Dans chaque fil passe le courant I/n . Celui-ci est soumis à la force de Laplace, par unité de longueur:

Appelons M la masse par unité de longueur du liner. Tant que le fil n'est pas vaporisé l'équation différentielle s'obtient en écrivant :

où I dépend du temps, d'ailleurs. Mais c'est une donnée de l'équadif.

Remplaçons maintenant le fil par une vapeur métallique Plus précisément, remplaçons tout le système des fils par un cylindre de plasma, un "pinch". Celui-ci est toujours parcouru par le courant I. Sur la surface nous pouvons calculer le champ B , toujours par la même formule. Mais nous pouvons aussi faire intervenir une force de pression, qui tend à stopper cette implosion. Cette pression est la pression ionique

Nous n'en sommes pas maîtres puisqu'elle dépend de l'énergie communiquée aux ions d'une manière encore non élucide, grâce aux instabilités MHD, selon Haines. Nous avons la force de Laplace qui s'exerce sur chaque "fil" ou chaque secteur du plasma qui correspondait au secteur 2

/ n qu'il occupait. La force de pression qui s'exerce sur ce secteur par unité de longueur est :

Je peux obtenir l'équation différentielle du mouvement en écrivant :

On a :

en introduisant dans l'équation :

Comme on ne sait pas donner l'évolution de la température ionique au fil du temps, puisqu'elle dépend de cet apport extérieur d'énergie, on ne peut guère aller plus loin, sauf en cherchant à évaluer la valeur de la température ionique quand l'accélération est nulle, en " stagnation condition ", quand l'accélération est nulle, que r" = 0 . On obtient alors :

On voit que cette température ionique ( il s'agit d'un ordre de grandeur dans un calcul grossier ), correspondant à une "stagnation condition" dépend du carré de l'intensité électrique totale I et croît quand le nombre d'ions au mètre est réduit. Donc pour une même masse et une même géométrie de liner on aurait intérêt à utiliser des atomes plus lourds soit, comme suggéré par un ancien de la DAM ( division des applications militaires ) par exemple de l'or, ductile, facile à travailler, quatre fois plus lourd que l'inox. Avec la configuration de la Z-machine de Sandia on pourrait espérer atteindre, avec du fil d'or une température de dix milliards de degrés.

Mais encore faudrait-il que tous les paramètres soient maîtrisés, c'est à dire qu'on sache "pourquoi ça a marché". La vitesse de sublimation du matériau peut jouer un rôle-clé. Plus elle est basse et plus longtemps le liner restera sous forme de fils individualisés, maintenant l'axisymétrie. Si celle de l'or est trop élevée, le remplacement de l'inox par ce matériau pourrait au contraire donner de moins bons résultats. Mais en tout état de cause il faut essayer. Et essayer bien sûr avec des intensités accrues. Qu'est-ce que les Américains obtiendront avec ZR, qui développera 28 millions d'ampères au lieu de 20 ? Logiquement la température ionique devrait alors atteindre des valeurs plus élevées. Peut être cinq milliards de degrés.

Si on se fie à cette expression, qui nous donne la tendance de la manip, la façon dont les paramètres devraient jouer sur la température ionique en fin de compression cela indiquerait qu'avec un montage identique à celui de la Z-machine de Sandia le générateur de Gramat ne permettrait pas de dépasser 50 millions de degrés. Mais d'autres montages peuvent être envisagés. Voir plus loin.

26 juin 2006

Comment évaluer la température ionique dans un montage ( J.P.Petit 27 juin 2006 )

Reprenons le détail de l'établissement de l'équation différentielle donnant la dynamique d'un élément du liner soumis à la force électromagnétique radiale. Reprenons tout cela. On établit facilement que le champ magnétique créé par un rideau de fils disposés suivant un cylindre est équivalent à celui qui serait créé par un fil unique disposé selon l'axe et à travers lequel passerait tout le courant. Soit :

Il y a n fil. Dans chaque fil passe le courant I/n . Celui-ci est soumis à la force de Laplace, par unité de longueur:

Appelons M la masse par unité de longueur du liner. Tant que le fil n'est pas vaporisé l'équation différentielle s'obtient en écrivant :

où I dépend du temps, d'ailleurs. Mais c'est une donnée de l'équadif.

Remplaçons maintenant le fil par une vapeur métallique Plus précisément, remplaçons tout le système des fils par un cylindre de plasma, un "pinch". Celui-ci est toujours parcouru par le courant I. Sur la surface nous pouvons calculer le champ B , toujours par la même formule. Mais nous pouvons aussi faire intervenir une force de pression, qui tend à stopper cette implosion. Cette pression est la pression ionique

p

i

= n

i

k T

i

Nous n'en sommes pas maîtres puisqu'elle dépend de l'énergie communiquée aux ions d'une manière encore non élucide, grâce aux instabilités MHD, selon Haines. Nous avons la force de Laplace qui s'exerce sur chaque "fil" ou chaque secteur du plasma qui correspondait au secteur 2

p

/ n qu'il occupait. La force de pression qui s'exerce sur ce secteur par unité de longueur est :

Je peux obtenir l'équation différentielle du mouvement en écrivant :

On a :

en introduisant dans l'équation :

Comme on ne sait pas donner l'évolution de la température ionique au fil du temps, puisqu'elle dépend de cet apport extérieur d'énergie, on ne peut guère aller plus loin, sauf en cherchant à évaluer la valeur de la température ionique quand l'accélération est nulle, en " stagnation condition ", quand l'accélération est nulle, que r" = 0 . On obtient alors :

On voit que cette température ionique ( il s'agit d'un ordre de grandeur dans un calcul grossier ), correspondant à une "stagnation condition" dépend du carré de l'intensité électrique totale I et croît quand le nombre d'ions au mètre est réduit. Donc pour une même masse et une même géométrie de liner on aurait intérêt à utiliser des atomes plus lourds soit, comme suggéré par un ancien de la DAM ( division des applications militaires ) par exemple de l'or, ductile, facile à travailler, quatre fois plus lourd que l'inox. Avec la configuration de la Z-machine de Sandia on pourrait espérer atteindre, avec du fil d'or une température de dix milliards de degrés.

Mais encore faudrait-il que tous les paramètres soient maîtrisés, c'est à dire qu'on sache "pourquoi ça a marché". La vitesse de sublimation du matériau peut jouer un rôle-clé. Plus elle est basse et plus longtemps le liner restera sous forme de fils individualisés, maintenant l'axisymétrie. Si celle de l'or est trop élevée, le remplacement de l'inox par ce matériau pourrait au contraire donner de moins bons résultats. Mais en tout état de cause il faut essayer. Et essayer bien sûr avec des intensités accrues. Qu'est-ce que les Américains obtiendront avec ZR, qui développera 28 millions d'ampères au lieu de 20 ? Logiquement la température ionique devrait alors atteindre des valeurs plus élevées. Peut être cinq milliards de degrés.

Si on se fie à cette expression, qui nous donne la tendance de la manip, la façon dont les paramètres devraient jouer sur la température ionique en fin de compression cela indiquerait qu'avec un montage identique à celui de la Z-machine de Sandia le générateur de Gramat ne permettrait pas de dépasser 50 millions de degrés. Mais d'autres montages peuvent être envisagés. Voir plus loin.

Revenons à la formule de Bennet. Dans la manip de Sandia la température électronique Te mesurée ( d'après l'émission de rayons X ) est de 3 k eV . Avec Z = 26 on a :

Z Te = 78

Donc la pression n'est pas due au gaz d'électrons ! Il reste pour équilibrer la pression magnétique ( relation de Bennett ) la pression des ions. Mais il faudrait que ceux-ci soient à une température de 219 keV soit ... 2,54 milliards de degrés ! En effet il faut que :

Ti + 78 ( mesuré ) = 296

Mais ça n'est pas tout. Antérieurement à ces manips Sandia avait opéré avec des " gas puff " des "bouffées de gaz " envoyées au centre du système et comprimées à l'aide du liner à fil.

However, the same pressure balance discrepancy arises in gas puff Z pinch implosions [9] in which the density and temperature profiles have actually been measured at stagnation, but which also have a hitherto unexplained high measured ion temperature of 36 keV.

Quoi qu'il en soit, le même désaccord concernant l'équilibre des pressions a été retrouvé dans des expériences de Z-pinch menées sur des bouffées de gaz (9) dans lesquelles les profils de densité et de température ont été aussi mesurés en condition d'arrêt mais aussi avec une température des ions de 36 keV (3 millions de degrés) également inexpliquée.

However, the same pressure balance discrepancy arises in gas puff Z pinch implosions [9] in which the density and temperature profiles have actually been measured at stagnation, but which also have a hitherto unexplained high measured ion temperature of 36 keV.

Quoi qu'il en soit, le même désaccord concernant l'équilibre des pressions a été retrouvé dans des expériences de Z-pinch menées sur des bouffées de gaz (9) dans lesquelles les profils de densité et de température ont été aussi mesurés en condition d'arrêt mais aussi avec une température des ions de 36 keV (3 millions de degrés) également inexpliquée.

However, the same pressure balance discrepancy arises in gas puff Z pinch implosions [9] in which the density and temperature profiles have actually been measured at stagnation, but which also have a hitherto unexplained high measured ion temperature of 36 keV.

Quoi qu'il en soit, le même désaccord concernant l'équilibre des pressions a été retrouvé dans des expériences de Z-pinch menées sur des bouffées de gaz (9) dans lesquelles les profils de densité et de température ont été aussi mesurés en condition d'arrêt mais aussi avec une température des ions de 36 keV (3 millions de degrés) également inexpliquée.

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

Là encore, si un lecteur pouvait m'envoyer le pdf de la référence (9), j'examinerais ça de plus près.

Haines exclue le chauffage résistif, le simple effet Joule vers lequel s'était tourné Yonas. Il indique par exemple que pour chauffer un pinch d'un diamètre de 2 mm à 3 keV ( 3 millions de degrés seulement ) il faut 8 microsecondes !

Il ne voit que le champ magnétique environnant comme source d'énergie possible. Il propose alors d'invoquer un chauffage des ions via des instabilités MHD à très courtes longueurs d'onde, qui soit suivi d'une équipartition, d'un chauffage du gaz d'électrons par collision ions-électrons, et finalement ceci se traduise par une émission d'énergie de ces mêmes électrons ( par le classique Bremmstrahlung, ou rayonnement de freinage, c'est à dire par interaction avec le champ magnétique )

Ce qui suit évoque la nature de ces instabilités MHD évoquées. On débouche sur une équation de l'énergie qui s'écrit :

k est la constante de Boltzmann et neq la fréquence de collision. CA est la vitesse de Halfven , Cs la vitesse du son , a est le diamètre minimal du plasma. Mais Haines écrit cette équation autrement en mettant les températures en électron-volts et en remplaçant cette fréquence de collision par son inverse, le temps de libre parcours moyen teq.

Par rapport aux plasmas hors d'équilibre comme par exemple celui du tube au néon de votre cuisine vous noterez que c'est cette fois la température ionique qui est plus élevée que celle des électrons ( alors que dans le tube c'est l'inverse : gaz d'électrons chaud, néon froid ). Ci-après l'équation pour un milieu hors d'équilibre comme un simple tube au néon.

Le premier membre représente le chauffage du gaz d'électrons par effet Joule. J est le vecteur densité de courant et s la conductivité électrique. Le terme de droite, de la précédente équation se lit de la façon suivante. On a au dénominateur le temps de libre parcours de l'électron dans le néon, dont l'inverse est une fréquence de collision. Quand des électrons transfèrent de l'énergie à des ions ils le font avec peine et un coefficient, le rapport des masses, apparaît dans l'équation.

Mais quand un ion tape sur un électron le rendement de transfert d'énergie est l'unité. Donc ce coefficient de rapport de masse disparaît, ou plutôt il vaut ... l'unité. Haines produit alors la formule classique du calcul de la fréquence de collision électron-ion. On est en "régime coulombien". On trouve dans l'expression la section efficace de collision électron-ion. Ceux qui connaissent la théorie cinétique des gaz reconnaîtront cette expression classique.

La partie qui concerne la naissance d'instabilités MHD reste assez sommaire, en particulier parce que le paramètre de Hall des ions est supérieur à l'unité.

Ce qui intervient dans ce paramètre est la fréquence de collisions ion-ion.

Yonas m'a écrit que " la théorie de Haines explique bien cet état hors d'équilibre " mais je ne suis qu'à moitié convaincu. Disons que " l'explication " de Haines reste très embryonnaire et se résume à une vingtaine de lignes. Il suppose que ces instabilités affectent les ions et provoquent au sein de ce milieu un chauffage visqueux.

Le lecteur se demande sans doute à quoi ressemblent ces instabilités et comment elles apparaissent. La dissipation par effet Joule est, par unité de volume :

Les instabilités envisagées créent une turbulence de la densité de courant Les lignes de courant se resserrent, s'épanouissent, se resserrent de nouveau, selon des longues d'ondes qu'Haines chiffre en microns ou dizaines de microns. Ce sont des micro-instabilités. Si localement la densité de courant croît, cela s'accompagne d'un renforcement du champ magnétique, en vice-versa. Il s'agit donc d'une turbulence électromagnétique, typique des pinch. On trouve par exemple ces turbulences dans ... la foudre. Un éclair, ça ne dure pas longtemps, mais les photos qu'on peut prendre d'un éclair en train de se dissiper montre des gouttelettes de plasma, à la queue leu leu. Dans ce cas le gaz ( l'air ) n'est pas totalement ionisé. Quand le pincement de la décharge se produit la densité de courant augmente, la température électronique aussi. La décharge de la foudre est un arc électrique. Les mécanismes qui s'y déroulent sont complexes. L'accroissement de l'intensité du courant électrique provoque un accroissement du dégagement de chaleur par effet Joule. le filament de plasma se dilate, etc...

Les micro-instabilités suggérées par Haines sont des "cousines" de ces instabilités-là. Il se produit des micro-pincements. La valeur locale de la densité de courant s'accroît, dont subséquemment la valeur du champ magnétique et de la pression magnétique aux alentours. Cet accroissement tend à accentuer le pincement. C'est le fondement de l'auto-instabilité du plasma, de cette turbulence électromagnétique. Il peut alors se passer alors ... des tas de choses que seul le calcul permettrait de théoriser, que Haines n'a pas fait. le moins qu'on puisse dire est que le milieu est complexe. Supposons, avant que les instabilités ne se mettent à chauffer les ions du plasma que les deux température, électronique et ionique sont égales, par exemple à 20 millions de degrés. Un pincement se produit. Cela se traduit par un accroissement de la température électronique. Cela crée-t-il de nouvelles évasions d'électrons. Cela dépend du "temps caractéristique d'ionisation". Là encore, données, calcul. Mais, à la différence de l'instabilité de Vélikhov cette instabilité affecte le gaz d'ions, par "viscosité". Physiquement ces pinches "secouent" les ions radialement.

Je précise que dans ces plasmas le courant électrique est un courant électronique et n'est pas dû à un courant d'ions. Ce plasma est relié à des électrodes métalliques. Quand le pincement se produit il y a renforcement du champ magnétique et de la force de Laplace, qui est subie au premier chef par les électrons, qui transmettent cette impulsion aux ions par collisions. Cette striction de l'écheveau de lignes de courant électronique crée un champ électrique radial qui agit sur les ions en les tirant à leur tour. Dans cette instabilité on a un phénomène de micro-turbulence qui affecte le gaz d'électrons, lequel transmet à son tour ces "secousses" au gaz d'ions. Le temps caractéristique de thermalisation dans le gaz d'ions est très faible ( 37 picrosecondes ).

Il écrit alors l'équation de l'énergie, concernant le gaz d'ions en faisant figurer dans le premier membre l'apport lié au chauffage visqueux par les instabilités;

Le temps caractéristique qui figure au dénominateur du second membre est un temps de libre parcours moyens des ions sous l'effet de collision avec les électrons. C'est donc " le temps d'équipartition ", temps caractéristique d'égalisation des deux température, ionique et électronique. Haines le chiffre à "approximativement 5 ns".

Notons que ce temps d'équipartition fait intervenir le rapport ( mi / me ). Plus il est long et moins le gaz d'ions et le gaz d'électrons seront couplés. Pour des ions fer ce rapport vaut :

On pouvait évidemment se poser la question de savoir si, pendant ce processus on pouvait considérer la fonction de distribution des vitesses dans le milieu des ions comme maxwellienne. Haines justifie ceci en produisant la valeur du temps de relaxation de thermalisation tii dans ce milieu qu'il chiffre à 37 picosecondes. Comme ce temps est faible devant le temps d'équipartution Haines en déduit que le gaz d'ions est thermalisé, maxwellien. Il exploite alors la formule ci-dessus avec les valeurs qu'il choisit ce qui l'amène à des longueurs d'ondes de ces micro-instabilités MHD allant d'un centième à un dixième de millimètre.

Dans cette expression A est la masse atomique du fer ( 55.8 ) , a le diamètre minimal du pinch, I l'intensité électrique qui passe dans le cordon de plasma ( on ne parle plus de liner à fils : ceux-ci se sont transformés en plasma ).

La phrase clé est :

Thus for stagnated Z pinches where

is significantly longer than a / c

the ion temperature will greatly exceed the electron temperature.

Ainsi, pour des Z pinches en condition d'arrêt, si le temps d'équipartition

est significativement plus long que le rapport a / c

du diamètre du pinch à la vitesse d'Alfvèn la température ionique pourra être notablement plus grande que la température électronique

Revenant à l'expérience prise comme référence Haines adopte pour le diamètre du cordon de plasma la valeur de 3.6 mm. Avec ces valeurs il obtient "un résultat qui est consistent avec la valeur de 219 keV pour la température ionique ( 2.5 milliards de degrés Kelvin ). Il rappelle que dans la manip Saturn ( référence 3 ) ce même rapport d'un facteur 3 à 4 avait été trouvé pour le rapport entre l'énergie thermique des ions et l'énergie cinétique du pinch, mais qu'alors des mesures de températures ioniques n'avaient pas été effectuées. Toute la différence est qu'aujourd'hui les expérimentateurs disposent de telles mesures, qui vont être détaillées plus loin.

Ceci étant :

Indeed, without this artificial fix no codes have been able to model these large array diameter experiments. 2D and 3D simulations of wire-array implosions in general [9] require, as input parameters, the wavelength and initial amplitude of modes and a value of the resistivity of the ‘‘vacuum,’’ defined as where the plasma density falls below a given value. In addition, no simulation currently includes ion viscosity (let alone the full stress tensor) or a fine enough mesh to model the short wavelength instabilities proposed here. Often an ad hoc procedure is used to prevent radiative collapse.

En vérité, sans cette façon quelque peu artificielle de définir les paramètres les programmes d'ordinateur n'ont pas été en mesure de modéliser ces expériences portant sur des dispositif d'aussi larges diamètres. Des simulations 2D ou 3D l'imposions de liners à fils nécessitent, comme paramètres d'entrée, de connaître la longueur d'onde et l'amplitude initiale des modes des instabilités et la valeur de la résistivité du "vide" définie en considérant les endroits où la densité du plasma tombe en dessous d'une valeur donnée. De plus on ne dispose pas de simulations incluant la viscosité ionique ( et encore moins quand on veut tenir compte du caractère tensoriel des paramètres ioniques, état lié à la forte valeur du paramètre de Hall dans le gaz d'ions ) ainsi que d'une concordances suffisante pour modéliser le système d'instabilités à courtes longueur d'ondes proposé ici. Souvent une procédure ad hoc est utilisée pour éviter le collapse radial du plasma.

propos qui relativisent cette explication du chauffage ionique par interaction avec le champ magnétique ambiant.

Des mesures de température ionique par élargissement des raies, du à l'effet Doppler ont été effectués, de plus au cours du temps et utilisant un spectromètre à cristal de LiF situé à 6.64 mètres du pinch. Voir le papier pour les précisions techniques concernant ce spectro. Ci-après le spectre d'émission :

On retrouve dans cet acier inox utilisé dans cet essai Z1141, outre les raies du chrome et du fer qui dominent, celles du Manganèse et du Nickel. On a basé l'évaluation de la température en prenant, pour le fer la raie à 8.49 keV et pour le manganèse celle à 6.18 keV. Les mesures sur ces raies, quoique plus faibles sont moins susceptible d'être grevée par l'opacité.

Par la suite le papier justifie la fiabilité de ces mesures de température, l'écart était évalué à 35 keV. Ci-après l'évolution des température, de la puisse rayonnée et du diamètre du pinch dans le temps.

On remarquera que les barres d'erreur associées aux ( trois ) mesures de températures des ions fer ne sont pas figurées sur le graphique. Or dans le papier on lit :

Ein Fehler von 35 keV wird den Temperaturmessungen zugeordnet, aufgrund der Unsicherheit bei der Messung der Linienbreite.

Eine systematische Fehler von 35 keV wird den Temperaturmessungen zugeordnet, aufgrund der Unsicherheit bei der Bewertung der Linienbreiten.

Die Autoren haben einfach vergessen, sie zu erwähnen. Man sollte nicht vergessen, dass es sechs sind. Entweder übernimmt einer die Schreibarbeit und die anderen unterschreiben, oder jeder schreibt seinen Teil, wodurch der Artikel ein etwas patchwork-artiges Aussehen erhält. Es liegt an den Lesern, zu entscheiden. Wir fügen also diese Fehlerbalken hinzu.

Man sieht, dass die Messpunkte der Eisenionen innerhalb des Fehlerbalkens der Manganionen liegen und umgekehrt. Auf dem Diagramm steigt die Temperaturmessung der Eisenionen von 200 auf 300 keV, aber da diese Messungen sich überlappen und kein Temperaturunterschied (von 35 keV) zwischen den Eisen- und Manganionenpopulationen berücksichtigt wird (vermutlich zu Recht), geben die Autoren mittlere Werte an, die sich von 230 keV (2,66 Milliarden Kelvin) bis 320 keV (3,7 Milliarden Kelvin) erstrecken. Es ist also "über 2 x 109 Kelvin", "über zwei Milliarden Grad", und nicht nur ein bisschen, da der maximale Wert 3,7 Milliarden Kelvin erreicht. Außerdem, da die Kurve so aussieht, wäre es nicht ausgeschlossen, dass eine höhere Temperatur gemessen werden könnte, wenn bei einer erneuten Durchführung dieses Experiments die vier verfügbaren Bilder 5 ns später positioniert worden wären. Und wenn diese Temperaturerhöhung, die mit dieser Ionenheizung zusammenhängt, die Haines versucht zu rechtfertigen, bestehen bliebe, dann wäre es nicht 2 Milliarden Kelvin, das man in Betracht ziehen könnte, sondern ... vier (wir erinnern daran, dass in Supernovae die Temperatur bis zu zehn Milliarden Kelvin ansteigt).

Logischerweise, gegeben die Zuverlässigkeit der Temperaturmessungen, hätten die Autoren "Eine Temperatur von 3,7 Milliarden Kelvin wurde erreicht" titeln sollen, und "den Rekordwert" angeben, aber sie begnügten sich damit, "über zwei Milliarden Grad" zu sagen. Warum diese ... Scheu? Andererseits bemerken wir:

• Mit 500 Millionen Grad, Bingo für die (nicht schädliche) Lithium-Wasserstoff-Fusion

• Mit einer Milliarde Grad, Bingo für die (nicht schädliche) Bor-Wasserstoff-Fission

• Mit vier Milliarden, was? (an die Spezialisten der Kernphysik, bitte antworten)

• Wenn eines Tages zehn Milliarden erreicht werden, dann werden alle Synthesereaktionen, die zu den Atomen des Mendelejev-Periodensystems führen, möglich. Das heißt, das gesamte Spektrum der Genesis.

Ruf mich Gott an...

Dasselbe Diagramm, wenn man die zeitlichen Entwicklungen in schwarz zeichnet, die in dem Papier als Durchschnittskurve beibehalten wird.

Man sieht, dass der Plasma-Durchmesser einen Minimum kurz vor t = 110 ns durchläuft. Es gibt eine Röntgenstrahlung über eine Dauer von etwa 5 ns. Beachten Sie die maximalen Temperaturen, die gemessen wurden. 300 keV (3,48 Milliarden Grad) für die Eisenionen und 340 keV (3,94 Milliarden Grad) für die Manganionen.

Hinweis: Die Formel von Bennet:

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

gibt (siehe oben) 2,5 Milliarden Grad für Eisen. Dieser Berechnung liegt das Experiment Z1141 (18 Millionen Ampere. 450 mg Liner) zugrunde, sowie die Abbildung 1. Aber die in diesem Artikel präsentierten Analysen und Daten beziehen sich auf drei Experimente (Z1141, Z1137 und Z 1386).

Mein Kommentar:

Kehren Sie zum Titel des Artikels von Haines zurück: " over 2 x 109 Kelvin ", was " über zwei Milliarden Grad " bedeutet. Während in den vorangegangenen Jahren diese Systeme bis zu einem Million und eine halbe Million, zwei Millionen Grad und mehr erreichten, plötzlich "beschleunigt" die Maschine. Leser könnten sich über das Fehlen einer Emission des Kohlenstoffs wundern. Aber (Wikipedia) das rostfreie austenitische Stahl enthält sehr wenig Kohlenstoff (weniger als 0,15 %). Siehe Kasten.

Austenitische rostfreie Stähle machen über 70 % der gesamten rostfreien Stahlproduktion aus. Sie enthalten maximal 0,15 % Kohlenstoff, mindestens 16 % Chrom und ausreichend Nickel und/oder Mangan, um die austenitische Struktur bei allen Temperaturen von der kryogenen Region bis zum Schmelzpunkt des Legierungs zu bewahren.

Austenitische Stähle (eine besondere kristalline Struktur) machen 70 % der Produktion aus. Sie enthalten maximal 0,15 % Kohlenstoff (...), mindestens 16 % Chrom und ausreichend Nickel und/oder Mangan, um die austenitische Struktur bei allen Temperaturen, von den sehr niedrigen, kryogenen Temperaturen bis zum Schmelzpunkt der Legierung, zu bewahren.

Austenitische rostfreie Stähle machen über 70 % der gesamten rostfreien Stahlproduktion aus. Sie enthalten maximal 0,15 % Kohlenstoff, mindestens 16 % Chrom und ausreichend Nickel und/oder Mangan, um die austenitische Struktur bei allen Temperaturen von der kryogenen Region bis zum Schmelzpunkt der Legierung zu bewahren.

Austenitische rostfreie Stähle machen über 70 % der gesamten rostfreien Stahlproduktion aus. Sie enthalten maximal 0,15 % Kohlenstoff, mindestens 16 % Chrom und ausreichend Nickel und/oder Mangan, um die austenitische Struktur bei allen Temperaturen von der kryogenen Region bis zum Schmelzpunkt der Legierung zu bewahren.

Austenitische rostfreie Stähle machen über 70 % der gesamten rostfreien Stahlproduktion aus. Sie enthalten maximal 0,15 % Kohlenstoff, mindestens 16 % Chrom und ausreichend Nickel und/oder Mangan, um die austenitische Struktur bei allen Temperaturen von der kryogenen Region bis zum Schmelzpunkt der Legierung zu bewahren.

Die beiden Temperaturkurven für das Eisenionengas und das Manganionengas wurden eingezeichnet, die scheinbar unterschiedlich sind. Doch zum einen ist der angegebene Fehlerbereich für Mangan so groß, dass man annehmen kann, dass diese beiden Temperaturen in Wirklichkeit sehr ähnlich sind. Zum anderen ist das Manganion, obwohl es fast die gleiche Ladung wie das Eisenion (25 gegen 26) hat, zweimal leichter (30 gegen 58). Es ist also nicht ausgeschlossen, dass diese beiden Gase, die eng miteinander verbunden sind, aufgrund einer MHD-Instabilität zwischen sich einen (leichten: 12 %) Ungleichgewicht aufweisen und unterschiedliche Temperaturen besitzen.

Haines: Der Durchmesser des Plasmas erreicht seinen minimalen Wert von 1,5 mm 2 Nanosekunden vor dem Maximum der Röntgenstrahlung. Er schätzt, dass zu diesem Zeitpunkt die Dichte und "die Gleichverteilung" maximal sein müssen (ich tendiere dazu, "die Tendenz zur Gleichverteilung" zu lesen).

Versuchen wir, diese verschiedenen Kurven "sprechen" zu lassen. Was passiert?

Wir haben vier Temperaturmesspunkte. Einer wird ausgeschlossen, für Eisen, der zweite, aufgrund eines Messproblems. Diese geringe Anzahl entspricht dem, was das Aufzeichnungssystem erfassen kann. Das ist bereits außergewöhnlich, nicht nur, dass Temperaturmessungen vorliegen, sondern auch, dass man eine Vorstellung von ihrer zeitlichen Entwicklung hat. Doch wir haben keinen Zugang zu Werten vor t = 105 ns und nach t = 115 ns.

Der Text sagt, dass zur Zeit des "Stillstands" (Stagnation) des Plasmas die elektronische Temperatur 3 keV erreicht hat, also 35 Millionen Grad. Das bedeutet, dass zu dem Zeitpunkt, an dem diese Temperatur maximal ist, sie nicht mehr als ein Hundertstel des maximalen ionischen Temperaturwerts ansteigen wird. Da die abgegebene Leistung in einem starken "Puls" ansteigt, muss man annehmen, dass sie vor t = 105 ns deutlich geringer war. Es scheint, dass diese Temperatur um einen Faktor 9 bis t = 115 ns abfällt. Doch das Stefan-Gesetz besagt, dass die abgegebene Leistung wie die vierte Potenz der Temperatur variiert. Daher ist die Abnahme in dem Verhältnis der vierten Wurzel von 9, also 1,73. Das bringt Te auf 3 bis 1,68 keV. Ich zeichne die Kurve, grob:

In schwarz die Temperaturveränderung der Elektronen. In rot die Veränderung der abgegebenen Leistung (Stefan-Gesetz).

Doch zu t = 105 ns sind die Ionen bereits heiß (Temperatur im Bereich von 200 keV). Daher ist dieses Heizmechanismus, das zu klären ist, wirkt vor dem Stillstand des Plasmas, bei dem der Radius minimal ist, was bei t = 110 ns stattfindet.

Zusammenfassend: Das Plasma implodiert. Ohne dieses zusätzliche Energiezufuhr-Phänomen, das zu klären ist, aber Haines glaubt, dass es aus magnetischer Energie in Wärme umgewandelt wird, würde das Plasma vollständig implodieren, wenn die Ionentemperatur gleich der Elektronentemperatur wäre (weniger als 20 Millionen Grad vor t = 105 Sekunden).

Doch die Ionen werden durch diese Zufuhr ernährt. Die Ionentemperatur steigt. Der Austausch zwischen dem Iongas und dem Elektronengas erfolgt in der "Zeitkonstante der Gleichverteilung" teq, die Haine auf 5 ns geschätzt hat. Daher entspricht die Temperaturanstiegzeit der Elektronen diesem Wert (von 107 bis 112 ns).

Haines sagt, dass dieses Heizphänomen des Iongases ausreicht, um den magnetischen Druck zu kompensieren, und dass die "Stagnationsbedingungen" tatsächlich erreicht wurden, da die charakteristische Geschwindigkeit, mit der sich der Plasma-Radius verändert, nur 15 % der thermischen Geschwindigkeit der Ionen beträgt. Man kann die thermische Geschwindigkeit der Eisenionen zwischen den minimalen und maximalen gemessenen Temperaturen bewerten.

• Für die minimale Temperatur, 230 keV oder 2,66 Milliarden Grad: < Vi > = 1066 km/s - Für die maximale Temperatur, 320 keV oder 3,7 Milliarden Grad: < Vi > = 1258 km/s

Haines vergleicht diese Werte mit der "Ausbreitungsgeschwindigkeit" des Plasmas und sagt, dass sie 15 % dieser Größe beträgt. Unabhängig davon, wie man sie bewertet, bleibt sie unter der thermischen Geschwindigkeit, was tatsächlich darauf hindeutet, dass der Druck im Plasma den magnetischen Druck ausgeglichen hat.

Danach wächst der Plasma-Durchmesser wieder. Warum? Weil die Ionenheizung weitergeht. Wir könnten versuchen, diese Ausdehnung zu berechnen.

Es gibt etwas, was ich im Moment nicht verstehe: Warum sinkt die Elektronentemperatur, wenn das Elektronengas weiterhin durch das Iongas mit Energie versorgt wird, das selbst weiterhin erwärmt wird, zumindest in dem zeitlichen Bereich, den wir haben.

Hinweis: Wie groß ist die thermische Geschwindigkeit im Elektronengas, das auf 3 keV (35 Millionen Grad) erhitzt wurde.

Angenommen, wir könnten 18 Millionen Ampere durch einen Plasma-Strang mit einem Durchmesser von 1,5 mm leiten. Wie groß ist der Magnetfeldwert an der Plasmaoberfläche und der entsprechende magnetische Druck? (unter der Annahme, dass der Leiter als unendlich betrachtet wird, selbstverständlich)

16. Juni 2006: In Frankreich eine interessante Idee.

In einem anderen Artikel über Magnetokonversionsmaschinen, inspiriert von den russischen Maschinen der 50er Jahre, haben wir das Prinzip der Maschine MK-1 gesehen. Danach haben Leute mit nicht zylindrischen, sondern kegelförmigen Linern experimentiert. Man erhält ein "Hohlraum-Effekt". Die Masse des Liners, der sich auf die Achse zusammenzieht, erzeugt einen schnell projizierten Dorn. Ich glaube, man hat Geschwindigkeiten von 80 km/s erreicht. Zu überprüfen. Immerhin, wie mir Violent sagte, könnte man Z-Maschinen mit nicht zylindrischen, sondern kegelförmigen Drähten in Betracht ziehen. Man könnte dann hoffen, auf ähnliche Weise einen Hohlraum-Effekt zu erzielen. Verschiedene Konfigurationen können sich ergeben. MHD ist das Terrain der kreativsten Lösungen. Hier ist ein Aufbau, bestehend aus zwei Kegelabschnitten mit gemeinsamer Basis. Wenn die beiden Plasma-Dornen entstehen und kollidieren, könnte man höhere Temperaturen erreichen, sogar mit einer Maschine wie der von Gramat.

Man kann kaum etwas anderes tun, als dieses Bild zu machen. Simulationen könnten durchgeführt werden und, selbstverständlich, Experimente.

Es gibt eine andere Idee, die aufkommt: den Liner auf einem Bikonus gleiten zu lassen. Die Idee ist nicht neu. Hier ist das Bild, das einem kontinuierlichen Liner entspricht:

Es reicht aus, dies mit einem Draht-Liner zu übertragen. ---

16. Juli 2006. Wie groß ist der Hall-Parameter bi = Wi tii für die Ionen?

Haines sagt in seinem Papier, dass er größer als 1 ist. Dieser Parameter ist das Verhältnis der Gyrofrequenz zur Kollisionsfrequenz. Laut Haines ist diese Ionenkollisionsfrequenz hauptsächlich eine Ionen-Ionen-Kollisionsfrequenz. Ihr Umkehrwert, die Relaxationszeit tii, wird mit 37 Pikosekunden angegeben. Das ergibt eine Kollisionsfrequenz:

nii = 3 1010

Die Gyrofrequenz ist:

Das ergibt den Wert bi = 0,258 Z für den Hall-Parameter der Ionen, wobei Z die Ionenladung (maximal 26, wenn das Ion vollständig entladen ist) ist. Also hat Haines recht, dass der Hall-Parameter größer als 1 ist. Es gibt viel zu tun für uns Theoretiker.

Eine zusätzliche Datenquelle (Quelle: http://www.sandia.gov/pulsedpower/prog_cap/pub_papers/023862p.pdf)

Das charakteristische Stromentladungsprofil der Z-Maschine:

Die Kürze dieser Stromanstieg (hundert Nanosekunden) hat es ermöglicht, diese Ergebnisse auf der Sandia-Maschine zu erreichen. Tatsächlich stellte sich heraus, dass die Sublimation der Drähte langsamer war, als erwartet. Somit konnte diese "Drähten-Liner"-Struktur während der Implosion erhalten bleiben, wobei die Achsensymmetrie erhalten blieb, die sofort verschwindet, wenn das Objekt, in einen Plasma-Platzt, sich unter dem Einfluss von MHD-Instabilitäten verformt. Wenn man versucht, einen Metallzylinder zu implodieren, erhält man etwa das, was passieren würde, wenn man versucht, einen Papierzylinder in der Hand zu zerquetschen. Ich glaube, die Franzosen ( Maschine Sphinx, Papier, vorgestellt im September 21006 auf dem Tomsk-Kongress, Sibirien , minimale Anstiegszeit: 800 Nanosekunden) haben nicht richtig verstanden, dass dies ein entscheidender Aspekt war, was mir Yonas per E-Mail 2006 sofort sagte.

17. Februar 2008: Eine Präzisierung zu den Nebenreaktionen, die mit der Formel B11 + H1 verbunden sind.

Bor hat 5 elektrische Ladungen, Wasserstoff eine. Kohlenstoff hat 6 und Stickstoff 7.

Die radiative Abkühlung des Plasmas erfolgt durch Bremsstrahlung. Die abgegebene Leistung variiert wie das Quadrat der elektrischen Ladung. Die von einem Elektron abgegebene Röntgenstrahlung, das um ein Boratom kreist, ist also 25-mal höher als die, die verloren geht, wenn es um ein Wasserstoffatom kreist (ob schwer oder leicht, es ist die Ladung, die zählt).

B11 + H1 ergibt C11 + n + 2,8 MeV

Lebensdauer des Kohlenstoffs C11: 20 Minuten. Man kann die Kammer 10 Stunden nach dem Betriebsende ohne Gefahr öffnen

B11 + He4 ergibt N11 + n + 157 keV

Schutz: 20 cm B10 oder 1 Meter Wasser.

Radioaktivität in der Beryllium-Elektrode: 5 Mikrocurie pro Jahr (Daten: Lerner-Konvergenz)

Lerner sagt, dass in dieser impulsiven Fusion die MHD-Instabilitäten verwendet werden. Seine Beschreibung der Mechanismen ist folgende. Die elektrische Entladung "Regenschirm" versucht zunächst, Plasmaschwaden zu erzeugen, vergleichbar mit den "Wänden" des gleichen Regenschirms. Dann winden sich diese Fäden entlang der Achse, um einen Plasma-Strang zu bilden. Dieser Strang konfiguriert sich durch eine Kink-Instabilität "wie ein telefonischer Kabelstrang". Dann bilden sich in dieser Struktur "selbstgekapselte Plasmoide", kleine heiße Punkte mit einem Volumen von weniger als einem Kubikmikrometer. In diesen Plasmoiden hat das Magnetfeld eine toroidale Topologie. Neuer Pinch entlang der Achse dieses Plasmoide-Tropfens. Und dann, sagt Lerner, finden die Fusionsreaktionen statt.

18. März 2008: Kommentar nach Veröffentlichung eines Artikels in der Zeitschrift Science et Avenir.

Der Journalist David Larousserie hat einen Artikel mit dem Titel "Die Erfolge der Z-Maschine" im März 2008 veröffentlicht, in dem er für die Zeitschrift arbeitet: Science et Avenirs. Er rief mich an und fragte, wo ich gelesen hatte, dass die Sandia-Experimente im Jahr 2005-2006 nicht nur über zwei Milliarden Grad, sondern drei Grad übertroffen hätten. Ich verwies ihn auf das Haines-Papier vom 24. Februar 2006, Abbildung 3, in dem explizit erwähnt wird, dass die Ionentemperatur von 230 auf 320 keV gestiegen ist. Ohne Fehler entsprechen 320 keV einer Temperatur von 3,68 Milliarden Grad.

Er erwähnt in seinem Artikel nicht die Möglichkeit einer Neutronen-freien Fusion von Bor und Wasserstoff, sondern begnügt sich mit der Erwähnung der Holraum-Technik. In der Regel wird diese Temperatursteigerung in den Kreisen, die mit dem Projekt ITER, nahe oder fern, verbunden sind, sehr schlecht aufgenommen, wo man diese Perspektive lieber verschweigt und die Z-Maschine auf militärische Anwendungen beschränkt. Tatsächlich, wenn eines Tages herauskommt, dass die Zukunft der Fusion durch diese sehr hohen Temperaturen (eine Milliarde Grad) geht, könnte die Tokamak-Technologie nicht mehr mithalten.

In seinem Artikel berichtet Larousserie, was er aus Gesprächen mit Alexander Chuvatin vom Labor für Plasma- und Technologie-Physik (LPTP) an der Ecole Polytechnique erfahren hat. Er zitiert diese Worte, die wir hier wiedergeben:

- Man sollte sich nicht zu sehr auf diese Temperaturen verlassen. Sie existieren nur für zu kurze Zeiträume und sind in instabilen Bereichen lokalisiert. Dies macht die Fusion unmöglich, die eine große Materiedichte, eine ausreichend lange Einschlusszeit und eine hohe Energie erfordert.

Laut Larousserie hat Chuvatin eine Erklärung für die von Haines am Anfang seines Artikels erwähnte Anomalie vorgeschlagen. Wir zitieren, was Haines betont:

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] (die Daten der zitierten Referenzen: 1997 bis 2002 zeigen, dass dieses Problem keine Neuerung ist), 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.

Ich gebe zu, dass ich die Bemerkung von Chuvatin nicht sehr gut verstehe. Wichtig ist, was aus der Bennet-Formel hervorgeht, die einfach besagt, dass der Plasmapressung der magnetische Druck ausgleicht. Sie ist im Haines-Papier angegeben, und ich habe die Art und Weise, wie sie hergeleitet wird, detailliert (sehr klar):

Haines betont klar, dass das Plasma nicht zerquetscht werden darf, dafür muss die Temperatur 296 eV betragen. Was neu im Papier von 2006 ist, ist, dass diese Ionentemperatur, die zuvor durch diese Formel abgeleitet wurde, durch Linienbreitenspektroskopie gemessen und bestätigt wurde. Das Haines-Papier ist in dieser Hinsicht sehr klar.

Was Chuvatins Kommentar vorschlägt, ist, dass diese sehr hohen Temperaturen "nur kleine, instabile Bereiche interessieren". Man denkt dann an die "heißen Punkte" der Experimente von Lerner, die mit selbstgekapselten Plasmoide von mikrometrischer Größe verbunden sind. Wenn dies die Idee war, würde das bedeuten, dass nur sehr kleine Volumina von diesen sehr hohen Temperaturen betroffen wären. Aber man sollte nicht vergessen, dass eine Temperatur auch eine Energie-Dichte ist, in Joule pro Kubikmeter. Wenn diese Temperatur nur sehr kleine Bruchteile des Plasmas, in Volumen und Masse, betreffen würde, dann müsste die Druckberechnung auf eine mittlere Energie-Dichte basieren. Und die Bennet-Formel wäre nicht mehr erfüllt.

Ich finde es einfacher, da die Temperaturmessung durch Spektroskopie gut mit der Bennet-Formel übereinstimmt, zu schlussfolgern, dass diese Temperaturerhöhung wahrscheinlich das gesamte Plasma-Strangvolumen betrifft und nicht nur kleine heiße Punkte.

Was die Machbarkeit der Fusion betrifft: Wir sind sicherlich noch nicht dort, obwohl die D-T-Fusion bereits in den USA in Betracht gezogen wird. Aber es ist unbestreitbar, dass Z-Pinches wie die Z-Maschine eine äußerst interessante, gegenüber schwereren und problematischeren Programmen wie ITER oder MEGAJOULE, sehr viel kostengünstigere und flexiblere Alternative darstellen. Es ist bedauerlich, dass seit der Veröffentlichung des Haines-Papiers zwei Jahre vergangen sind, ohne dass in Frankreich die geringste Reaktion erfolgt ist, abgesehen von den Fortsetzungen der Experimente mit der Sphinx-Experiment, die uns nicht als ausreichend erachtet werden, sowohl in materieller als auch in menschlicher Hinsicht, für die Bedeutung des Themas: eine neutronenfreie Fusion!

16. Februar 2009: Nach mehreren Austauschen mit Plasma-Physikern und Leuten, die an Z-Pinches gearbeitet haben, ergeben sich folgende Schlussfolgerungen:

Diese Bereiche sind immer noch schlecht bekannt. Allgemeinmeinung ist, dass diese Plasmen extrem turbulent sind, möglicherweise Mikroturbulenzen aufweisen. Es ist unbedingt notwendig, zu erklären, woher die von Röntgenstrahlung abgegebene Energie stammt, die etwas Konkretes, Messbares ist und um einen Faktor 3 bis 5 höher ist als die kinetische Energie, die die Metallionen während ihres Laufs zum Achsen-System gesammelt haben. Wie wir gesehen haben, nennt Malcolm Haines MHD-Instabilitäten, ohne sie zu beschreiben. Dann wird das Wort Spheromaks genannt, selbstgekapselte Elemente, die sich aufgrund dieser Instabilität bilden und die magnetischen Feldlinien auf sich selbst schließen, gemäß einer toroidalen Geometrie. Die Dimensionen dieser Objekte: hypothetisch. Leute wie Lerner (Focus-Experimente) verwenden den Begriff "heiße Punkte". Die durchgeführten Messungen haben nicht eine ausreichende räumliche und zeitliche Auflösung, um diese Phänomene zu erkennen.

Haines hat die Joule-Erwärmung bewertet und kam zu dem Schluss, dass diese nicht ausreicht, um die gemessene Temperaturerhöhung zu erklären. Aber wie kann man diesen mysteriösen Energieaustausch zwischen dem Plasma-Strang und dem, was ihn umgibt, verstehen, wo ein magnetischer Druck von 90 Megabaren, entspricht einem Magnetfeld von 4800 Tesla, herrscht? Wenn Haines die Joule-Dissipation berechnet, geht er von einem homogenen Plasma aus. Das elektrische Feld bringt die Ladungen in Bewegung. Die Bewegung dieser Ladungen wird durch Kollisionen mit allem behindert, was im Plasma im Weg ist. In der Berechnung von Haines handelt es sich um Ionen verschiedener Arten, deren effektive Kollisionsfläche mit dem Quadrat ihrer elektrischen Ladung anwächst.

Die Turbulenz macht das Medium inhomogen, auf verschiedenen Skalen. In der Fluiddynamik ist eine turbulente Diffusion dissipativer als eine laminare Dissipation. Nehmen wir das Beispiel eines Flügels eines Flugzeugs. Wenn die Turbulenz einsetzt, steigt der Reibungswiderstand an der Oberfläche. Die Grenzschicht wird dicker. In ihr entstehen dissipative Phänomene, die mehr Wärme abgeben. Und all das geschieht durch Mikroturbulenz, die mit bloßem Auge nicht sichtbar ist.

Es gibt eine Analogie, wenn man an Plasma denkt. Der Stromfluss, der in der Bewertung von Haines homogen angenommen wird (eine einfache Arbeitsannahme!), wird laminar. Die Bereiche der Mikro-MHD-Instabilitäten werden zu Hindernissen für den Stromfluss. Es gibt eine Erhöhung der Impedanz, die zuerst von Christian Nazet erwähnt wurde. Darüber hinaus würde die Bildung solcher Spheromaks mit einer chaotischen Temperaturverteilung einhergehen. Das ist die Idee von Lerner. In einem Plasma, dessen Temperatur global unter der kritischen Fusions-Temperatur liegt und in dem die Lawson-Bedingungen nicht auf makroskopischer Ebene erfüllt sind, könnten diese Bedingungen in diesen kleinen Objekten, deren Lebensdauer man a priori nicht kennt, vorübergehend vorliegen.

Ich habe vor etwa drei Jahrzehnten einen ganzen Tag mit dem Astrophysiker Fritz Zwicky verbracht, dem Erfinder des Konzepts der Supernova im Jahr 1931. Ich erinnere mich plötzlich an seine Hypothese der "nuklearen Zwergen", Spheromaks vor der Buchstaben, die er sich im Kern der Sonne durch MHD-Instabilitäten vorstellte und über die er während dieser Seefahrt mit mir sprach.

Zurück zu den Z-Pinches. Es muss irgendwo die Energie abgezogen werden. Verfügbare Energie ist die magnetische Energie, die um den Plasma-Strang herum vorhanden ist. Erinnern wir uns daran, dass ein Druck (hier der magnetische Druck) eine Energie-Dichte pro Volumeneinheit ist. Wenn diese Energie auf den Plasma-Strang übertragen wird, erfolgt dies zu Lasten dieser elektromagnetischen Umgebungsenergie. Es ist hier keine "Magie". Die Mikro-Instabilitäten, die im Plasma entstehen, erhöhen seine Resistivität, erzeugen zusätzliche Dissipation und reduzieren durch die Verringerung des Stroms gleichzeitig den Wert des magnetischen Feldes außerhalb des Strangs. Kommunizierende Röhren.

Ich kenne die elektrothermische Instabilität (Vélikhov). Es handelt sich um eine bitemperatur Plasma-Turbulenz, die sich durch starke Temperaturschwankungen der Elektronen auszeichnet. Auf der einen Seite, durch die Strukturierung des Plasmas wie ein Kuchen mit mehreren Schichten, mit abwechselnd stark und schwach ionisierten Bereichen, zerstört es die Leistungen der MHD-Generatoren. Auf der anderen Seite zeigt es, wie eine MHD-Instabilität lokal (hier in ebenen Schichten) zu heißeren, stärker ionisierten Bereichen führen kann (das Phänomen ist stark nichtlinear). Die Hypothese der Bildung von heißen Punkten schlägt ein anderes Schema der Entstehung von Mikro-Instabilitäten vor, diesmal in 3D. In solchen sehr nichtlinearen Phänomenen können die Temperatur- und Dichteschwankungen erheblich sein. Daraus könnten mögliche "Mikro-Fusionen" entstehen.

Es ist also voreilig zu schlussfolgern, dass mit Systemen wie der Z-Maschine "sehr weit weg von der Realisierung der Fusion" ist. Wenn man mit einem homogenen Plasma rechnet: ja.

Gehen wir zur Frage der Temperaturmessung über. Zunächst, was ist Temperatur? In der kinetischen Theorie der Gase ist es die Messung der mittleren kinetischen Energie für eine bestimmte Art. Ein Medium kann aus verschiedenen Arten bestehen, die jeweils ihre eigene Temperatur haben. Diese Temperaturen können stark unterschiedlich sein. In einer Leuchtstoffröhre ist die Elektronentemperatur viel höher als die der Ionen und Neutrale. Man spricht dann von nicht-thermischer Ionisation (wo die Energie durch das elektrische Feld bereitgestellt wird, das die Elektronen beschleunigt. Wenn dieses Feld abgeschaltet wird, verlieren die Elektronen ihre Energie durch Kollisionen: das Elektronengas kühlt ab und die Ionisation verschwindet.

Man muss dann eine Elektron-Gas-Kollisionsfrequenz berechnen. Ihr Umkehrwert wird eine Relaxationszeit. Tatsächlich, wenn man ein bitemperaturales Medium sich selbst überlässt, erfolgt die Gleichverteilung im Rhythmus der Kollisionen.

Das vollständige thermodynamische Gleichgewicht ist die Gleichheit aller Temperaturen auf einen gemeinsamen Wert und das Faktum, dass die Geschwindigkeitsverteilungen jeder Art die Form einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung (Gauß-Kurve) annehmen. Das Plasma der Z-Maschine ist in einem inversen Nichtgleichgewichtszustand, da das Elektronengas kälter ist als das Iongas. Wenn man den Energiezufuhr-Aspekt, der mit MHD-Instabilitäten zu modellieren ist (die Mikroturbulenz des Plasmas), außer Acht lässt, ist die zu berücksichtigende Energie von kinetischem Charakter. Die Lorentzkraft wirkt auf die Edelstahldrähte und wirft sie gegeneinander, schließlich mit 400 km/s. Diese Kraft wirkt auf die Elektronen. Der Strom, der in den Drähten fließt, ist elektronischen Ursprungs, nicht ionischen. Die Elektronen ziehen die Ionen mit sich. Man kann diese Populationen nicht trennen, wie Ehepartner, die zu sehr verbunden sind, mit einer Distanz, die die Debye-Länge überschreitet. Das Ergebnis ist, dass Ionen und Elektronen sich in der Nähe der Symmetrieachse mit derselben Geschwindigkeit versammeln. Aber die kinetischen Energien sind unterschiedlich. Leichte Teilchen transportieren weniger.

Haines bewertet dann verschiedene Relaxationszeiten, die mit verschiedenen Arten von Kollisionen verbunden sind.

- Es gibt Elektron-Elektron-Kollisionen

- Ionen-Ionen-Kollisionen

- Elektron-Ionen-Kollisionen

Die Energieübertragung zwischen zwei Teilchen unterschiedlicher Masse ist proportional zum Verhältnis der Masse des leichteren Teilchens, dividiert durch die Masse des schwereren. Innerhalb derselben Spezies sind diese Energieübertragungen maximal, da dieses Verhältnis 1 beträgt. Haines schätzt die Relativzeit auf 37 Pikosekunden. Die Kurven geben eine Einschlusszeit des Plasmas von einigen Nanosekunden (ungefähr fünf) an. Ich weiß nicht, welcher Zeitraum für die Temperaturmessung durch Spektralverbreiterung gilt. Das muss irgendwo im Papier von Haines erwähnt werden. Wenn man die Relaxationszeit innerhalb derselben Spezies (Elektron-Elektron oder Ion-Ion) vergleicht, ist diese Zeit um mehr als eine Größenordnung größer als die Relaxationszeit. Dies reicht aus, um zu behaupten, dass die ionischen Spezies durch eine Maxwellsche Boltzmann-Funktion beschrieben werden können.

Die Messung durch Spektralverbreiterung mittelt den Doppler-Fizeau-Effekt nach der „Sichtlinie“, wie Astronomen sagen, also nach einer radialen Verteilung. Und das ist eine weitere Möglichkeit, vom thermischen Gleichgewicht abzuweichen: die Anisotropie. Aber, würdet ihr sagen, könnte ein gasförmiges Medium einen „thermischen Zustand“ unterschiedlich zeigen, je nachdem, unter welchem Winkel man es betrachtet? Das geschieht hinter einer starken Schockwelle, einem wahren „Schlag des Hammers“, der den Atomen zunächst eine Impulsrichtung vermittelt, dann schnell „thermaliert“ wird, wobei die Geschwindigkeitszunahme in alle Richtungen durch einige Kollisionen verteilt wird. Auch hier kann man eine Relaxationszeit betrachten. Auf einen Blick würde ich sagen, dass diese Anisotropie vernachlässigbar sein sollte. Doch auch hier basiert jede Schlussfolgerung auf Annahmen über die Natur des untersuchten Mediums auf mikroskopischer Ebene. Außerdem fügt er das Magnetfeld und seine lokalen und zeitlichen Schwankungen hinzu. Hallo!

Wie verlässlich sind diese Temperaturmessungen durch Spektralverbreiterung? Messen wir nicht die Temperatur eines Teilbereichs: jenes der... heißen Punkte? Man weiß, dass die abgestrahlte Leistung der Stefan-Gesetz folgt, die vierte Potenz der Temperatur der Quelle. Dilemma.

Dort müssen wir uns auf die Bennett-Gleichung konzentrieren, die Nicht-Implosion des Plasmaschlauchs. Sein Radius erreicht ein Minimum. Zu diesem Zeitpunkt muss die ionische Druck das magnetische Druckgleichgewicht ausgleichen, was für eine Temperatur von 300 keV spricht. Nehmen Sie eine Druckkapsel. Sie liefert einen Wert des Drucks, indem sie eine sehr große Anzahl von Teilchenstößen an ihrer Oberfläche integriert. Dort geht es nicht mehr um das Stefan-Gesetz. Der Druck in einer Mischung ist die Summe der Teildrücke. Und der Druck ist auch eine Energie-Dichte pro Volumeneinheit. Wenn die Bennett-Gleichung uns 300 keV liefert, ergibt das einen Durchschnittswert der Teilchenenergie. Und dieser entspricht mehr als drei Milliarden Kelvin, heiße Punkte oder nicht heiße Punkte.

Ich weiß, dass dies ziemlich verwirrend ist. Nehmen Sie das Beispiel eines Leuchtstoffröhren. Kühler Gas, heiße Elektronen. Führen Sie eine Temperaturmessung durch Spektroskopie durch (in einer Leuchtstoffröhre wird das Licht nicht vom Gas, sondern vom Leuchtstoff auf der Innenfläche der Röhre emittiert). Die Emission des Gases liegt im UV-Bereich. Würden wir also schließen, dass dieses Gas 10.000° hat? Nein, es sind die Elektronen, die diese Temperatur haben. Wenn es die Bennett-Gleichung nicht gäbe, könnten wir versucht sein zu denken, dass unsere Temperaturmessung durch Spektralverbreiterung verzerrt ist.

All dies führt uns zu dem Schluss, dass es viel zu klären gibt. Ich habe (vox clamat in deserto) die Entwicklung eines europäischen Z-Pinch-Projekts empfohlen. Wenn der LMJ nicht die erwarteten Ergebnisse liefert, müssen wir uns rasch auf etwas anderes verlassen, und zwar auf etwas kostengünstigeres.

Eine letzte Bemerkung.

Als ich auf dem Kolloquium über Hochleistungsimpulse in Vilnius, Litauen, im September 2008 (wo ich drei Vorträge gehalten habe, siehe http://www.mhdprospects.com) war, traf ich am ersten Tag gleich mit den Amerikanern Matzen und Mac Kee zusammen, wobei Matzen der Verantwortliche für die ZR-Experimente bei Sandia war und Mac Kee sein Stellvertreter. Ich war sehr überrascht, als sie sofort lächelten, als ich sie nach ZR fragte und sie sofort sagten:

- Das Papier von Haines aus dem Jahr 2006? Er hat sich geirrt, die Temperaturen waren niedriger, mindestens um eine Größenordnung! - Aber es gibt doch diese starken Spektralverbreiterungen... - Ein Israeli, Yitziak Maron, hat alles wieder aufgenommen und hat festgestellt, dass Haines diese Spektrogramme falsch interpretiert hat. - Ist das veröffentlicht worden? - Nein, man hat es nicht getan, um dem armen Malcom keine Verletzung zuzufügen (...)

Am Abend, als ich weiter drängte, stand Mac Kee vor einer Konsole und sagte mir:

- Ich werde Maron eine E-Mail senden, vor Ihren Augen, und morgen erhalten wir seine Erklärungen.

Am nächsten Tag traf ich Mac Kee:

- Also, diese Erklärungen von Maron? - Hmmm... wir bevorzugen es im Moment nicht, dies zu veröffentlichen; - Aber Sie werden mir zumindest seinen E-Mail-Text zeigen... - Das ist nur... er hat uns telefonisch geantwortet (....)

Es folgten unklare und nicht sehr überzeugende Erklärungen.

Zwei Tage später präsentierte Matzen auf der Bühne den Fortschritt der ZR, wobei er sich auf die rein technischen Aspekte konzentrierte, mit beeindruckenden Fotos. Dort erfuhr ich, dass die Versuche zur Erzeugung von Eis VII nicht durch Implosion, sondern durch Explosion, mit einem anderen Experimentieransatz, durchgeführt wurden, bei dem der Strom wie ein „Schirm“ umgelenkt wird, also mit einer axialen massiven Säule und Rückführung durch einen Drahtliner, an dem das zu komprimierende Medium, außerhalb, platziert wird. Es hat nichts mit den vorherigen Experimenten zu tun. Am Ende seines Vortrags bat ich um das Mikrofon und sagte:

• Wir hatten in den Tagen davor eine Diskussion, in der Sie die Analyse von Haines über die Temperaturmessungen auf der Z-Maschine, durch Spektroskopie und 2006 in Physical Review D veröffentlicht, in Frage gestellt haben. Laut Ihnen waren die Ionentemperaturen mindestens um eine Größenordnung niedriger. Sie sagten mir, dass Yitziak Maron vom Weisman-Institut in Jerusalem zu dieser Schlussfolgerung gekommen ist. Da dies eine wichtige Angelegenheit ist, könnten Sie uns bitte aufklären?

Matzen:

- Hmmm.... this is a good question

Dann eine Minute Schweigen, die vom Sitzungsleiter unterbrochen wurde.

Zurück in Brüssel schickte ich eine E-Mail an den Israeli Maron, der mir eine verwirrende Antwort gab, ohne auf meine Fragen zu antworten, und lobte Haines in höchsten Tönen. Er sagte mir, dass er in den nächsten Tagen Sandia beitreten würde.

Ich schickte eine weitere E-Mail an Gerold Yonas, wissenschaftlichen Direktor von Sandia, der mir sofort eine sehr knappe Antwort gab.

- Ja, auch für mich ist das ein Rätsel. Ich werde Matzen bitten, diese Angelegenheit zu klären.

Seit Ende Oktober 2008 kein Funkverkehr mehr.

18. Februar 2008: Über die aneutronische Fusion

Bei einer Fusionsreaktion müssen zwei Kerne nahe genug aneinandergebracht werden, um eine nukleare Reaktion auszulösen. Die Kernphysik ist in diesem Punkt analog zur chemischen Welt. Die Radioaktivität, natürliche oder induzierte, bedeutet einfach, dass Kerne instabil sind. Die Spaltung ist eine spontane Zerfallsreaktion, die Kerne mit geringerer Masse als der Ausgangskern erzeugt. Bei der spontanen Zerlegung von Uran-235 oder Plutonium-239 haben die Produkte dieser Zerlegung Massen nahe der Hälfte des ursprünglichen Kerns.

Es gibt Neutronenemission, die, wenn sie mit anderen Uran-235- oder Plutonium-239-Kernen kollidieren, neue Spaltungen auslösen, induziert durch diese Kollisionen. Man kann dann von einer selbstkatalytischen Spaltung sprechen. Kerne besitzen eine effektive Querschnittsfläche für die Absorption. Kennt man diese, kann man die kritische Masse berechnen. Es handelt sich um eine Kugel, deren Radius grob dem mittleren freien Weg eines Neutrons gegenüber der Kollision mit einem spaltbaren Kern entspricht.

Man kann diese kritische Masse reduzieren, indem man die Dichte der Kerne erhöht, durch Kompression, die in Bomben durch ein chemisches Explosivmittel sichergestellt wird.

Nehmen Sie ein Gas bei absoluter Temperatur T. Wenn dieses Medium stark kollisionsbedingt ist (also wenn das Medium in einem Zustand sehr nahe am thermischen Gleichgewicht mit einer Maxwell-Boltzmann-Statistik ist), wird der mittlere Wert der thermischen Schwingungsgeschwindigkeit dieser Elemente durch die unten angegebene Formel gegeben. Die wenigen Zeichnungen und Formeln ermöglichen es, den Begriff der kollisions-effektiven Querschnittsfläche (die hier zu einer nuklearen Reaktion führt) und der Kollisionsfrequenz (der betrachteten nuklearen Reaktion) schematisch zu verstehen. Hier wird die Geschwindigkeit der Ionen der Masse m auf den Mittelwert reduziert. Es wird angenommen, dass alles, was bei der Passage in einem „Netz“ aus der effektiven Querschnittsfläche abgedeckt wird, eine Reaktionswahrscheinlichkeit von 1 hat, und für das, was außerhalb liegt, ist diese Wahrscheinlichkeit Null.

**Kollisionsfrequenz, charakteristische Reaktionszeit **(Fusion)

Aber es reicht nicht aus, dass die Kollisionsfrequenz ausreichend ist, dass die charakteristische Reaktionszeit kürzer als die Einschlusszeit ist. Es ist auch erforderlich, dass die Ionentemperatur groß genug ist, damit diese Ionen, die sich mit einer Geschwindigkeit um die mittlere Geschwindigkeit bewegen, die Coulomb-Barriere, die sich der Annäherung zweier positiv geladener Ionen entgegenstellt, überwinden können. Dies führt zu einer Temperatur für ein Deuterium-Tritium-Gemisch zwischen 100 und 200 Millionen Grad, die Physiker meist in Kiloelektronenvolt (keV) bewerten, gemäß der Formel

e V = k T

e ist die elektrische Ladung des Elektrons, also 1,6 10-19 Coulomb

k ist die Boltzmann-Konstante = 1,38 10-23

Somit entspricht ein Elektronvolt (eV) (e/k) Grad Kelvin, also 11.600 °K

Da man mit Größenordnungen arbeitet, wird ein eV, ein Elektronvolt, einer Temperatur von 10.000°K gleichgesetzt. Daher muss diese Ionentemperatur zwischen 10 und 20 keV liegen.

Damit die Fusionsreaktionen beginnen können, müssen die Lawson-Bedingungen erfüllt sein.

Diese Funktion L hängt von der Temperatur des Plasmas ab. Die effektive Querschnittsfläche Q(V) hängt von der relativen Geschwindigkeit der Kerne ab und damit von der mittleren Geschwindigkeit , also von der Ionentemperatur.

Lawson-Kurve

Die Deuterium-Tritium-Reaktion ist neutronenreich. Es sind seit langem Reaktionen bekannt, die dies nicht sind. Siehe Aneutronische Fusion.

Nur eine reduzierte Anzahl von Fusionsreaktionen erfolgt ohne Neutronenemission. Hier sind diejenigen mit der größten effektiven Querschnittsfläche.

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

Die ersten beiden verwenden Deuterium als Brennstoff, wobei einige sekundäre 2D-2D-Reaktionen einige Neutronen erzeugen. Obwohl der Anteil der Energie, die von Neutronen getragen wird, durch die Wahl der Reaktionsparameter begrenzt werden kann, wird dieser Anteil wahrscheinlich über dem Schwellenwert von 1 % bleiben. Daher ist es schwierig, diese Reaktionen als aneutronisch zu betrachten.

Auf der letzten Reaktion konzentrieren sich die Bemühungen. Wenn die genannte Reaktion keine Neutronen erzeugt, sind einige sekundäre Reaktionen neutronenreich. Wenn man auf die von Haines berechneten Relaxationszeiten vertraut, und wenn es einen Temperaturunterschied von einem Faktor hundert zwischen dem Elektronengas und dem Iongas (dieses war in diesem Zustand „aus dem Gleichgewicht“ , wärmer) gibt, kann man dennoch annehmen, dass die ionische Population in einem Zustand nahe dem thermischen Gleichgewicht um ihre eigene Temperatur herum ist, was einen thermischen Plasma darstellt. Dann gibt es folgende neutronenreiche Reaktionen:

11B + alpha → 14N + n0 + 157 keV (exo-energetisch)

11B + p+ → 11C + n0 - 2,8 MeV (exo-energetisch)

Dieses Kohlenstoffisotop hat eine Halbwertszeit von 20 Minuten.

Einige haben die von diesen Reaktionen freigesetzte Energie auf 0,1 % des Gesamtbetrags geschätzt.

Es gibt auch eine Reaktion, die Gammastrahlung erzeugt:

11B + p+ → 12C + n0 + γ 16 MeV

Diese Reaktion hat eine Wahrscheinlichkeit von 10-4 im Vergleich zur Reaktion, die Alpha-Teilchen erzeugt.

Schließlich gibt es neutronenreiche Bore-Deuterium- oder Deuterium-Deuterium-Reaktionen:

11B + 2D → 12C + n0 + 13,7 MeV

2D + 2D → 3He + n0 + 3,27 MeV

, die man durch Verwendung eines isotopisch reinen Brennstoffs beseitigen kann.

Der Hauptbestandteil des Schutzes wäre Wasser, um schnelle Neutronen zu verlangsamen, Bor, um diese zu absorbieren, und Metall, um Röntgenstrahlung mit einer Gesamtdicke von etwa einem Meter zu absorbieren;

Die Temperatur, die erforderlich ist, um die Bore-Wasserstoff-Reaktionen zu starten, ist zehnmal höher als die des Deuterium-Tritium-Gemisches. Außerdem gibt es eine Frage der optimalen Reaktivität. Für dieses letzte Gemisch liegt sie bei etwa 66 keV (730 Millionen Grad). Die des Bore-Wasserstoffs bringt uns auf 600 keV (6 Milliarden Grad). Allerdings haben wir gesehen, dass sehr hohe Temperaturen mit einer Z-Maschine erreichbar sind, wobei die maximale erreichte Temperatur mit dem Quadrat des Stroms ansteigt. Laut dieser Logik könnte die Temperatur, die die ZR erreichen könnte, 9 Milliarden Grad betragen.

Keine Informationen über die Leistungen, die diese Maschine seit ihrem Betrieb erreicht hat.

An dieser Stelle sollte man vorsichtig sein, in beide Richtungen. Das heiße Plasma der Z-Maschine ist nicht das eines Tokamaks. Fügen wir hinzu, dass diese Hypothese der „heißen Punkte“ derzeit jeder theoretischen Beschreibung entgeht. Meiner persönlichen Meinung nach wäre es besser, anstatt endlos zu argumentieren, Dame Natur zu Wort zu lassen, also zu experimentieren. Präzisieren Sie, dass der Preis einer Z-Maschine zwei Größenordnungen niedriger ist als der eines Riesen der Fusion wie ITER. Außerdem hat dieses Gerät eine Flexibilität, die der letzte nicht besitzt. Anfang 2008 traf ich im Forschungsministerium und der Industrie Edouard de Pirey, einen jungen Normalien, wissenschaftlichen Berater von Valérie Pécresse. Als ich ihn traf, gestand er mir gleich, dass er keine Zeit gehabt hatte, den kurzen und klaren Bericht zu lesen, den ich ihm geschickt hatte. Ich gab ihm eine Kopie des Briefes, den Smirnov vorgeschlagen hatte zu senden, unter der Bedingung, dass ein Empfängername vorhanden war. Ich bat also de Pirey, bei seiner Vorgesetzten vorzusprechen, um herauszufinden, ob sie bereit wäre, ihren Namen auf dieser Nachricht als Empfänger zu figuriere.

Diese Initiative blieb ohne Ergebnis. Gleiches gilt für eine Anfrage zur Unterstützung meiner Teilnahme an dem internationalen Kolloquium in Vilnius, Litauen, über Hochleistungsimpulse, bei dem ich schließlich im September 2008 selbst die Kosten übernahm.

Es ist zu beachten, dass der Ansatz der Z-Pinches nicht auf der kürzlich veröffentlichten Roadmap der Ministerin steht. Ich überlasse es dem Leser, seine eigenen Hypothesen über den Misserfolg meiner Initiative zu formulieren.

Ich denke, die Europäer sollten so schnell wie möglich einen Forschungsgruppen bilden, eng mit den Russen zusammenarbeitend, die in diesem Bereich Meister sind. Es wäre sinnvoll, und sogar dringend, einige Mittel bereitzustellen und eine Maschine mit ziviler Zielsetzung, zugänglich für alle, in einem „neutralen“ Land (im technisch-wissenschaftlichen Sinne) zu bauen. Die französische Z-Maschine, das Gerät Sphinx, installiert in Gramat im Lot, ist nicht verbessert werden. Mit Entladezeiten von 800 Nanosekunden ist diese Maschine zu langsam. Ich denke auch, dass es ein grober Fehler wäre, dieses Projekt unter der Aufsicht des Verteidigungsgeheimnisses zu platzieren, aus verschiedenen Gründen. Sicherlich, durch einen solchen Ansatz wird die Entstehung von reinen Fusionsbomben „nicht unmöglich“. Die Russen sind Meister in der Manipulation von Hochleistungsimpulsen, wenn die anfängliche Energie ein Explosivstoff ist. Periodisch entdecken die Westler, oft mit Erstaunen, neue Ideen, die jenseits des Ural entstanden sind, die die Situation völlig verändern, wie die der Scheiben-Generatoren.

Die Erzeugung sehr starker Ströme erfolgt durch Kompression, mit einem Explosivstoff, einer Hohlraum, in dem ein starkes Magnetfeld erzeugt wurde. Doch chemische Explosivstoffe induzieren begrenzte Implosionsgeschwindigkeiten. Wenn man die charakteristische Dimension der Kammer durch diese Geschwindigkeit teilt, erhält man Zeiten, die schwerlich unter einige Mikrosekunden sinken können. Das ist viel zu langsam für eine Formel, inspiriert von der Z-Maschine, wo diese Zeit nicht mehr als 100 Nanosekunden überschreiten kann. In einem klassischen System steigt die Entladungsleistung mit dem Volumen der Kammer. Die Russen haben das Problem umgangen, indem sie einfach der Kammer die Form eines ... Akkordeons gegeben haben. Stellen Sie sich ein Akkordeon vor, dessen Außenseite in einem Explosivstoff eingebettet ist, direkt an der Kammer. Das gesamte Volumen kann groß sein, während die Dicke, die zerquetscht werden muss, in jeder dieser Zellen relativ gering bleibt. Dieser Aspekt wird im englischen Teil von Wikipedia erwähnt.

Die Militärs fürchten die „Proliferations“-Aspekte dieser Technologie, bei der die Zündung der Fusionsreaktionen nicht mehr über den technisch schweren Schritt der Isotopenanreicherung erfolgen würde. Aber was tun? Nichts? Unsere Erde steht am Rand des Zusammenbruchs durch Mangel an Energiequellen. Sagen Sie den Chinesen und Indern, dass sie Sparmaßnahmen ergreifen sollen!

Die Wahl ist politisch, auf globaler Ebene. Eine letzte Bemerkung zu ITER und Mégajoule:

Gilles de Gennes, kurz vor seinem Tod, war einer derjenigen, die zahlreiche Argumente hervorgehoben hatten, die den ITER-Projekt problematisch machten, es sei denn, man betrachtete es als sozialen Plan oder als Möglichkeit für tausende von Forschern, Ingenieure und Techniker, eine Karriere in einer der schönsten Regionen der Welt, der besten Lage, zu verbringen. De Gennes war sehr skeptisch, ob der supraleitende Magnet von ITER, der am nächsten zum Plasma-Torus platziert ist, einem intensiven Neutronenbombardement lange standhalten könnte. Er stellte fest, dass keine vorherige Studie dazu durchgeführt worden war, was jedoch bei Maquetten in einem Neutronenstrom leicht möglich gewesen wäre. Doch das Ergebnis hätte möglicherweise den sofortigen Stopp des Bau der wahren Kathedrale für Ingenieure bedeutet.

Zweiter Punkt: Die Fusionsplasmen sind kollisionsbedingt, es handelt sich um thermische Plasmen, nahe dem thermischen Gleichgewicht. Die Geschwindigkeitsverteilung der Ionen ist daher von Maxwell-Boltzmann-Typ, mit einer Boltzmann-Verteilungsschweif, die von schnellen Ionen besetzt ist:

**Schnelle Ionen in der Boltzmann-Verteilungsschweif **

Diese Ionen werden unweigerlich die Magnetfeldkonfinierungsschranke überwinden. Bei der Kollision mit den Wänden und den verschiedenen Objekten, die die Kammer bilden, werden sie schwere Atome abtragen.

**Plasma-Pollution eines Tokamak, verursacht durch das Abreißen schwerer Ionen von der Wand **

Diese werden sofort ionisiert und erhalten eine Ladung Z, und unterliegen zudem den Effekten des magnetischen Druckgradienten, und kehren in den Kern des Plasmas zurück, wodurch es verschmutzt wird. Die strahlenden Verluste, die durch die Wechselwirkung zwischen den Plasma-Elektronen und den Ionen (Bremsstrahlung) entstehen, steigen mit dem Quadrat der elektrischen Ladung der Ionen Z.

**Strahlungsverluste durch Elektron-Ion-Wechselwirkung **(Bremsstrahlung)

Niemand sieht, wie man diese Verschmutzung des Plasmas durch schwere Ionen verhindern könnte, noch wie man es entgiften könnte. Die Zunahme der strahlenden Verluste wird die Temperatur senken und die Dampfmaschine des dritten Jahrtausends ersticken. Als ich diese Frage in öffentlichen Treffen mit den Leuten von ITER aufwarf, war ihre einzige Reaktion:

*- Das ist eine gute Frage..... *

Wenn man fragt, ob die Maschine ITER wichtige und anhaltende Fusionsreaktionen ermöglichen wird, könnte die Antwort auf kurze Zeitskalen positiv sein. Aber wenn die Frage lautet: „Kann dieser Typ von Maschine, im Laufe der Zeit, zu einem funktionsfähigen Reaktor führen und die Energiebedürfnisse der Menschheit lösen?“, scheint mir die Antwort dann negativ sein zu müssen.

Ich möchte noch eine weitere Bemerkung zu dieser impulsiven Fusion machen. Sie eignet sich für eine direkte Umwandlung. Das Fusionsplasma expandiert. Wenn dies in einem Magnetfeld geschieht, gibt es aufgrund des sehr hohen magnetischen Reynolds-Zahls eine „Flusskompression“ und induzierte Ströme. Effizienz: 70 %. Keine beweglichen Teile. Warum sich mit einem Wärmetauscher, einer Dampfturbine komplizieren? Warum nicht auch eine Schaufelrad? Ich glaube an das „Zweitakt-Fusions-System“, auf lange Sicht. Es gibt andere Lösungen als Z-Pinches für diese impulsiven Fusionen. Wir haben nur die Oberfläche berührt.

In der Natur gibt es Systeme, die impulsiven Fusionen realisieren. Das sind die Quasare. Ich glaube nicht, dass die Energie „von der Akkretion eines riesigen Schwarzen Lochs“ stammt. Gemeinsame Fluktuationen der Metriken der beiden Zwillinguniversen erzeugen eine zentripetale Schockwelle im interstellaren Gas einer Galaxie. Ich hatte dies bereits in „Wir haben die Hälfte des Universums verloren“ beschrieben, das 1997 bei Albin Michel erschienen ist. Medienecho streng null. Das Gas wird auf seinem Weg komprimiert und destabilisiert. Junge Sterne bilden sich, die im UV strahlen und das interstellare Gas ionisieren. Das magnetische Reynolds-Zahl steigt und die gasförmige Welle führt dann die Feldlinien der Galaxie (frozen in), wie ein Bauer die Getreideähren zusammenpresst. Der Kollaps endet mit einer winzigen Plasma-Kugel im Maßstab einer Galaxie, aber wo die Lawson-Bedingungen in der Masse und nicht im Kern, wie in einem Stern, erreicht werden. Daher diese Objekte, die „so klein wie Sterne, aber so hell wie eine Galaxie“ sind. Das Plasma wird dann in zwei Lappen ausgestoßen, entlang der Richtung des magnetischen Dipolfeldes. Der magnetische Feldgradient beschleunigt geladene Teilchen über hunderttausend Lichtjahre. So entstehen die „kosmischen Strahlen“ in diesen natürlichen Teilchenbeschleunigern.

Wenn die gemeinsamen Fluktuationen der Metriken zu einer Schwächung des Konfins führen, explodiert die Galaxie... Das sind die „unregelmäßigen Galaxien“, über die der berühmte britische Astrophysiker Sir James Jeans (Entdecker der Instabilität, nach der er benannt ist, sowie der Gleichung, die sie beschreibt) sagte:

*- Die oft unglaublich verzerrten Formen einiger Galaxien lassen vermuten, dass sie der Sitz kolossaler Kräfte sind, von denen wir nichts wissen. *

Was die LMJ-Anlage (Laser-Megajoule) betrifft, wurde nirgendwo außer der Wiederholung der üblichen Lieder („die Sonne in einer Reagenzglas“ , „ein Forschungsbereich für Astrophysiker“) gesagt, dass dieses Werkzeug für militärische Ingenieure in eine Versuchsanstalt zur Lösung des Energiebedarfs der Erde eingebettet ist.

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