Πάνω από δύο δισεκατομμύρια βαθμούς! Ανάλυση του έγγραφου του Μαλκόλμ Χέινς (Απρίλιος 2006)

Περισσότερα από δύο δισεκατομμύρια βαθμούς!

Ο άρθρος του Μαλκόμ Χέινς

Δημοσιεύτηκε στις 24 Φεβρουαρίου 2006 στο Physical Review Letters

Ενημερώθηκε στις 16 Ιουλίου 2006 (δεδομένα στο τέλος της καμπύλης ανύψωσης του ρεύματος στη Z-machine)

Ενημέρωση της 18ης Μαρτίου 2008. Μετά από ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science et Avenir

Για τους μη επιστήμονες

:

Οι αναγνώστες ρωτούν αν οι θερμοκρασίες των ιόντων που υπερβαίνουν τα δύο δισεκατομμύρια βαθμούς έχουν πραγματικά μετρηθεί. Η απάντηση είναι ναι. Ωστόσο, ένα παράξενο φαινόμενο είχε παρατηρηθεί από το 1998 στις πειραματικές εργασίες συμπίεσης πλάσματος που έγιναν με τη Z-machine. Αυτά τα πειράματα αφορούσαν διάφορες διατάξεις. Σε ένα από αυτά, όταν η "κατσαρίτσα" εκρήγνυτο, έστελναν ένα "gas puff", μια "πνοή αερίου" ακριβώς στο κέντρο, το οποίο τότε συμπιεσόταν. Η εκπομπή ακτίνων Χ επέτρεπε τη μέτρηση της θερμοκρασίας των ηλεκτρονίων. Ένα πλάσμα είναι ένα μείγμα "δύο ειδών": τα ιόντα, βαριά, και τα ηλεκτρόνια, ελαφριά. Σε ένα "πλάσμα σιδήρου", σε "σίδηρο ιονισμένο", τα πυρήνες του σιδήρου (56 νουκλεόνια, 26 πρωτόνια) είναι 100.000 φορές βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια (τα πυρήνες αποτελούνται από "νουκλεόνια" με πολύ παρόμοιες μάζες: τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια. Ένα ηλεκτρόνιο είναι 1850 φορές ελαφρύτερο από ένα πρωτόνιο).

Ένας αγωγός νεονίου περιέχει επίσης "αυτά τα δύο είδη", τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα του νεονίου (ακόμη και αν αυτά δεν έχουν πλήρως απομακρυνθεί από το "ηλεκτρονικό τους φλοιό"). Όταν ο αγωγός είναι σε λειτουργία περιέχει ένα μείγμα "διθερμικό", όπου τα αέρια που αποτελούνται από άτομα, τα ιόντα του νεονίου παραμένουν ψυχρά. (μπορείτε να το αγγίξετε με το χέρι), αλλά όπου το "αέριο των ηλεκτρονίων" είναι πολύ θερμότερο, φτάνοντας στους 10.000°. Γιατί δεν αισθάνεστε αυτή τη θερμότητα με το χέρι; Διότι τα ηλεκτρόνια, τα φτωχικά, είναι πολύ απαξιωτικά για να σας μεταφέρουν ενέργεια, θερμότητα. Ωστόσο, έχουν αρκετή ενέργεια για να διεγείρουν, με σύγκρουση, το φθοριστικό επίχρισμα που καλύπτει το εσωτερικό του αγωγού. Αυτό είναι το λόγος για τον οποίο τα ονομάζουν "αγωγοί φθορισμού". Ο φθορισμός είναι η ικανότητα να απορροφά ακτινοβολία και να την επανεκπέμπει σε μια διαφορετική συχνότητα. Έτσι, η φθορεσκεΐνη απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία και επανεκπέμπει στο πράσινο. Τα παντελόνια από νυλόνιο μπορούν να απορροφήσουν ακτινοβολία υπεριώδους και να επανεκπέμψουν στο ορατό (αυτό είναι το "φως μαύρο" των πολυτελών νυχτερινών μαγαζιών). Αυτό το λευκό επίχρισμα του αγωγού νεονίου εκτίθεται σε ηλεκτρόνια που έχουν ενέργειες που αντιστοιχούν στην περιοχή του υπεριώδους, αλλά κατά τη σύγκρουση με τις ουσίες που αποτελούν το επίχρισμα προκαλούν μια επανεκπομπή στο ορατό. Αυτό το επίχρισμα αποτελείται από τέτοιο τρόπο ώστε κατά την επανεκπομπή το φως του να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στο ορατό. Ωστόσο, αυτό δεν είναι ακριβώς έτσι. Αυτό είναι το λόγο για τον οποίο το φως των νεονίων φαίνεται τόσο "παράξενο".

Το κύριο πράγμα που πρέπει να θυμόμαστε είναι ότι μπορεί να υπάρχουν μέσα "διθερμικά". Η αιτία αυτής της κατάστασης είναι ότι το ηλεκτρικό πεδίο που κυριαρχεί στον αγωγό, συνδεδεμένο με την τάση των ηλεκτροδίων, μεταφέρει προτεραιότητα ενέργεια στα ηλεκτρόνια, τα οποία τη μεταφέρουν στα ιόντα μέσω συγκρούσεων. Ωστόσο, επειδή η μεταφορά ενέργειας μεταξύ του αερίου των ηλεκτρονίων και του αερίου των ιόντων είναι αποτελεσματική, μπορεί να υπάρχει μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας. Αυτό οφείλεται ειδικά στο γεγονός ότι το μέσο είναι αραιωμένο. Αν ο αγωγός διαρρέει και η πίεση αυξάνεται, αυτή η "κατάσταση εκτός ισορροπίας" εξαφανίζεται αμέσως. Αφού είναι ισχυρά συνδεδεμένο με τα ιόντα, το αέριο των ηλεκτρονίων ψύχεται πολύ γρήγορα. Τότε τα ηλεκτρόνια, λιγότερο "διεγειρμένα" (η απόλυτη θερμοκρασία σε ένα αέριο αντιστοιχεί στην κίνηση θερμικής διεγέρσεως), επιστρέφουν στα άτομα που αποιονίζονται, επιστρέφοντας σε ουδέτερα.

Η πείρα της Z-machine οδήγησε σε μια πολύ ενδιαφέρουσα κατάσταση. Υπάρχουν δύο είδη παρόντα:

• Το αέριο των ηλεκτρονίων - Το αέριο των ιόντων (στο ανοξείδωτο ατσάλι, κυρίως πυρήνες σιδήρου, θετικά φορτισμένοι)

Από το 1998, όταν οι άνθρωποι προσπαθούσαν να εξηγήσουν τις μετρήσεις τους, είχαν πρόσβαση μόνο στη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων, κάνοντας μετρήσεις στις ακτίνες Χ που εκπέμπονται. Γιατί το αέριο των ηλεκτρονίων είναι η κύρια πηγή αυτής της ακτινοβολίας σε αυτά τα πειράματα; Διότι γύρω από το πλάσμα υπάρχει ένα πολύ υψηλό μαγνητικό πεδίο. Όταν τα ηλεκτρόνια, που κινούνται στα 40.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, εισέρχονται σε αυτή την περιοχή όπου κυριαρχεί αυτό το ισχυρό μαγνητικό πεδίο, τα κάνει να περιστρέφονται. Τότε "κρούουν", εκπέμπουν ένα "ακτινοβολία επιβράδυνσης". Εκτελώντας μετρήσεις σε αυτές τις ακτίνες Χ που εκπέμπονται, οι ερευνητές μέτρησαν τη θερμοκρασία αυτού του αερίου των ηλεκτρονίων: 35 εκατομμύρια βαθμούς στα πειράματα που αναφέρονται στο παρόν άρθρο.

Ωστόσο, χρησιμοποιώντας τύπους (την "σχέση του Μπέννετ"), αν προσπαθούσαν να εκτιμήσουν τη θερμοκρασία που θα έπρεπε να έχουν τα ιόντα σιδήρου για να αντισταθμίσουν την τεράστια "πίεση μαγνητική", εξωτερικά του πλάσματος, θα έπρεπε να αποδεχτούν ότι αυτή θα έπρεπε να έχει πολύ υψηλότερη τιμή. Από το 1998, ανεξάρτητα από τα πειράματα που έγιναν, αυτή η διαφορά των δύο θερμοκρασιών έγινε έμμεσα αποδεκτή. Χρειαζόταν αυτές τις υψηλές τιμές για να μην είναι το πλάσμα αμέσως συμπιεσμένο από τη μαγνητική πίεση. Παρατηρούμε ότι αυτό υποδηλώνει ένα κατάσταση εκτός ισορροπίας (στη θερμοδυναμική ισορροπία όλες οι θερμοκρασίες των ειδών που αποτελούν ένα μείγμα αερίου είναι ίσες). Μια κατάσταση διθερμικής αντίστροφης σε σχέση με τον αγωγό φθορισμού, όπου τώρα το αέριο των ιόντων ήταν πιο θερμό από το αέριο των ηλεκτρονίων.

Απλή παρατήρηση: τι δημιουργεί αυτή τη "θερμοδυναμική ισορροπία"; Είναι οι ανταλλαγές ενέργειας μεταξύ των σωματιδίων, με συγκρούσεις. Η ενέργεια είναι για παράδειγμα η κινητική ενέργεια

1/2 m i

< v

i 2

. Γιατί ο δείκτης i; Διότι ένα πλάσμα είναι ένα μείγμα διαφορετικών ειδών, v

i

είναι η ταχύτητα θερμικής διεγέρσεως και η < v

i 2

η "μέση τετραγωνική ταχύτητα". Έτσι

1/2 m i

< v

i 2

είναι

η μέση κινητική ενέργεια

, στο είδος που εξετάζεται. Αυτό είναι το ορισμός της απόλυτης θερμοκρασίας, η οποία μετρά τη μέση κινητική ενέργεια (θερμικής διεγέρσεως) ενός συγκεκριμένου είδους, σύμφωνα με τη σχέση:

3/2 k T i = 1/2 m i

< v

i 2

όπου k είναι η σταθερά του Μπόλτζμαν, που είναι 1,38 10

-23

Στις συγκρούσεις τα σωματίδια ανταλλάσσουν ενέργεια. Αυτό το φαινόμενο τείνει προς την ισοκατανομή των ενεργειών. Όταν πρόκειται για καθαρά κινητική ενέργεια, τα διάφορα είδη τείνουν να αποκτήσουν ίσες κινητικές ενέργειες διεγέρσεως. Έτσι οι

απόλυτες θερμοκρασίες

είναι ίσες:

T i = T j

Έστω δύο σωματίδια με διαφορετικές μάζες m

i

και m

j

και έστω ότι το i είναι το ελαφρύτερο.

Η κινητική θεωρία των αερίων

μας λέει ότι ο ρυθμός μεταφοράς της κινητικής ενέργειας σε μια σύγκρουση θα είναι ανάλογος του λόγου

2 m

i / m j

Αν οι μάζες είναι πολύ διαφορετικές, η επιστροφή προς τη θερμοδυναμική ισορροπία θα είναι ... δύσκολη. Αυτό είναι το λόγο για τον οποίο σε έναν φθοριστικό αγωγό μπορεί να υπάρχει ένα ισχυρό φαινόμενο εκτός ισορροπίας (θερμοκρασία ηλεκτρονίων: 10.000° K, θερμοκρασία των ιόντων και των ουδέτερων ατόμων: 300°K, λόγος 33). Το ηλεκτρικό πεδίο επιταχύνει ξανά τα ηλεκτρόνια μεταξύ δύο συγκρούσεων (τα ιόντα, πολύ βαριά, είναι λιγότερο ευαίσθητα). Διατηρεί αυτή την κατάσταση εκτός ισορροπίας. Αν το απενεργοποιήσετε, το αέριο των ηλεκτρονίων ψύχεται πολύ γρήγορα, με την ταχύτητα μερικών συγκρούσεων. Με αυτόν τον τρόπο τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, διαθέτοντας μια πολύ χαμηλότερη κινητική ενέργεια από την ενέργεια ιονισμού, πιάνονται από τα ιόντα. Το μέσο αποιονίζεται.

Παρατηρούμε εν ξενικώ ότι σε μια δεδομένη θερμοκρασία (αρκετά υψηλή για να είναι το μέσο ιονισμένο, να υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια) η διαφορά των μαζών καθιστά τις ταχύτητες διεγέρσεως των ηλεκτρονίων και των ιόντων πολύ διαφορετικές. Πάρτε την περίπτωση ενός πλάσματος υδρογόνου δευτερίου-τριτίου, με μέση ατομική μάζα 2,5 (2 για το δευτέριο, 3 για το τρίτιο). Υποθέστε ότι το αέριο των ιόντων είναι στους 100.000.000° βαθμούς (σε ένα τοκαμάκ). Η μέση ταχύτητα διεγέρσεως θα είναι:

< v

i

  τάξης   ( 3 k T

i /m i ) 1/2

Ένα πρωτόνιο ζυγίζει 1,6 10

-27

κιλά

Η μέση μάζα των ιόντων υδρογόνου είναι επομένως  1,6 10

-27 x

2,5 , δηλαδή 4 10

-27

κιλά

Η μέση ταχύτητα διεγέρσεως των ιόντων υδρογόνου είναι επομένως, σε ένα τοκαμάκ, 10

6

m/s, δηλαδή

χιλιάδες χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο

. Ένας ενδιαφέρων αριθμός να θυμόμαστε. Σε ένα τοκαμάκ ρυθμίζεται η θερμοδυναμική ισορροπία. Η θερμοκρασία του αερίου των ηλεκτρονίων είναι ίδια με αυτή των ιόντων. Ωστόσο, η ταχύτητα διεγέρσεως των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη από αυτή των ιόντων, στο αντίστροφο της τετραγωνικής ρίζας του λόγου των μαζών.

Η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι

m e

= 0,91 10

-30

κιλά

Σε ένα πλάσμα βαρύ υδρογόνου ο λόγος των μαζών είναι 4400, και ο λόγος των ταχυτήτων διεγέρσεως είναι η τετραγωνική ρίζα αυτού του αριθμού, δηλαδή 66. Η ταχύτητα διεγέρσεως των ηλεκτρονίων σε ένα τοκαμάκ είναι επομένως 66 φορές μεγαλύτερη από αυτή των ιόντων και είναι 66.000 km/s, δηλαδή 20% της ταχύτητας του φωτός. Απλή παρατήρηση.

Στο πλάσμα του σιδήρου των Z-machines ο λόγος των μαζών φτάνει τα 100.000. Σε ένα πλάσμα σιδήρου σε ισορροπία, ο λόγος των θερμικών ταχυτήτων μεταξύ των ηλεκτρονίων και των ιόντων θα ήταν 316. Ωστόσο, όπως θα δούμε παρακάτω, το πλάσμα του σιδήρου της Z machine είναι πολύ εκτός ισορροπίας. Η διαφορά με τους φθοριστικούς αγωγούς είναι ότι τώρα η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων είναι 100 φορές χαμηλότερη από αυτή των ιόντων. Επομένως, πρόκειται για ένα νέο τύπο πλάσματος

σε κατάσταση εκτός ισορροπίας αντίστροφης

Αυτό είναι ένα νέο μέσο, λιγότερο γνωστό, που χρειάζεται εξερεύνηση. Στην πραγματικότητα, ένα πραγματικό "δυστροπικός τόπος" για τους ερευνητές και τους θεωρητικούς. Μια Z-machine είναι κυρίως ένας ισχυρός ηλεκτρικός γεννήτορας:

Η Z-machine της Sandia, πριν το 2007

(έχει τροποποιηθεί από τότε και μετατραπεί σε ZR, Z " refuirbished " )

Δίνει παλμούς 18 εκατομμυρίων αμπέρ, σε 100 νανοδευτερόλεπτα. Ένα νανοδευτερόλεπτο είναι ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Η ηλεκτρική ένταση αυξάνεται γραμμικά: Καμπύλη ανύψωσης της ηλεκτρικής έντασης στη Z-machine (παρόμοια στη ZR )

Η μηχανή ZR, λειτουργική από το 2007, ικανή να φτάσει σε 26 εκατομμύρια αμπέρ, πάντα σε 100 νανοδευτερόλεπτα

Η Z-machine στέλνει αυτό το ρεύμα σε ένα "σωλήνα σύρματος", μια είδους "κατσαρίτσα", ύψους 5 εκατοστών και διαμέτρου 8 εκατοστών, που αποτελείται από 240 σύρματα ανοξείδωτου χάλυβα, πιο λεπτά από ένα μαλλί:

Δομή του "σωλήνα σύρματος"

Σε κάθε σύρμα περνάει:

75.000 αμπέρ

Κάθε σύρμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο αλληλεπιδρά με τα γειτονικά σύρματα σύμφωνα με τη δύναμη του Λαπλάς I B . Αυτές οι δυνάμεις είναι κεντρομόλες και τείνουν να συγκεντρώσουν όλα αυτά τα σύρματα κατά μήκος του άξονα του συστήματος.

Οι δυνάμεις του Λαπλάς τείνουν να συγκεντρώσουν τα σύρματα κατά μήκος του άξονα του συστήματος

Η εικόνα που έχει πολύ περισσότερο να κάνει με τον Gerold Yonas, τον εφευρέτη της μηχανής

Κατά τη σύγκρουση, τα μεταλλικά σύρματα υποβαθμίζονται σταδιακά:

Σχηματισμός της στιβάδας του πλάσματος

(διδακτορική διατριβή του Mathias Bavay )

Είναι το σύστημα των συρμάτων που διατηρεί την αξονική συμμετρία και αποτρέπει τις ασταθείς MHD αστάθειες να εμφανιστούν. Υπάρχουν διαφορετικές απόψεις για τη συμπεριφορά αυτού του συρματόφυλλου κατά τη διάρκεια αυτής της σύγκρουσης. Το σύρμα περιβάλλεται από μια στιβάδα πλάσματος σιδήρου. Το πείραμα δείχνει ότι τα σύρματα αφήνουν πίσω τους μια "ουρά περιστεριού" που αντιπροσωπεύει το 30% της μάζας τους.

Η διαδικασία αυτής της σύγκρουσης μπορεί να υπολογιστεί (βλ. παρακάτω). Το ακτινικό μήκος της κατσαρίτσας είναι 4 εκατοστά και το χρόνος είναι 100 νανοδευτερόλεπτα, η μέση ταχύτητα σύγκρουσης είναι 400 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Υπάρχει στην πραγματικότητα επιτάχυνση ακριβώς πριν τη σύγκρουση. Η ταχύτητα των ιόντων πριν από τη σύγκρουση είναι μεταξύ 550 και 650 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο. Η διατήρηση της αξονικής συμμετρίας καθιστά το πλάσμα σιδήρου σε τελική σύγκρουση ένα σύρμα διαμέτρου 1,5 χιλιοστών.

Ιόντα και ηλεκτρόνια συγκρούονται με την ίδια ταχύτητα προς τον άξονα. Δεν είναι δυνατό να χωριστούν δύο πληθυσμοί λόγω των ισχυρών ηλεκτροστατικών δυνάμεων που τα συνδέουν. Όταν αυτά τα σωματίδια, τα ιόντα σιδήρου και τα ηλεκτρόνια, συγκρούονται κοντά στον άξονα, υπάρχει θερμικοποίηση, δηλαδή, στην αρχή, η κινητική ενέργεια που σχετίζεται με την ακτινική ταχύτητα ανακατανέμεται σε όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό ισχύει για τα ιόντα όπως και για τα ηλεκτρόνια.

Ας ξεχάσουμε προσωρινά τα ηλεκτρόνια και ας φανταστούμε μια πληθυσμό αντικειμένων με μάζα ίση με αυτή των ιόντων σιδήρου που βρίσκονται κοντά στον άξονα στα 650 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο.

Η μάζα των ιόντων σιδήρου είναι 9 10

-26

κιλά

Θα γράψουμε:

3/2 k T i = 1/2 m i V 2 V = 600 km/s

Παίρνουμε μια θερμοκρασία ιόντων 925 εκατομμυρίων βαθμών. Απλή μετατροπή αυτής της ακτινικής ταχύτητας σε θερμοκρασία διεγέρσεως των ιόντων.

Κάνουμε το ίδιο υπολογισμό για τα ηλεκτρόνια, παίρνουμε μια θερμοκρασία 100 φορές χαμηλότερη, στα 9250 βαθμούς. Ένα ισχυρό φαινόμενο εκτός ισορροπίας αντίστροφης. Τότε οι συγκρούσεις εισέρχονται σε δράση. Για τα ιόντα, ο Μαλκόμ Χέινς υπολόγισε ότι ο χρόνος ρύθμισης (ο χρόνος θερμικοποίησης του αερίου των ιόντων, η δημιουργία μιας συνάρτησης κατανομής ταχυτήτων) είναι 37 πικοδευτερόλεπτα, δηλαδή 3,7 10

-11

δευτερόλεπτα. Αυτός ο χρόνος είναι μικρός σε σχέση με το "χρόνο στασιμότητας" του πλάσματος, σε μορφή ενός υπερπυκνού και υπερθερμού συρματόφυλλου, της μεγέθους ενός μολυβιού.

Οι μετρήσεις (εκπομπή ακτίνων Χ από "ακτινοβολία επιβράδυνσης", αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων-ιόντων) δίνουν μια θερμοκρασία 30 εκατομμυρίων βαθμών. Το αέριο των ηλεκτρονίων έχει λοιπόν θερμανθεί. Θα αναλύσουμε αυτό παρακάτω. Συνηθίζουμε να υπολογίζουμε τις υψηλές θερμοκρασίες σε ηλεκτρονιοβόλτ, σύμφωνα με τη σχέση

e V = k T

όπου e (η ηλεκτρική φορτίο μονάδα) = 1,6 10-19 κουλόνια

Αν έχουμε ένα μέσο που αντιπροσωπεύει μια θερμοκρασία, θερμανθεί σε "ηλεκτρονιοβόλτ" που να είναι ένα "eV", αυτό αντιστοιχεί σε μια θερμοκρασία

T = e / k = 11.600° K

Συνήθως χρησιμοποιούμε τάξεις μεγέθους, έτσι τα ηλεκτρονιοβόλτ μετατρέπονται σε βαθμούς Κελσίου με απλή προσέγγιση

T = 10.000 V

Έτσι ένα "keV", ένα χιλιοηλεκτρονιοβόλτ, αντιστοιχεί σε 10.000°

Οι μετρήσεις της ακτινοβολίας που εκπέμπονται (στην περιοχή των ακτίνων Χ) δίνουν μια θερμοκρασία 30 keV, την οποία στρογγυλοποιούμε σε 30 εκατομμύρια βαθμούς.

Άλλο πρόβλημα: βρίσκουμε ότι το αέριο των ιόντων είναι 3 έως 4 φορές θερμότερο από ό,τι θα προέκυπτε από απλή θερμικοποίηση. Οι μετρήσεις θερμοκρασίας δίνουν μια τιμή υψηλότερη από 2 δισεκατομμύρια βαθμούς, φθάνοντας ακόμη και στη μέγιστη τιμή των 3,7 δισεκατομμυρίων βαθμών. Από πού προέρχεται τότε το ενεργειακό; Επίσης θα συζητήσουμε αυτό παρακάτω; .

Μετρήσεις θερμοκρασίας έγιναν χρησιμοποιώντας την κλασσική μέθοδο της εκτίμησης της διαστολής των φασματικών γραμμών με το φαινόμενο Doppler. Τα πυρήνες (όπως τα άτομα, τα μόρια) εκπέμπουν ακτινοβολία σύμφωνα με ένα συγκεκριμένο φάσμα που παρουσιάζει χαρακτηριστικές γραμμές.

Αν το μέσο είναι σχετικά ψυχρό, αυτές οι γραμμές είναι λεπτές.

Φάσμα εκπομπής του ανοξείδωτου χάλυβα "σχετικά ψυχρό", θερμανθεί σε θερμοκρασία 100.000° K

Αναγνωρίζουμε τις γραμμές του χρωμίου (οι πρώτες, στα αριστερά), στη συνέχεια τις γραμμές του μαγγανίου, του σιδήρου και του νικελίου.

Σε αυτόν τον ανοξείδωτο χάλυβα το άνθρακας αντιπροσωπεύει 0,15% του μείγματος και οι γραμμές του δεν είναι ορατές.

Αυτές οι γραμμές αντιστοιχούν σε ηλεκτρονικές διεγέρσεις. Γύρω από έναν πυρήνα περιστρέφονται ηλεκτρόνια, σε καθορισμένες τροχιές, για λόγους που σχετίζονται με την κβαντική μηχανική (η ποσοτικοποίηση των τροχιών). Μια προσθήκη ενέργειας οποιασδήποτε προέλευσης μπορεί να προκαλέσει "μετάβαση", δηλαδή ένα αλλαγή τροχιάς ενός από τα ηλεκτρόνια. Αυτή η αλλαγή γίνεται πάντα στην κατεύθυνση της μετακίνησης των ηλεκτρονίων προς μια τροχιά πιο μακριά, η οποία αντιπροσωπεύει περισσότερη ενέργεια. Δεν χρειάζεται να κάνετε πολύ πολύπλοκους υπολογισμούς για να αναφέρετε αυτή την ιδέα. Ξέρετε πολύ καλά ότι για να τοποθετήσετε φορτία μάζας M σε τροχιά, όσο ψηλότερη είναι η τροχιά, τόσο πιο ισχυρό πρέπει να είναι το πυροσβεστικό. Η προσθήκη ενέργειας τοποθετεί το ηλεκτρόνιο σε μια "υψηλότερη" τροχιά, πιο μακριά από τον πυρήνα. Δεν παραμένει για πολύ (υπάρχει μια διάρκεια ζωής για αυτές τις καταστάσεις διεγέρσεως) και δεν καθυστερεί να επιστρέψει σε μια πιο κοντινή τροχιά στον πυρήνα σε μερικά νανοδευτερόλεπτα. Με αυτόν τον τρόπο χάνει ενέργεια που εκπέμπεται ως φωτόνιο το οποίο έχει ενέργεια ίση με τη διαφορά της ενέργειας των δύο επιπέδων τροχιάς. Έτσι προκύπτει αυτό το φάσμα με "γραμμές".

Ένα άτομο όπως το σίδηρος έχει 26 ηλεκτρόνια.

Όλα είναι σε θέση να πραγματοποιήσουν αλλαγή τροχιάς, να επιστρέψουν, όχι απαραίτητα στην αρχική τους τροχιά. Έτσι το φάσμα αποτελείται από μια πολύ μεγάλη ποικιλία γραμμών. Κάποιες είναι υψηλότερες από άλλες. Τι αντιπροσωπεύει αυτή η "ύψος των γραμμών"; Την ισχύ που εκπέμπεται σε αυτή τη συχνότητα. Μια γραμμή μετρά τη συνεισφορά μιας συγκεκριμένης μετάβασης. Κάποιες μεταβάσεις είναι πιο πιθανές από άλλες. Είναι αυτές οι πιο πιθανές μεταβάσεις, οι πιο συχνές, που θα δώσουν την περισσότερη ακτινοβολία. Με μια ματιά στο σχήμα παραπάνω βλέπουμε ότι για ανοξείδωτο χάλυβα που θερμαίνεται σε θερμοκρασία μεταξύ 58.000 (5 ηλεκτρονιοβόλτ) και 116.000° K (10 ηλεκτρονιοβόλτ) η ισχυρότερη εκπομπή προέρχεται από μια γραμμή του χρωμίου. Η γραμμή του μαγγανίου είναι "λιγότερο

e. Όταν γράφουμε τη διαφορική εξίσωση της κίνησης έχουμε μια σημαντική επιτάχυνση στο τέλος. Πρέπει επίσης να λάβουμε υπόψη το γεγονός ότι η αποφόρτιση δεν είναι σταθερής έντασης. Το I αυξάνεται με το χρόνο. Έχουμε:

M αντιπροσωπεύει τη μάζα του liner ανά μέτρο. Παρατηρούμε ότι στο τέλος της αποφόρτισης και στο τέλος της κίνησης η επιτάχυνση αυξάνεται. Η ταχύτητα αυξάνεται. Ο Haines γράφει:

Υπήρξε κάποιο πρόβλημα στην κατανόηση του πώς η ακτινοβολούμενη ενέργεια σε μια συμπίεση πυρήνα από σύρματα θα μπορούσε να φτάσει μέχρι και τέσσερις φορές την κινητική ενέργεια [1– 4], καθώς και πώς η πίεση του πλάσματος θα μπορούσε να είναι αρκετή για να ισορροπήσει τη μαγνητική πίεση στην κατάσταση στάσης αν οι θερμοκρασίες των ιόντων και των ηλεκτρονίων ήταν ίσες. Πραγματικά, θεωρητικά η πίεση του μαγνητικού πεδίου θα έπρεπε να συνεχίσει να συμπιέζει το πλάσμα οδηγώντας σε μια ακτινοβολική κατάρρευση. Κάποιες θεωρίες [5,6] έχουν αναπτυχθεί για να εξηγήσουν την πρόσθετη θέρμανση, αλλά καμία από αυτές δεν έχει αντιμετωπίσει την ανισορροπία των πιέσεων.

Ένα πρόβλημα προέκυψε στην εξήγηση του πώς η ακτινοβολούμενη ενέργεια από τη συμπίεση ενός συστήματος συρμάτων κατά μήκος του άξονα Z μπορούσε να φτάσει μέχρι και τέσσερις φορές την κινητική ενέργεια (1, 4) και πώς η πίεση στο πλάσμα θα μπορούσε να είναι αρκετή για να ισορροπήσει τη μαγνητική πίεση στη στιγμή της στάσης, αν οι θερμοκρασίες των ιόντων και των ηλεκτρονίων ήταν ίσες. Πραγματικά, θεωρητικά, η τεράστια μαγνητική πίεση θα έπρεπε να συνεχίσει να συμπιέζει το πλάσμα οδηγώντας σε μια πλήρη ακτινοβολική κατάρρευση. Κάποιες θεωρίες (5, 6) έχουν αναπτυχθεί για να προσπαθήσουν να εξηγήσουν αυτή την πρόσθετη θέρμανση, αλλά καμία δεν έχει μπορέσει να εξηγήσει αυτή την ισορροπία των πιέσεων.

Κοιτάξτε τις αναφορές που αναφέρονται:

[1] C. Deeney κ.ά., Phys. Rev. E 56, 5945 (1997).

[2] C. Deeney κ.ά., Phys. Plasmas 6, 3576 (1999).

[3] J. P. Apruzese κ.ά., Phys. Plasmas 8, 3799 (2001).

[4] C. A. Coverdale κ.ά., Phys. Rev. Lett. 88, 065001 (2002).

[5] L. I. Rudakov και R. N. Sudan, Phys. Rep. 283, 253 (1997).

[6] A. L. Velikovich, J. Davis, J.W. Thornhill, J. L. Giuliani,

Η αναφορά (1) χρονολογείται από το 1997. Έτσι, από την εποχή αυτή το φαινόμενο που δεν εξηγείται ήταν ήδη παρατηρήσιμο. Ο Deeney είναι ο διευθυντής των πειραμάτων της Z-machine. Δεν έχω διαβάσει αυτά τα άρθρα. Αν κάποιος μπορούσε να μου στείλει τα άρθρα σε μορφή pdf θα μπορούσα να τα διαβάσω και να δώσω πρόσθετες σημειώσεις.

Παραλείπουμε αμέσως τις συμπεράσματα του άρθρου:

Συνοπτικά, φαίνεται ότι οι ασταθείς μορφές MHD με μικρό μήκος κύματος στη στιγμή της στάσης σε συμπιέσεις μικρής μάζας παράγουν γρήγορη ιξώδη θέρμανση των ιόντων έως τιμές θερμοκρασίας που φτάνουν τα 200 keV (δύο δισεκατομμύρια βαθμούς). Τέτοιες θερμοκρασίες έχουν μετρηθεί, η ενέργεια προέρχεται από τη μετατροπή της μαγνητικής ενέργειας σε κινητική ενέργεια σε χρονικό διάστημα της τάξης των 5 νανοδευτερολέπτων. Επιπλέον, το φαινόμενο της επέκτασης των γραμμών, που σχετίζεται με την υψηλή θερμοκρασία των ιόντων, θα επιτρέψει μεγαλύτερη ακτινοβολική ισχύ λόγω της μείωσης της οπακότητας. Το προτεινόμενο μηχανισμό δίνει μια πιθανή εξήγηση για διάφορα φαινόμενα βασικής σημασίας για τη δυναμική των Z-pinch, συμπεριλαμβανομένης της ισορροπίας των πιέσεων στη στιγμή της στάσης, της απουσίας της ακτινοβολικής κατάρρευσης και της σημαντικής υπεροχής της ακτινοβολίας Χ.

Συνοπτικά φαίνεται ότι οι ασταθείς μορφές MHD με μικρό μήκος κύματος που παρατηρούνται στις συνθήκες στάσης, υποστηριζόμενες από μικρές ποσότητες υλικού, παράγουν γρήγορη ιξώδη θέρμανση των ιόντων έως θερμοκρασίες που φτάνουν τα 200 keV (δύο δισεκατομμύρια βαθμούς). Τέτοιες θερμοκρασίες έχουν μετρηθεί, η ενέργεια προέρχεται από τη μετατροπή της μαγνητικής ενέργειας σε κινητική ενέργεια σε χρονικό διάστημα της τάξης των 5 νανοδευτερολέπτων. Επιπλέον, το φαινόμενο της επέκτασης των γραμμών, που σχετίζεται με την υψηλή θερμοκρασία των ιόντων, θα επιτρέψει μεγαλύτερη ακτινοβολική ισχύ λόγω της μείωσης της οπακότητας. Ο προτεινόμενος μηχανισμός δίνει μια πιθανή εξήγηση για διάφορα φαινόμενα βασικής σημασίας για τη μελέτη της δυναμικής των Z-pinch, συμπεριλαμβανομένης της ισορροπίας των πιέσεων στη στιγμή της στάσης, της απουσίας της ακτινοβολικής κατάρρευσης και της σημαντικής υπεροχής της ακτινοβολίας Χ.

Η εξίσωση (1) του άρθρου αναφέρεται ως "η σχέση του Bennet", που χρονολογείται από το 1934 (αναφέρεται ως παρουσιασμένη στην αναφορά (1)). Μπορεί να ανακτηθεί χωρίς πολλές δυσκολίες. Εκφράζει απλά ότι η μαγνητική πίεση είναι ίση με την πίεση στο πλάσμα. Η μαγνητική πίεση δίνεται παραπάνω. Η συνολική πίεση στο πλάσμα δίνεται ως το άθροισμα των μερικών πιέσεων που αποτελούν τη συνεισφορά

• του αερίου των ηλεκτρονίων n
  e k T e

• και του αερίου των ιόντων n
  i k T i

όπου k είναι η σταθερά του Boltzmann.

Αν Z είναι το βαθμό ιονισμού

n e
= Z n
i S i, επίσης αυτές οι απόλυτες θερμοκρασίες εκφράζονται σε ηλεκτρονιοβόλτ και όχι σε βαθμούς Kelvin, με

k T = e V

τότε η πίεση στο πλάσμα γράφεται:

n i
e ( T
i

• Z T
  e ) O
  n βλέπουμε να εμφανίζεται το δεύτερο μέρος της "σχέσης του Bennet". Περισσότερα χρειάζεται να έχουμε αποδείξει ότι:

r είναι τότε ο ελάχιστος ακτίνας του συρματόπλασματος που είναι περιορισμένο στον άξονα. Ο Bennet εισάγει τότε έναν αριθμό ιόντων ανά μέτρο του liner N

i
.

Το οποίο δίνει (Bennet, 1934)

Αυτή η έκφραση είναι εντυπωσιακή γιατί η ελάχιστη ακτίνα του συρματόπλασματος δεν εμπλέκεται. Γιατί;

Όταν το συρματόπλασμα συρρικνώνεται, η μαγνητική πίεση που εφαρμόζεται σε αυτό αυξάνεται ως το αντίστροφο του τετραγώνου της ακτίνας του. Αλλά η πυκνότητα των ιόντων αυξάνεται επίσης με τον ίδιο τρόπο. Αυτό αντισταθμίζει αυτό. Είναι περίεργο, όντως, ότι η μεγάλη διαφορά μεταξύ των θερμοκρασιών των ιόντων και των ηλεκτρονίων δεν εξαρτάται από την τελική ακτίνα του συρματόπλασματος, που μπορεί να είναι τόσο μικρή όσο θέλουμε. Έχουμε μια διαφορική εξίσωση που δίνει την εξέλιξη της ακτίνας r του πλάσματος σε σχέση με το χρόνο:

Μπορούμε να υπολογίσουμε τη μορφή των καμπύλων (υπό την προϋπόθεση ότι διαθέτουμε τον νόμο αύξησης του ρεύματος I(t), ο οποίος είναι μια "είσοδος" του προβλήματος. Στην αρχή, στις Z machines αυτή η αύξηση είναι πρακτικά γραμμική, εκτός αν κάνω λάθος). Η μείωση του r εντείνεται. Εννοώ ότι η ταχύτητα της συμπίεσης αυξάνεται καθώς το r μειώνεται. Αν το r γίνει μηδέν, η ταχύτητα της συμπίεσης θα γίνει άπειρη. Αλλά γράφοντας αυτή την εξίσωση ξεχάσαμε κάτι: τη δύναμη πίεσης που αντιστέκεται στη συμπίεση. Πρέπει να τη λάβουμε υπόψη. Αυτό κάνει το πρόβλημα λιγότερο απλό από ό,τι φαίνεται. Αυτή η πίεση που αντιστέκεται στη συμπίεση εξαρτάται από τη θερμοκρασία των ιόντων. Ωστόσο, δεν μπορούμε να τη μοντελοποιήσουμε, επειδή, σύμφωνα με τον Haines, η αύξησή της εξαρτάται από ένα φαινόμενο που δεν ξέρουμε να πάρουμε υπόψη: τη θέρμανση του πλάσματος από τις μικρο-ασταθείς MHD.

Συμπέρασμα: πρέπει να ξέρουμε να σταματάμε όταν προσπαθούμε να μοντελοποιήσουμε και να σταματάμε να λαμβάνουμε υπόψη όλα τα παράμετρα. Έχουμε καλά την εξίσωση:

αλλά δεν γνωρίζουμε την ταχύτητα V των ιόντων στο τέλος της συμπίεσης. Εισαγωγή μιας μέσης ταχύτητας (ακτίνα του liner στο χρόνο της συμπίεσης) δεν έχει πολύ νόημα, επειδή η ταχύτητα αυξάνει στο τέλος της συμπίεσης.

Ο Haines αναφέρεται τότε σε μια συγκεκριμένη δοκιμή της Z-machine, τη Z1141, όπου η μάζα του liner ανά μέτρο ήταν 450 χιλιοστά του γραμμαρίου από σύρματα ανοξείδωτου χάλυβα (4,5 10 -5
k/m), τοποθετημένα σε δύο συγκεντρικά δακτύλια, ο πρώτος, διαμέτρου 55 mm, που έχει τη διπλάσια μάζα από τον άλλο, διαμέτρου 27,5 mm.

Παραπάνω, ο Haines θα χρησιμοποιήσει μια τιμή του Ni (αριθμός ιόντων ανά μέτρο) 3,41 10
20
. Η μάζα ενός ατόμου του σιδήρου είναι 9 10
-26
kilo αν διαιρέσω το 4,5 10
-5
k/m με αυτή τη μάζα παίρνω 5 10
20
. Αλλά αναφέρει ότι κατά τη διάρκεια της συμπίεσης το 30% της μάζας "χάνεται στο δρόμο". Έτσι παρατηρούμε περίπου τον αριθμό του.

Δείχνει ότι οι μετρήσεις της θερμοκρασίας των ηλεκτρονίων που έγιναν δίνουν 3 keV τη στιγμή της στάσης, δηλαδή 35 εκατομμύρια βαθμούς. Αναφέρει ότι το ρεύμα ανέβηκε στα 18 μεγα-αμπέρ σε 100 νανοδευτερόλεπτα. Εκτιμά ότι το 30% της ύλης "χάθηκε στο δρόμο", αλλά το 70% έφτασε στον προορισμό της. Πράγματι, αυτό προκύπτει από όλες αυτές τις μελέτες με τα σύρματα (διατριβή του Bavay). Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης αυτά τα σύρματα "εξατμίζονται" όπως οι κομήτες που εκπέμπουν αέριο. Αφήνουν "στο ίχνος τους" ένα στίγμα πλάσματος, το οποίο μπορεί να αντιπροσωπεύει 30 έως 50% της μάζας των συρμάτων.

Με N
i
= 3,41 10
20
ιόντα ανά μέτρο και Z = 26 (σίδηρος), εφαρμόζουμε τη σχέση του Bennet με το ηλεκτρικό φορτίο e = 1,6 10
-19
( Coulomb )

m
o = 4
p 10 -7
MKSA

Υπολογίστε ( T
i

• Z T
  e
  ) :

που αντιστοιχεί σε

3,44 δισεκατομμύρια βαθμούς

. Όταν η διάμετρος του συρματόπλασματος περνά από ένα ελάχιστο βλέπετε την καμπύλη, η μέτρηση της θερμοκρασίας των ιόντων είναι 270 keV, δηλαδή 3,12 δισεκατομμύρια βαθμούς.

Λαμβάνοντας υπόψη την περιοχή του σφάλματος αυτή η συμφωνία είναι απλά εντυπωσιακή.

26 Ιουνίου 2006

Πώς να εκτιμήσεις τη θερμοκρασία των ιόντων σε ένα πείραμα (J.P.Petit 27 Ιουνίου 2006)

Επαναλαμβάνουμε τη λεπτομέρεια της ανάπτυξης της διαφορικής εξίσωσης που δίνει τη δυναμική ενός στοιχείου του liner που υπόκειται στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Επαναλαμβάνουμε όλα αυτά. Είναι εύκολο να αποδείξουμε ότι το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ένα φύλλο συρμάτων που τοποθετούνται κατά μήκος ενός κυλίνδρου είναι ισοδύναμο με αυτό που θα δημιουργούταν από ένα μόνο σύρμα που τοποθετείται στον άξονα και διαρρέεται από όλο το ρεύμα. Έστω:

Υπάρχουν n σύρματα. Σε κάθε σύρμα περνά το ρεύμα I/n. Αυτό υπόκειται στη δύναμη του Laplace, ανά μονάδα μήκους:

Ονομάστε M τη μάζα ανά μονάδα μήκους του liner. Όσο το σύρμα δεν έχει εξατμιστεί, η διαφορική εξίσωση προκύπτει γράφοντας:

όπου I εξαρτάται από το χρόνο, επίσης. Αλλά είναι ένα δεδομένο της εξίσωσης.

Αντικαταστήστε τώρα το σύρμα με μια μεταλλική ατμόσφαιρα. Πιο συγκεκριμένα, αντικαταστήστε το σύστημα όλων των συρμάτων με έναν κύλινδρο πλάσματος, ένα "pinch". Αυτός εξακολουθεί να διαρρέεται από το ρεύμα I. Στην επιφάνεια μπορούμε να υπολογίσουμε το πεδίο B, πάντα με την ίδια τύπο. Αλλά μπορούμε επίσης να εισαγάγουμε μια δύναμη πίεσης, η οποία τείνει να σταματήσει αυτή τη συμπίεση. Αυτή η πίεση είναι η πίεση των ιόντων

p i = n i k T i

Δεν είμαστε ελεύθεροι, επειδή εξαρτάται από την ενέργεια που μεταφέρεται στα ιόντα με έναν ακόμα μη εξηγημένο τρόπο, μέσω των MHD ασταθειών, σύμφωνα με τον Haines. Έχουμε τη δύναμη του Laplace που εφαρμόζεται σε κάθε "σύρμα" ή σε κάθε τμήμα του πλάσματος που αντιστοιχούσε στο τμήμα 2
p / n που κατείχε. Η δύναμη πίεσης που εφαρμόζεται σε αυτό το τμήμα ανά μονάδα μήκους είναι:

Μπορώ να πάρω τη διαφορική εξίσωση της κίνησης γράφοντας:

Έχουμε:

εισάγοντας στην εξίσωση:

Επειδή δεν γνωρίζουμε πώς εξελίσσεται η θερμοκρασία των ιόντων με το χρόνο, επειδή εξαρτάται από αυτή την εξωτερική παροχή ενέργειας, δεν μπορούμε να πάμε πολύ περισσότερο, εκτός αν αναζητήσουμε να εκτιμήσουμε την τιμή της θερμοκρασίας των ιόντων όταν η επιτάχυνση είναι μηδέν, στην "κατάσταση στάσης", όταν η επιτάχυνση είναι μηδέν, δηλαδή r" = 0. Παίρνουμε τότε:

Παρατηρούμε ότι αυτή η θερμοκρασία των ιόντων (πρόκειται για μια τάξη μεγέθους σε ένα απλό υπολογισμό), που αντιστοιχεί σε "κατάσταση στάσης", εξαρτάται από το τετράγωνο της συνολικής έντασης του ρεύματος I και αυξάνει όταν ο αριθμός των ιόντων ανά μέτρο μειώνεται. Έτσι, για την ίδια μάζα και την ίδια γεωμετρία του liner θα ήταν καλύτερο να χρησιμοποιήσουμε βαρύτερα άτομα, όπως προτείνει ένας πρώην της DAM (τμήμα εφαρμογών στρατιωτικής χρήσης), για παράδειγμα χρυσό, που είναι εύκαμπτος, εύκολος στην επεξεργασία, τέσσερις φορές βαρύτερος από τον ανοξείδωτο χάλυβα. Με τη διάταξη της Z-machine της Sandia θα μπορούσαμε να ελπίζουμε να φτάσουμε σε θερμοκρασία δέκα δισεκατομμυρίων βαθμών.

Αλλά θα χρειαστεί να ελεγχθούν όλα τα παράμετρα, δηλαδή να ξέρουμε "γιατί έτσι τα πράγματα τα έκαναν". Η ταχύτητα εξατμίσεως του υλικού μπορεί να παίξει καθοριστικό ρόλο. Όσο χαμηλότερη είναι, τόσο περισσότερο ο liner θα παραμείνει σε μορφή συρμάτων, διατηρώντας την αξιοσημείωτη αξονική συμμετρία. Αν η ταχύτητα του χρυσού είναι πολύ υψηλή, η αντικατάσταση του ανοξείδωτου χάλυβα με αυτό το υλικό θα μπορούσε να οδηγήσει σε χειρότερα αποτελέσματα. Αλλά σε κάθε περίπτωση πρέπει να το δοκιμάσουμε. Και φυσικά να δοκιμάσουμε με υψηλότερες ισχύς. Τι θα πάρουν οι Αμερικανοί με τη ZR, η οποία θα αναπτύξει 28 εκατομμύρια αμπέρ αντί για 20; Λογικά η θερμοκρασία των ιόντων θα έπρεπε να φτάσει σε υψηλότερες τιμές. Ίσως πέντε δισεκατομμύρια βαθμούς.

Αν εμπιστευτούμε αυτή την έκφραση, η οποία μας δίνει την τάση της πειραματικής διαδικασίας, η τρόπος με τον οποίο οι παράμετροι θα επηρεάζουν τη θερμοκρασία των ιόντων στο τέλος της συμπίεσης θα υποδεικνύει ότι με μια τέτοια διάταξη όπως αυτή της Z-machine της Sandia, το γεννήτριο του Gramat δεν θα μπορούσε να ξεπεράσει τα 50 εκατομμύρια βαθμούς. Αλλά μπορούν να εξεταστούν και άλλες διατάξεις. Παρακάτω.

Επιστρέφοντας στην εξίσωση του Bennet. Στη δοκιμή της Sandia η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων T
e
μετρημένη (σύμφωνα με την ακτινοβολία των ακτίνων Χ) είναι 3 k eV. Με Z = 26 έχουμε:

Z T e = 78 D
οπότε η πίεση δεν οφείλεται στο αέριο των ηλεκτρονίων! Υπάρχει ακόμα για να ισορροπήσει τη μαγνητική πίεση (σχέση του Bennet) η πίεση των ιόντων. Αλλά θα πρέπει να είναι σε θερμοκρασία 219 keV, δηλαδή ... 2,54 δισεκατομμύρια βαθμούς! Πράγματι, πρέπει να:

T i

• 78 (μετρημένο) = 296

Αλλά αυτό δεν είναι όλο. Πριν από αυτές τις δοκιμές της Sandia είχαν εκτελεστεί με "gas puff" δηλαδή "παλινδρομικές ροές αερίου" που στέλνονταν στο κέντρο του συστήματος και συμπιεστές με τον αγωγό συρμάτων.

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.

Παρά ταύτα, το ίδιο ανισορροπία στην ισορροπία των πιέσεων βρέθηκε σε πειράματα Z-pinch που έγιναν με "gas puff" (9), στα οποία τα προφίλ πυκνότητας και θερμοκρασίας είχαν μετρηθεί στην κατάσταση στάσης, αλλά και με μια ακόμα ανεξήγητη υψηλή μετρημένη θερμοκρασία των ιόντων 36 keV.

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

Επίσης, αν κάποιος αναγνώστης μπορούσε να μου στείλει το pdf της αναφοράς (9), θα το εξετάζαμε περισσότερο προσεκτικά.

Ο Haines αποκλείει τη θέρμανση λόγω αντίστασης, το απλό φαινόμενο Joule προς το οποίο επικεντρώθηκε ο Yonas. Αναφέρει για παράδειγμα ότι για να θερμάνει ένας πιντς διαμέτρου 2 mm σε 3 keV (3 εκατομμύρια βαθμούς) χρειάζεται 8 μικροδευτερόλεπτα!

Δεν βλέπει παρά το περιβάλλον μαγνητικό πεδίο ως πιθανή πηγή ενέργειας. Προτείνει τότε να επικαλεστεί τη θέρμανση των ιόντων μέσω μικρο-ασταθειών MHD σε πολύ μικρό μήκος κύματος, η οποία θα ακολουθηθεί από ισοκατανομή, θέρμανση του αερίου των ηλεκτρονίων με κρούσεις ιόντων-ηλεκτρονίων, και τελικά αυτό θα οδηγήσει σε ακτινοβολία ενέργειας από τα ίδια τα ηλεκτρόνια (μέσω της κλασσικής ακτινοβολίας επιβράδυνσης, δηλαδή μέσω αλληλεπίδρασης με το μαγνητικό πεδίο) C
e που αναφέρεται στη φύση αυτών των MHD ασταθειών. Επιτυγχάνουμε μια εξίσωση ενέργειας που γράφεται:

k είναι η σταθερά του Boltzmann και

n
eq
η συχνότητα σύγκρουσης. C
Aest η ταχύτητα του Halfven, C
s
η ταχύτητα του ήχου, a είναι η ελάχιστη διάμετρος του πλάσματος. Ωστόσο, ο Haines γράφει αυτή την εξίσωση διαφορετικά, τοποθετώντας τις θερμοκρασίες σε ηλεκτρονιοβόλτ και αντικαθιστώντας αυτή τη συχνότητα σύγκρουσης με το αντίστροφό της, το χρόνο μέσου ελεύθερου δρόμου
t
eq
.

Σε σχέση με τα μη ισορροπικά πλάσματα όπως για παράδειγμα εκείνο του αερίου του νεόνου στην κουζίνα σας θα παρατηρήσετε ότι τώρα είναι η θερμοκρασία των ιόντων που είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων (ενώ στο αερίο είναι το αντίθετο: ηλεκτρόνια θερμά, νεόν ψυχρό). Παρακάτω η εξίσωση για ένα μέσο που δεν είναι σε ισορροπία όπως ένα απλό αερίο νεόνου.

Το πρώτο μέρος αντιπροσωπεύει τη θέρμανση του αερίου των ηλεκτρονίων με το φαινόμενο Joule. J είναι το διάνυσμα πυκνότητας ρεύματος και
s
η ηλεκτρική αγωγιμότητα. Το δεύτερο μέρος, της προηγούμενης εξίσωσης, διαβάζεται με τον ακόλουθο τρόπο. Έχουμε στον παρονομαστή το χρόνο μέσου ελεύθερου δρόμου του ηλεκτρονίου στο νεόν, το αντίστροφο της οποίας είναι μια συχνότητα σύγκρουσης. Όταν τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν ενέργεια στα ιόντα το κάνουν με δυσκολία και ένας συντελεστής, ο λόγος των μαζών, εμφανίζεται στην εξίσωση.

Αλλά όταν ένα ιόν χτυπά ένα ηλεκτρόνιο ο συντελεστής μεταφοράς ενέργειας είναι η μονάδα. Έτσι αυτός ο συντελεστής λόγου μαζών εξαφανίζεται, ή περισσότερο, είναι ... η μονάδα. Ο Haines παράγει την κλασσική τύπο για την υπολογισμό της συχνότητας σύγκρουσης ηλεκτρονίου-ιόντος. Είμαστε στο "κολοβιανό" ρείμα. Βρίσκουμε στην έκφραση την τομή σύγκρουσης ηλεκτρονίου-ιόντος. Αυτοί που γνωρίζουν τη θεωρία της κινητικής των αερίων θα αναγνωρίσουν αυτή την κλασσική έκφραση.

Η παράγραφος που αφορά την προέλευση των MHD ασταθειών είναι αρκετά επιφανειακή, ιδιαίτερα επειδή ο παράγοντας Hall των ιόντων είναι μεγαλύτερος από τη μονάδα.

Αυτό που εμπλέκεται σε αυτόν τον παράγοντα είναι η συχνότητα σύγκρουσης ιόντων-ιόντων.

Ο Yonas μου έγραψε ότι "η θεωρία του Haines εξηγεί καλά αυτή την ανισορροπία" αλλά δεν είμαι πλήρως πεισμένος. Ας πούμε ότι "η εξήγηση" του Haines είναι πολύ αρχική και περιορίζεται σε μια δεκαριά γραμμές. Υποθέτει ότι αυτές οι ασταθείς επηρεάζουν τα ιόντα και προκαλούν σε αυτό το περιβάλλον θέρμανση ιξώδους.

Ο αναγνώστης θα ρωτήσει πολύ πιθανώς πώς μοιάζουν αυτές οι ασταθείς και πώς εμφανίζονται. Η διασπορά λόγω φαινομένου Joule, ανά μονάδα όγκου:

Οι ασταθείς που εξετάζονται δημιουργούν τυρβή της πυκνότητας του ρεύματος. Οι γραμμές ρεύματος συμπιέζονται, επεκτείνονται, συμπιέζονται ξανά, σύμφωνα με μεγάλα μήκη κύματος που ο Haines υπολογίζει σε μικρόμετρα ή δεκάδες μικρόμετρα. Είναι μικρο-ασταθείς. Α

Φαίνεται ότι το διάμετρος του πλάσματος περνά από ένα ελάχιστο λίγο πριν την ώρα t = 110 ns. Παρατηρούμε εκπομπή ακτίνων Χ για διάρκεια περίπου 5 ns. Σημειώστε τις μέγιστες θερμοκρασίες που καταγράφηκαν. 300 keV (3,48 δισεκατομμύρια βαθμών) για τα ιόντα σιδήρου και 340 keV (3,94 δισεκατομμύρια βαθμών) για τα ιόντα μαγγανίου.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Η τύπος του Bennet:

m o I 2 = 8 p N i ( T i

• Z T

e )

δίνει (βλ. παραπάνω) 2,5 δισεκατομμύρια βαθμών για το σίδηρο. Αυτός ο υπολογισμός αναφέρεται στο πείραμα Z1141 (18 εκατομμύρια Αμπέρ. Γύρος 450 mg), όπως και στην εικόνα 1. Ωστόσο, οι αναλύσεις και τα δεδομένα που παρουσιάζονται σε αυτό το άρθρο αναφέρονται σε τρία πειράματα (Z1141, Z1137 και Z 1386).

Σχόλιό μου:

Επιστρέψτε στον τίτλο του άρθρου του Haines: "πάνω από 2 × 10⁹ Kelvin", που σημαίνει "πάνω από δύο δισεκατομμύρια βαθμούς". Ενώ στα προηγούμενα χρόνια αυτά τα συστήματα είχαν φτάσει σε μισό εκατομμύριο, δύο εκατομμύρια βαθμούς και πάνω, από τη μια στιγμή στην άλλη η μηχανή φαίνεται να επιταχύνεται. Οι αναγνώστες θα μπορούσαν να εκπλαγούν για την έλλειψη εκπομπής από το άνθρακα. Ωστόσο (Wikipedia), το ανοξείδωτο χάλυβας περιέχει πολύ λίγο άνθρακα (λιγότερο από 0,15%). Δείτε το πλαίσιο.

Ο χάλυβας, σύμφωνα με τη Wikipedia:

Ο χάλυβας είναι ένα μεταλλικό κράμα του οποίου η κύρια συστατική είναι το σίδηρο, με τον άνθρακα να είναι το κύριο υλικό πρόσμειξης.

Ο άνθρακας λειτουργεί ως σκληρυντικό, εμποδίζοντας τα άτομα σιδήρου, που φυσικά διατάσσονται σε κρυσταλλικό πλέγμα, να γλιστρήσουν το ένα πάνω στο άλλο (διατάξεις). Μεταβάλλοντας την ποσότητα του άνθρακα και τη διανομή του στο κράμα, ελέγχεται η σκληρότητα, η ελαστικότητα, η πλαστικότητα και η αντοχή σε τάση του τελικού χάλυβα. Ο χάλυβας με αυξημένη περιεκτικότητα σε άνθρακα μπορεί να γίνει σκληρότερος και ανθεκτικότερος από το σίδηρο, αλλά είναι επίσης πιο ρητινωτός (καταστροφικός).

Μία κλασική ορισμός είναι ότι οι χάλυβες είναι κράματα σιδήρου-άνθρακα με μέχρι 2,1% άνθρακα βάρους· τα κράματα με υψηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα από αυτή την τιμή είναι γνωστά ως χυτοί χάλυβες (φούντα). Ο χάλυβας διακρίνεται επίσης από τον καλούμενο σιδηρό (σιδηροκαλούμενο), που έχει λίγο ή καθόλου άνθρακα. Σήμερα είναι συνηθισμένο να μιλάμε για τη "βιομηχανία σιδήρου και χάλυβα" ως αντικείμενο μοναδικό, αλλά σήμερα είναι ένα, ενώ ιστορικά ήταν δύο διαφορετικά προϊόντα.

Το ανοξείδωτο χάλυβας (προστατευμένο από μια επιφανειακή στρώση οξειδίου χρωμίου, αόρατη)

Στη μεταλλουργία, το ανοξείδωτο χάλυβας ορίζεται ως ένα φερρικό κράμα με ελάχιστη περιεκτικότητα 10,5% χρωμίου (ένα κράμα ονομάζεται ανοξείδωτο αν περιέχει ελάχιστο 10,5% χρωμίου).

Τα αυστενικά ανοξείδωτα κράματα αποτελούν περισσότερο από 70% της συνολικής παραγωγής ανοξείδωτου χάλυβα. Περιέχουν μέγιστο 0,15% άνθρακα, ελάχιστο 16% χρωμίου και αρκετό νικέλιο και/ή μαγγάνιο για να διατηρήσουν την αυστενική δομή σε όλες τις θερμοκρασίες, από την κρυογενή περιοχή μέχρι το σημείο τήξης του κράματος.

Τα αυστενικά χάλυβα (μια ειδική κρυσταλλική δομή) αποτελούν 70% της παραγωγής. Περιέχουν μέγιστο 0,15% άνθρακα (...), ελάχιστο 16% χρωμίου και αρκετό νικέλιο και/ή μαγγάνιο για να διατηρήσουν την αυστενική δομή σε όλες τις θερμοκρασίες, από πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, κρυογενείς μέχρι το σημείο τήξης του κράματος.

Έχουμε σχεδιάσει τις δύο καμπύλες θερμοκρασίας για το αέριο ιόντων σιδήρου και το αέριο ιόντων μαγγανίου, που φαίνονται διαφορετικές. Ωστόσο, αφενός, η εύρος σφάλματος που αναφέρεται για το μαγγάνιο επιτρέπει να θεωρήσουμε ότι αυτές οι δύο θερμοκρασίες μπορεί στην πραγματικότητα να είναι πολύ παρόμοιες. Αφετέρου, το ιόν μαγγανίου, αν και έχει πρακτικά την ίδια φορτίο με το ιόν σιδήρου (25 έναντι 26), είναι δύο φορές πιο ελαφρύ (30 έναντι 58). Δεν είναι λοιπόν απίθανο ότι, υπό την επίδραση μιας MHD αστάθειας, αυτά τα δύο αέρια, που είναι στενά συνδεδεμένα, να εμφανίζουν μεταξύ τους ένα (λίγο: 12%) απόκλιση από την ισορροπία και να έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες.

Haines: Ο διάμετρος του πλάσματος φτάνει την ελάχιστη τιμή των 1,5 mm 2 νανοδευτερόλεπτα πριν από την κορυφή εκπομπής ακτίνων Χ. Υπολογίζει ότι τη στιγμή που επιτυχθεί αυτή η κορυφή, η πυκνότητα και "η ισοκατανομή" πρέπει να είναι μέγιστες (θα είχα την τάση να διαβάσω "η τάση προς ισοκατανομή").

Ας προσπαθήσουμε να "φωνάξουμε" αυτές τις διάφορες καμπύλες. Τι συμβαίνει;

Έχουμε τέσσερα σημεία μέτρησης θερμοκρασίας. Ένα αποκλείεται, για το σίδηρο, το δεύτερο, λόγω προβλήματος μέτρησης. Αυτός ο μικρός αριθμός αντιπροσωπεύει όλα όσα μπορεί να καταγράψει το σύστημα καταγραφής. Είναι ήδη εξαιρετικό, όχι μόνο για τη διάθεση μετρήσεων θερμοκρασίας, αλλά και για την έννοια της εξέλιξής τους στο χρόνο. Ωστόσο δεν έχουμε πρόσβαση σε τιμές πριν από t = 105 ns και μετά από t = 115 ns.

Το κείμενο λέει ότι τη στιγμή της "στασιμότητας" (stagnation) του πλάσματος η θερμοκρασία ηλεκτρονίων είχε φτάσει τα 3 keV, δηλαδή 35 εκατομμύρια βαθμούς. Αυτό σημαίνει ότι τη στιγμή που αυτή η θερμοκρασία είναι μέγιστη, δεν θα αυξηθεί περισσότερο από το εκατοστό της τιμής που φτάνει η μέγιστη θερμοκρασία ιόντων. Εφόσον η εκπομπή ισχύος αυξάνεται με ένα ισχυρό "παλμό", πρέπει να υποθέσουμε ότι πριν από t = 105 ns ήταν πολύ μικρότερη. Έχουμε την εντύπωση ότι αυτή η θερμοκρασία καταρρέει, κατά παράγοντα 9, γύρω στα 115 ns. Ωστόσο, η νόμος του Stefan λέει ότι η ακτινοβολούμενη ισχύς μεταβάλλεται ως το τέταρτο δυναμικό της θερμοκρασίας. Επομένως, η μείωση είναι στο λόγο της τέταρτης ρίζας του 9, δηλαδή 1,73. Αυτό φέρνει τη Te σε 3/1,68 keV. Σχεδιάζω την καμπύλη, περίπου:

Στο μαύρο, η μεταβολή της θερμοκρασίας ηλεκτρονίων. Στο κόκκινο, η μεταβολή της ακτινοβολούμενης ισχύος (νόμος του Stefan)

Τώρα, στο t = 105 ns, τα ιόντα είναι ήδη ζεστά (T της τάξης των 200 keV). Επομένως, αυτός ο μηχανισμός θέρμανσης, που πρέπει να εξηγηθεί, ενεργεί πριν από τη στασιμότητα, όταν η ακτινοβολία είναι ελάχιστη, που συμβαίνει στο t = 110 ns.

Σχηματικά: το πλάσμα συρρικνώνεται. Χωρίς αυτό το φαινόμενο προσθήκης ενέργειας, που πρέπει να εξηγηθεί, αλλά που ο Haines νομίζει ότι προέρχεται από μετατροπή μαγνητικής ενέργειας σε θερμότητα, το πλάσμα θα συρρικνωνόταν πλήρως, αν η θερμοκρασία των ιόντων ήταν ίδια με αυτή των ηλεκτρονίων (λιγότερο από είκοσι εκατομμύρια βαθμούς πριν από t = 105 δευτερόλεπτα).

Όμως τα ιόντα τροφοδοτούνται με αυτή την προσθήκη. Η θερμοκρασία των ιόντων αυξάνεται. Ο συζεύξη μεταξύ του αερίου ιόντων και του αερίου ηλεκτρονίων γίνεται στο "χαρακτηριστικό χρόνο ισοκατανομής" t_eq που ο Haines εκτίμησε σε 5 ns. Ο χρόνος ανόδου της θερμοκρασίας ηλεκτρονίων αντιστοιχεί σε αυτή την τιμή (από 107 έως 112 ns).

Ο Haines λέει ότι αυτό το φαινόμενο θέρμανσης του αερίου ιόντων είναι αρκετό για να αντισταθμίσει τη μαγνητική πίεση και ότι οι "συνθήκες στασιμότητας" επιτυγχάνονται πραγματικά, εφόσον η χαρακτηριστική ταχύτητα με την οποία μεταβάλλεται η ακτίνα του πλάσματος είναι μόνο 15% της θερμικής ταχύτητας των ιόντων. Μπορούμε να εκτιμήσουμε τη θερμική ταχύτητα των ιόντων σιδήρου μεταξύ των ελάχιστων και μέγιστων τιμών της μετρημένης θερμοκρασίας.

• Για την ελάχιστη θερμοκρασία, 230 keV ή 2,66 δισεκατομμύρια βαθμούς: = 1066 km/s
• Για τη μέγιστη θερμοκρασία, 320 keV ή 3,7 δισεκατομμύρια βαθμούς: = 1258 km/s

Ο Haines συγκρίνει αυτές τις τιμές με τη "ταχύτητα διαστολής" του πλάσματος και λέει ότι αντιπροσωπεύει το 15% αυτής της τιμής. Με οποιοδήποτε τρόπο την εκτιμήσουμε, παίρνοντας σημεία στην καμπύλη, παραμένει μικρότερη από τη θερμική ταχύτητα, πράγμα που φαίνεται να δείχνει ότι η πίεση στο πλάσμα έχει ισορροπήσει τη μαγνητική πίεση.

Μετά, ο διάμετρος του πλάσματος ξανααρχίζει να αυξάνεται. Γιατί; Διότι η θέρμανση των ιόντων συνεχίζεται. Θα μπορούσαμε να προσπαθήσουμε να υπολογίσουμε αυτή τη διαστολή.

Υπάρχει μία πράξη που δεν καταλαβαίνω ακόμα: γιατί η θερμοκρασία ηλεκτρονίων επιστρέφει, εφόσον το αέριο ηλεκτρονίων πρέπει να συνεχίζει να τροφοδοτείται με ενέργεια από το αέριο ιόντων, το οποίο συνεχίζει να θερμαίνεται, τουλάχιστον εντός της χρονικής περιόδου που μας είναι διαθέσιμη.

Προσοχή: Ποια είναι η θερμική ταχύτητα στο αέριο ηλεκτρονίων που φέρεται σε 3 keV (35 εκατομμύρια βαθμούς);

Υποθέστε ότι καταφέρουμε να περάσουμε 18 εκατομμύρια Αμπέρ μέσα από ένα σύρμα πλάσματος διαμέτρου ενός χιλιοστού και μισού. Ποια είναι η τιμή του μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια του πλάσματος και η αντίστοιχη τιμή της μαγνητικής πίεσης; (με την υπόθεση ότι θεωρούμε τον αγωγό ως άπειρο, φυσικά)

27 Ιουνίου 2006:

Στη Γαλλία, μία ενδιαφέρουσα ιδέα.

Σε ένα άλλο αρχείο που αφιερώθηκε στις μηχανές μαγνητικής συμπύκνωσης, επηρεασμένες από τις ρωσικές μηχανές της δεκαετίας του 1950, είδαμε την αρχή της μηχανής MK-1. Στη συνέχεια άνθρωποι δοκίμασαν με γύρους όχι κυλινδρικούς, αλλά κωνικούς. Παίρνουμε ένα "φαινόμενο κενού φορτίου". Η μάζα του γύρου, συγκεντρώνοντας στον άξονα, δημιουργεί ένα βέλος που εκτοξεύεται με μεγάλη ταχύτητα. Νομίζω ότι πήραμε ταχύτητες 80 km/s. Να επαληθευτεί. Παρ' όλα αυτά, όπως μου υπενθύμισε ο Violent, μπορούμε να εξετάσουμε Z-μηχανές με γύρους σε σχήμα σύρματος όχι κυλινδρικού, αλλά κωνικού. Μπορούμε τότε να ελπίζουμε να πάρουμε με τον ίδιο τρόπο ένα φαινόμενο κενού φορτίου. Διάφορες διατάξεις μπορούν να εικονιστούν. Η MHD είναι το πεδίο προτίμησης για τις πιο φανταστικές λύσεις. Παρακάτω μία διάταξη που αποτελείται από δύο κώνους με κοινή βάση. Αν τα δύο βέλη πλάσματος σχηματιστούν και εισέλθουν σε σύγκρουση, μπορεί να επιτευχθούν υψηλότερες θερμοκρασίες, ακόμα και με μία μηχανή όπως αυτή του Gramat.

Δεν μπορούμε να κάνουμε περισσότερα από αυτό το σχέδιο. Μπορούν να εξεταστούν προσομοιώσεις και, φυσικά, πειράματα.

Υπάρχει μία άλλη ιδέα που εμφανίζεται: να γλιστρήσει ο γύρος πάνω σε δίκωνο. Η ιδέα δεν είναι καινούργια. Παρακάτω το σχέδιο, αντίστοιχο με ένα συνεχή γύρο:

Αρκεί να μεταφέρουμε, με ένα γύρο σε σχήμα σύρματος.

16 Ιουλίου 2006:

Ποια είναι η τιμή του παραμέτρου Hall b i = W i t ii για τα ιόντα;

Ο Haines, στο άρθρο του, λέει ότι είναι μεγαλύτερη από τη μονάδα. Αυτή η παράμετρος είναι το λόγος της γυροσυχνότητας προς τη συχνότητα σύγκρουσης. Σύμφωνα με τον Haines, αυτή η συχνότητα σύγκρουσης ιόντων είναι κυρίως μία συχνότητα σύγκρουσης ιόντων-ιόντων. Το αντίστροφο της, ο χρόνος αποκατάστασης t ii, δίνεται ως 37 πικοδευτερόλεπτα. Αυτό δίνει μία συχνότητα σύγκρουσης:

n ii = 3 × 10¹⁰

Η γυροσυχνότητα είναι:

Αυτό δίνει την τιμή b i = 0,258 Z για το παράμετρο Hall των ιόντων, Z είναι η φορτίο του ιόντος (μέγιστο 26 αν το ιόν είναι πλήρως απαλειφθέν). Έχουμε λοιπόν, όπως λέει ο Haines, μία παράμετρο Hall μεγαλύτερη από τη μονάδα. Πολύ εργασία για τους θεωρητικούς που είμαστε.

Μία επιπλέον πληροφορία (πηγή: http://www.sandia.gov/pulsedpower/prog_cap/pub_papers/023862p.pdf)

Το χαρακτηριστικό προφίλ της εκκένωσης ρεύματος στη μηχανή Z:

Η σύντομη αύξηση της έντασης (εκατό νανοδευτερόλεπτα) επέτρεψε την επίτευξη αυτών των αποτελεσμάτων στη μηχανή Sandia. Πράγματι, αποδείχθηκε ότι η υποβόθρα των συρμάτων ήταν πιο αργή από ό,τι προβλεφθεί. Έτσι, αυτή η δομή "γύρου σε σύρματα" μπόρεσε να διατηρηθεί κατά τη συρρίκνωση, διατηρώντας την άξονα συμμετρία, η οποία εξαφανίζεται αμέσως όταν το αντικείμενο, μετατραπεί σε πλάσμα, αρχίζει να συστρέφεται υπό την επίδραση MHD αστάθειας. Όταν προσπαθεί κανείς να συρρικνώσει ένα γύρο που αποτελείται από ένα μεταλλικό κύλινδρο, προκύπτει κάτι παρόμοιο με το να προσπαθήσεις να συμπιέσεις ένα κύλινδρο χαρτιού στο χέρι σου. Νομίζω ότι οι Γάλλοι (η μηχανή Sphinx, άρθρο παρουσιασμένο τον Σεπτέμβριο 2006 στο συνέδριο του Tomsk, Σιβηρία, ελάχιστος χρόνος ανόδου: 800 νανοδευτερόλεπτα) δεν κατάλαβαν καλά ότι αυτό το σημείο ήταν κρίσιμο, όπως μου είπε αμέσως ο Yonas μέσω email το 2006.

17 Φεβρουαρίου 2008:

Μία διευκρίνιση σχετικά με τις παράσιτες αντιδράσεις που σχετίζονται με τον τύπο

B 11 + H 1 → He 4 + Bore 5 φορτία, το υδρογόνο ένα. Ο άνθρακας 6 και το άζωτο 7.

Η ακτινοβολητική ψύξη του πλάσματος γίνεται μέσω επιβραδυνόμενης ακτινοβολίας. Η εκπεμπόμενη ισχύς μεταβάλλεται ως το τετράγωνο του ηλεκτρικού φορτίου. Η εκπεμπόμενη ισχύς σε ακτίνες Χ από ένα ηλεκτρόνιο που σπειρώνεται γύρω από ένα άτομο βορίου είναι λοιπόν 25 φορές μεγαλύτερη από αυτή που χάνεται σπειρώνοντας γύρω από ένα άτομο υδρογόνου (ελαφρύ ή βαρύ, είναι το φορτίο που μετράει)

B 11 + H 1 → C 11 + n + 2,8 MeV

Η διάρκεια ζωής του άνθρακα C 11: 20 λεπτά. Μπορεί να ανοίξει κανείς χωρίς κίνδυνο την κάμερα 10 ώρες μετά τη διακοπή λειτουργίας.

B 11 + He 4 → N 11 + n + 157 keV

Προστασία: 20 cm B 10 ή 1 μέτρο νερό.

Ραδιενεργότητα που προκλήθηκε στην ηλεκτρόδιο από βερύλιο: 5 μικροκουρίες ανά χρόνο (δεδομένα: συμφωνία του Lerner)

Σύμφωνα με τον Lerner, σε αυτή την παλμική σύντηξη χρησιμοποιούνται οι MHD αστάθειες. Η περιγραφή των μηχανισμών είναι η εξής. Η ηλεκτρική εκκένωση "όπως ένα ανοιχτό καπέλο" προσπαθεί πρώτα να δημιουργήσει συσσωρεύσεις πλάσματος παρόμοιες "με τα κοντάρια αυτού του ίδιου καπέλου". Στη συνέχεια, αυτά τα φιλαμέντα σπειρώνονται γύρω από τον άξονα για να δημιουργήσουν ένα σύρμα πλάσματος. Αυτό, με MHD αστάθεια κοίλωσης, διαμορφώνεται "όπως ένα τηλεφωνικό σύρμα σε σπείρα". Στη συνέχεια, σε αυτή τη δομή σχηματίζονται "αυτοσυγκρατούμενα πλασμοϊδια" (plasmoids), θερμές σημεία μικρού όγκου, μικρότερου από το κυβικό μικρόμετρο. Σε αυτά τα πλασμοϊδια, το μαγνητικό πεδίο έχει τοπολογία τοροειδή. Νέα συρρίκνωση κατά τον άξονα αυτού του πλασμοϊδίου-σταγόνας. Και τότε, όπως λέει ο Lerner, συμβαίνουν οι αντιδράσεις σύντηξης.

18 Μαρτίου 2008:

Σχόλιο μετά τη δημοσίευση ενός άρθρου στην επιθεώρηση Science et Avenir.

Ο δημοσιογράφος David Larousserie δημοσίευσε ένα άρθρο με τίτλο "Τα επιτεύγματα της Z-μηχανής" στον τόμο του Μαρτίου 2008 της επιθεώρησης για την οποία εργάζεται: Science et Avenir. Με κάλεσε και μου ζήτησε πού είχα διαβάσει ότι τα πειράματα Sandia το 2005-2006 είχαν επιτύχει να ξεπεράσουν, όχι δύο δισεκατομμύρια βαθμούς, αλλά τρία. Τον αναφέρω στο άρθρο του Haines, από 24 Φεβρουαρίου 2006, εικόνα 3, όπου αναφέρεται εκτενώς ότι η θερμοκρασία των ιόντων ανέβηκε από 230 σε 320 keV. Εφόσον δεν κάνω λάθος, 320 keV αντιστοιχούν σε θερμοκρασία 3,68 δισεκατομμύρια βαθμών.

Δεν εξετάζει στο άρθρο του τη δυνατότητα μίας ανευτρονικής σύντηξης Bore-Υδρογόνου, περιορίζοντας τη συζήτηση στην τεχνική του holraum. Συνήθως αυτή η επιτυχία σε θερμοκρασία δεν γίνεται καλά αποδεκτή στις κοινότητες που σχετίζονται, άμεσα ή έμμεσα, με το σχέδιο ITER, όπου προτιμάται να αγνοηθεί αυτή η προοπτική, διατηρώντας τη Z-μηχανή σε κυρίως στρατιωτικές εφαρμογές. Πράγματι, αν μια μέρα αποδειχθεί ότι το μέλλον της σύντηξης περνάει από αυτές τις πολύ υψηλές θερμοκρασίες (ένα δισεκατομμύριο βαθμούς), η τεχνολογία Tokamak δεν θα μπορούσε ποτέ να ακολουθήσει.

Στο άρθρο του, ο Larousserie αναφέρει όσα έμαθε από συζητήσεις με τον Alexander Chuvatin, από το εργαστήριο φυσικής και τεχνολογίας πλασμάτων (LPTP) της Εθνικής Σχολής Τεχνολογίας. Αναφέρει αυτά τα λόγια, που εμείς αναφέρουμε:

• Δεν πρέπει να επιβραδύνουμε για αυτές τις θερμοκρασίες. Υπάρχουν μόνο για πολύ σύντομα χρονικά διαστήματα και είναι τοπικές σε ασταθείς περιοχές. Αυτό καθιστά αδύνατη τη σύντηξη, η οποία απαιτεί μεγάλη πυκνότητα υλικού, αρκετά μεγάλο χρόνο συνεχούς κράτησης και υψηλή ενέργεια.

Σύμφωνα με τον Larousserie, ο Chuvatin είπε ότι πρότεινε μία εξήγηση για την ανωμαλία που ανέφερε ο Haines στην αρχή του άρθρου. Αναφέρω ό,τι επισημαίνει ο Haines:

Υπήρξε κάποια δυσκολία στην κατανόηση της ακτινοβολούμενης ενέργειας σε μία Z-συρρίκνωση σε σύρμα, η οποία μπορεί να φτάσει τα τέσσερα φορές την κινητική ενέργεια [1,4] (οι ημερομηνίες των αναφερόμενων πηγών: 1997 έως 2002, δείχνουν ότι αυτό το πρόβλημα δεν είναι καινούργιο),

και επίσης πώς η πίεση του πλάσματος μπορεί να είναι αρκετή για να ισορροπήσει τη μαγνητική πίεση κατά τη στασιμότητα, αν η θερμοκρασία των ιόντων και των ηλεκτρονίων ήταν ίδια. Πράγματι, θεωρητικά, η περίσσεια μαγνητικής πίεσης θα συνέχιζε να συμπιέζει το πλάσμα, οδηγώντας σε ακτινοβολική κατάρρευση. Έχουν αναπτυχθεί μερικές θεωρίες για να εξηγήσουν την πρόσθετη θέρμανση, αλλά καμία από αυτές δεν αντιμετώπισε την ανισορροπία πίεσης.

Αναγνωρίζω ότι δεν καταλαβαίνω καλά τη σχόλιο του Chuvatin. Το σημαντικό είναι αυτό που προκύπτει από τον τύπο του Bennet, που εκφράζει απλώς ότι η πίεση του πλάσματος ισορροπεί τη μαγνητική πίεση. Δίνεται στο άρθρο του Haines και την εξήγησα με απόλυτη διαφάνεια:

Ο Haines το υπογραμμίζει καθαρά: για να μην εκτοξευθεί το πλάσμα, η θερμοκρασία πρέπει να είναι 296 eV. Το νέο, τελικά, στο άρθρο του 2006 είναι ότι αυτή η θερμοκρασία ιόντων, προηγουμένως αποδεδειγμένη με αυτόν τον τύπο, μετρήθηκε με επέκταση γραμμών και επιβεβαιώθηκε. Το άρθρο του Haines είναι σε αυτό το σημείο πολύ σαφές.

Αυτό που υποδηλώνει το σχόλιο του Chuvatin είναι ότι αυτές οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες "θα μπορούσαν να ενδιαφέρουν μόνο πολύ μικρές, πολύ ασταθείς περιοχές". Σκεφτόμαστε τότε τα "θερμά σημεία" των πειραμάτων του Lerner, συνδεδεμένα με αυτοσυγκρατούμενα πλασμοϊδια διαστάσεων μικρομέτρων. Αν αυτή ήταν η ιδέα, θα σήμαινε ότι μόνο πολύ μικρά όγκα θα είχαν τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες. Αλλά δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι μία θερμοκρασία είναι επίσης μία πυκνότητα ενέργειας, σε joules ανά μέτρο κύβο. Αν αυτή η θερμοκρασία αφορούσε μόνο πολύ μικρές ποσότητες πλάσματος, σε όγκο και μάζα, τότε η πίεση θα έπρεπε να προκύψει από μία εκτίμηση της μέσης πυκνότητας ενέργειας. Και ο τύπος του Bennet δεν θα ικανοποιούνταν πλέον.

Μου φαίνεται απλούστερο, λαμβάνοντας υπόψη ότι η μέτρηση της θερμοκρασίας με φασματοσκοπία συμφωνεί εξαιρετικά καλά με τον τύπο του Bennet, να συμπεράνουμε ότι αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας έχει μεγάλες πιθανότητες να αφορά ολόκληρη τη μάζα του σύρματος πλάσματος και όχι μικρά θερμά σημεία.

Όσον αφορά την εφαρμογή της σύντηξης: φυσικά δεν είμαστε εκεί, αν και η σύντηξη D-T έχει ήδη εξεταστεί στις ΗΠΑ. Ωστόσο, είναι αμφίβολο ότι οι Z-pinches όπως η Z-machine αποτελούν μία πολύ ενδιαφέρουσα διαδρομή σε σχέση με πιο βαριές και προβληματικές πορείες όπως το ITER ή το MEGAJOULE, ενώ είναι δύο τάξεις μεγέθους φθηνότερες και πολύ ευέλικτες. Είναι λυπητερό ότι δύο χρόνια έχουν περάσει από τη δημοσίευση του άρθρου του Haines χωρίς να έχει προκαλέσει καμία αντίδραση στη Γαλλία, εκτός από τη συνέχιση των πειραμάτων στο πείραμα Sphinx, το οποίο δεν μας φαίνεται να είναι αρκετά σημαντικό, και σε υλικό και σε ανθρώπινο επίπεδο, για τη σημασία του θέματος: μία ανευτρονική σύντηξη!

16 Φεβρουαρίου 2009:

Μετά από πολλές ανταλλαγές με φυσικούς του ζεστού πλάσματος και ανθρώπους που εργάστηκαν σε Z-pinches, προκύπτουν οι ακόλουθες συμπεράσματα:

Αυτά τα μέσα παραμένουν κακώς γνωστά. Σύμφωνα με τη γενική γνώμη, αυτά τα πλάσματα είναι εξαιρετικά τυρβώδη, πιθανόν η σκηνή μικροτυρβών. Είναι απαραίτητο να εξηγηθεί πού προέρχεται η ενέργεια που εκπέμπεται ως ακτίνες Χ, η οποία αντιπροσωπεύει κάτι συγκεκριμένο, μετρήσιμο, και υπερβαίνει κατά 3 έως 5 φορές τη συλλεγμένη κινητική ενέργεια από τα μεταλλικά ιόντα κατά τη διαδρομή τους προς τον άξονα του συστήματος. Όπως είδαμε, ο Malcolm Haines αναφέρει MHD αστάθειες, χωρίς να τις περιγράψει. Τότε επικαλούμε τη λέξη spheromaks, στοιχεία αυτοσυγκρατούμενα που θα σχηματίζονταν λόγω αυτής της αστάθειας, και που περιλαμβάνουν την κλείσιμο των γραμμών μαγνητικού πεδίου στο εαυτό τους, σύμφωνα με τοροειδή γεωμετρία. Διαστάσεις αυτών των αντικειμένων: εικασία. Άνθρωποι όπως ο Lerner (πειράματα Focus) χρησιμοποιούν τη λέξη "θερμά σημεία". Οι μετρήσεις που έγιναν δεν είχαν αρκετή χωρική και χρονική ανάλυση για να επιβεβαιώσουν αυτά τα φαινόμενα.

Ο Haines εκτίμησε τη θέρμανση λόγω απώλειας Joule και συνήλθε ότι αυτή ήταν ανεπαρκής για να δικαιολογήσει τη μέτρηση της αύξησης της θερμοκρασίας. Αλλά πώς να κατανοήσουμε αυτό το μυστηριώδες ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ του σύρματος πλάσματος και του περιβάλλοντός του, όπου η πίεση είναι 90 megabars, αντιστοιχώντας σε μαγνητικό πεδίο 480

Όταν βρέθηκα στο συνέδριο για τις Υψηλής Ισχύος Παλμικές Πηγές στο Βίλνιους, Λιθουανία, το Σεπτέμβριο του 2008 (όπου παρουσίασα τρεις εργασίες, βλ. http://www.mhdprospects.com), αμέσως από την πρώτη μέρα βρέθηκα αντιμέτωπος με τους Αμερικανούς Matzen και Mac Kee, ο πρώτος είναι ο υπεύθυνος για την εγκατάσταση ZR στο Sandia, και ο δεύτερος ο βοηθός του. Ήμουν πολύ έκπληκτος που αμέσως με χαιρέκακισαν, όταν τους ρώτησα για τη ZR και μου είπαν αμέσως:

• Το άρθρο του Haines, του 2006; Είχε λάθος, οι θερμοκρασίες ήταν τουλάχιστον μία τάξη μεγέθους χαμηλότερες!

• Αλλά, αυτά τα ισχυρά ευρύτητα των φασματικών γραμμών...

• Ένας Ισραηλινός, ο Yitziak Maron, επανέλαβε όλα αυτά και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο Haines είχε λάβει λανθασμένη ερμηνεία των φασματογραφημάτων.

• Έχει δημοσιευτεί αυτό;

• Όχι, δεν το έκαναν, για να μην πληγώσουμε τον καλό Malcom.

(...)

Το βράδυ, όταν επέμενα, ο Mc Kee στάθηκε μπροστά σε μία κονσόλα και μου είπε:

• Θα στείλω ένα email στο Maron, μπροστά σου, και αύριο θα έχουμε τις εξηγήσεις του.

Την επόμενη μέρα συναντώ τον Mc Kee:

• Λοιπόν, οι εξηγήσεις του Maron;

• Μμμ... προτιμούμε να μη δημοσιεύσουμε αυτά για τώρα...

• Αλλά, τουλάχιστον θα μου δώσετε να διαβάσω το email του...

• Είναι ότι... απάντησε τηλεφωνικά

(....)

Ακολούθησαν εξηγήσεις ασαφείς και λίγο πειστικές.

Δύο μέρες αργότερα, ο Matzen παρουσίαζε στη σκηνή την πρόοδο της ZR, εστιάζοντας σε απλές πτυχές της μεγάλης τεχνολογίας, με υπέροχες φωτογραφίες για επιβεβαίωση. Εκεί μάθαμε ότι οι πειραματικές διατάξεις για την απόκτηση πάγου VII δεν είχαν επιτευχθεί με επιβραδυνόμενη συμπίεση, αλλά με εκρηκτική συμπίεση, με ένα διαφορετικό πειραματικό σχήμα, όπου η ροή του ρεύματος κλείνει όπως ένα "αντιβρεγμένο", δηλαδή με εισαγωγή αξονικά μέσω ενός συμπαγού πυλώνα και επιστροφή μέσω ενός γραμμικού στρώματος από σύρματα, στην επιφάνεια του οποίου το υλικό που θέλουμε να συμπιέσουμε το τοποθετούμε, από έξω. Τίποτα που να έχει σχέση με τις προηγούμενες διατάξεις. Στο τέλος της παρουσίασής του, ζήτησα το λόγο και είπα:

• Έχουμε συζητήσει, τις προηγούμενες μέρες, για την αμφιβολία που εκφράσατε σχετικά με την ανάλυση των μετρήσεων θερμοκρασίας που έγιναν στη Z-machine μέσω φασματοσκοπίας και δημοσιεύτηκαν το 2006 στο Physical Review D. Σύμφωνα με εσάς, η θερμοκρασία των ιόντων θα ήταν τουλάχιστον μία τάξη μεγέθους χαμηλότερη. Μου είπατε ότι ο Yitziak Maron, από το Ινστιτούτο Weisman στην Ιερουσαλήμ, έφτασε σε αυτό το συμπέρασμα. Επειδή αυτή η υπόθεση είναι σημαντική, θα μπορούσατε να δώσετε κάποιες εξηγήσεις;

Matzen:

• Μμμ... αυτή είναι μία καλή ερώτηση

Μετά μία λεπτό, που διακόπηκε από τον πρόεδρο της συνεδρίασης.

Επιστρέφοντας στη Βρυξέλλη, έστειλα email στον Ισραηλινό Maron, ο οποίος μου απάντησε με ασαφή απάντηση, χωρίς να απαντήσει στις ερωτήσεις μου, λέγοντας τα πολύ καλά για τον Haines. Μου είπε ότι θα συνέλθει στο Sandia τις επόμενες μέρες.

Έστειλα άλλο email στον Gerold Yonas, επικεφαλής επιστημονικός του Sandia, ο οποίος μου απάντησε αμέσως με πολύ σύντομη απάντηση.

• Ναι, είναι και για μένα μία ακόμη απορία. Θα ζητήσω από τον Matzen να διευκρινίσει αυτή την υπόθεση.

Από το τέλος Οκτωβρίου 2008, καμία επικοινωνία.

18 Φεβρουαρίου 2008: Σχετικά με την ανευτρονική σύντηξη

Σε μία αντίδραση σύντηξης, δύο πυρήνες πρέπει να πλησιάσουν σε απόσταση αρκετά μικρή για να επιτρέψει τη διεξαγωγή μίας πυρηνικής αντίδρασης. Η πυρηνική φυσική είναι σε αυτό το σημείο παρόμοια με τον κόσμο της χημείας. Η ραδιενέργεια, φυσική ή επαγόμενη, σημαίνει απλώς ότι οι πυρήνες είναι ασταθείς. Η διάσπαση είναι μία αυθόρμητη διάσπαση που δίνει πυρήνες μικρότερης μάζας από τον αρχικό. Στις διασπάσεις του ουρανίου 235 ή του πλουτωνίου 239, τα προϊόντα αυτής της αυθόρμητης διάσπασης έχουν μάζες γύρω στο μισό της μάζας του αρχικού πυρήνα.

Παράγονται νετρόνια, τα οποία μπορούν, κατά τη σύγκρουση με άλλους πυρήνες 235U ή 239Pu, να προκαλέσουν νέες διασπάσεις, διασπάσεις που προκαλούνται από τις συγκρούσεις. Μπορούμε τότε να μιλήσουμε για μία αυτοκαταλυόμενη διάσπαση.

Οι πυρήνες διαθέτουν μία ενεργό διατομή συλλογής. Με τη γνώση αυτής, είναι δυνατό να υπολογιστεί η κρίσιμη μάζα. Αυτή είναι η μάζα μίας σφαίρας της οποίας η ακτίνα είναι περίπου ίση με τη μέση ελεύθερη διαδρομή ενός νετρονίου σε σχέση με τη σύγκρουση με πυρήνα φθαρτού υλικού.

Μπορούμε να μειώσουμε αυτή την κρίσιμη μάζα αυξάνοντας την πυκνότητα των πυρήνων, μέσω συμπίεσης, η οποία στις βόμβες εξασφαλίζεται από χημικό εκρηκτικό.

Έστω ένα αέριο σε απόλυτη θερμοκρασία T. Αν αυτό το μέσο είναι ισχυρά συγκρουστικό (δηλαδή αν το μέσο βρίσκεται σε κατάσταση πολύ κοντά στη θερμοδυναμική ισορροπία με στατιστική Maxwell-Boltzmann), η μέση τιμή της θερμικής ταχύτητας αυτών των στοιχείων δίνεται από την παρακάτω σχέση. Τα λίγα σχήματα και οι τύποι επιτρέπουν μία σχηματική κατανόηση της έννοιας της ενεργού διατομής συγκρούσεων (που οδηγεί εδώ σε πυρηνική αντίδραση) και της συχνότητας συγκρούσεων (της πυρηνικής αντίδρασης που εξετάζεται). Εδώ μειώνουμε την ταχύτητα των ιόντων μάζας m στη μέση τιμή . Θεωρούμε ότι ό,τι είναι καλυμμένο κατά τη διέλευση σε ένα "δίκτυο" που αποτελείται από την ενεργό διατομή, οδηγεί σε πιθανότητα αντίδρασης ίση με τη μονάδα, και ότι για ό,τι βρίσκεται εκτός, η πιθανότητα αυτή είναι μηδέν.

Συχνότητα συγκρούσεων, χαρακτηριστικός χρόνος αντίδρασης (σύντηξης)

Αλλά δεν επαρκεί να έχουμε αρκετή συχνότητα συγκρούσεων, ώστε ο χαρακτηριστικός χρόνος αντίδρασης να είναι μικρότερος από τον χρόνο συμπύκνωσης. Πρέπει επίσης η θερμοκρασία των ιόντων να είναι αρκετά μεγάλη ώστε αυτά, κινούμενα με ταχύτητα γύρω από τη μέση τιμή , να μπορούν να διαπεράσουν την απωθητική ηλεκτροστατική δυναμική φράγμα που εμποδίζει την πλησίαση δύο θετικά φορτισμένων ιόντων. Αυτό οδηγεί, για μία ανάμιξη δευτερίου-τριτίου D-T, σε θερμοκρασία που βρίσκεται μεταξύ 100 και 200 εκατομμυρίων βαθμών, θερμοκρασία που οι φυσικοί συνήθως αξιολογούν σε χιλιοηλεκτρονιοβόλτ (keV), σύμφωνα με τη σχέση

e V = k T

e είναι η ηλεκτρική φόρτιση του ηλεκτρονίου, δηλαδή 1,6 × 10⁻¹⁹ κουλόμπ

k είναι η σταθερά του Boltzmann = 1,38 × 10⁻²³ A

Έτσι, ένα ηλεκτρονιοβόλτ αντιστοιχεί σε (e/k) βαθμούς Kelvin, δηλαδή 11.600 °K

Επειδή εργαζόμαστε με τάξεις μεγέθους, θεωρούμε ότι ένα eV, ένα ηλεκτρονιοβόλτ, αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 10.000 °K. Έτσι, αυτή η θερμοκρασία των ιόντων πρέπει να βρίσκεται μεταξύ 10 και 20 keV.

Για να μπορέσουν να ξεκινήσουν οι αντιδράσεις σύντηξης, πρέπει να επιτευχθούν οι συνθήκες Lawson.

Η συνάρτηση L εξαρτάται από τη θερμοκρασία του πλάσματος. Η ενεργός διατομή Q(V) εξαρτάται από τη σχετική ταχύτητα των πυρήνων και, συνεπώς, από τη μέση ταχύτητα , δηλαδή από τη θερμοκρασία των ιόντων.

Καμπύλη Lawson

Η αντίδραση δευτερίου-τριτίου είναι νετρονική. Από καιρό γνωρίζουμε αντιδράσεις που δεν είναι. Δείτε την ανευτρονική σύντηξη.

Μόνο ένας μικρός αριθμός αντιδράσεων σύντηξης πραγματοποιούνται χωρίς εκπομπή νετρονίων. Αυτές που διαθέτουν τη μεγαλύτερη ενεργό διατομή είναι:

2 D + 3 He → 4 He (3,6 MeV) + p+ (14,7 MeV)

2 D + 6 Li → 2 4 He + 22,4 MeV

p+ + 6 Li → 4 He (1,7 MeV) + 3 He (2,3 MeV)

3 He + 6 Li → 2 4 He + p+ + 16,9 MeV

3 He + 3 He → 4 He + 2 p+ + 12,86 MeV

p+ + 7 Li → 2 4 He + 17,2 MeV

p+ + 11 B → 3 4 He + 8,7 MeV

Οι δύο πρώτες χρησιμοποιούν το δευτέριο ως καύσιμο, αλλά ορισμένες δευτερεύουσες αντιδράσεις 2D-2D παράγουν λίγα νετρόνια. Παρόλο που η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται από τα νετρόνια μπορεί να περιοριστεί με την επιλογή των παραμέτρων της αντίδρασης, αυτή η ποσότητα πιθανόν να παραμείνει υψηλότερη από το κατώφλι του 1%. Έτσι, είναι δύσκολο να θεωρήσουμε αυτές τις αντιδράσεις ως ανευτρονικές.

Τα προσπάθειες εστιάζονται στην τελευταία αντίδραση. Αν η αντίδραση που αναφέρθηκε δεν παράγει νετρόνια, οι δευτερεύουσες αντιδράσεις είναι νετρονικές. Αν βασιστούμε στους χρόνους χαλάρωσης που υπολόγισε ο Haines, αν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας κατά ένα παράγοντα εκατό μεταξύ του ηλεκτρονικού αερίου και του ιονικού αερίου (το δεύτερο ήταν, σε αυτή την "αντίστροφη ανισορροπία", θερμότερο), μπορούμε ωστόσο να θεωρήσουμε ότι η πληθυσμιακή κατανομή των ιόντων βρίσκεται σε κατάσταση πολύ κοντά στη θερμοδυναμική ισορροπία γύρω από τη δική τους θερμοκρασία, δηλαδή είναι ένα θερμό πλάσμα.

Έτσι, έχουμε τις ακόλουθες νετρονικές αντιδράσεις:

11 B + α → 14 N + n0 + 157 keV (εξωθερμική)

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

Αυτός ο ισότοπος του άνθρακα έχει ημιζωή 20 λεπτών.

Ορισμένοι εκτίμησαν την ενέργεια που εκλύεται από αυτές τις αντιδράσεις σε 0,1% της συνολικής.

Υπάρχει επίσης μία αντίδραση που παράγει γάμμα:

11 B + p+ → 12 C + n0 + γ 16 MeV

Αυτή η αντίδραση έχει μόνο πιθανότητα 10⁻⁴ σε σχέση με την αντίδραση που παράγει αλφά.

Τέλος, υπάρχουν νετρονικές αντιδράσεις βορίου-δευτερίου ή δευτερίου-δευτερίου:

11 B + 2 D → 12 C + n0 + 13,7 MeV

2 D + 2 D → 3 He + n0 + 3,27 MeV

που μπορούν να αποκλειστούν χρησιμοποιώντας καύσιμο που είναι ισότοπα καθαρό.

Το κύριο συστατικό του φρουρού θα είναι το νερό για να επιβραδύνει τα γρήγορα νετρόνια, το βόριο για να τα απορροφήσει, και μέταλλο για να απορροφήσει την ακτινοβολία Χ με συνολικό πάχος της τάξης του μέτρου.

Η θερμοκρασία που απαιτείται για να ξεκινήσουν οι αντιδράσεις βορίου-υδρογόνου είναι δέκα φορές μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία της αναμίξεως δευτερίου-τριτίου. Υπάρχει επίσης ένα ζήτημα βέλτιστης αντιδραστικότητας. Για αυτή την αναμίξη, βρίσκεται γύρω στα 66 keV (730 εκατομμύρια βαθμών). Για το βόριο-υδρογόνο, φτάνουμε στα 600 keV (6 δισεκατομμύρια βαθμών). Ωστόσο, είδαμε ότι η επίτευξη πολύ υψηλών θερμοκρασιών είναι δυνατή με μία Z-machine, σημειώνοντας ότι η μέγιστη θερμοκρασία που επιτεύχθηκε αυξάνεται ως το τετράγωνο της έντασης του ρεύματος. Σύμφωνα με αυτή τη λογική, η θερμοκρασία που θα μπορούσε να επιτευχθεί από τη ZR θα ήταν 9 δισεκατομμύρια βαθμών.

Δεν υπάρχει καμία πληροφορία για τις επιδόσεις που έχει επιτύχει αυτή η μηχανή από τότε που ενεργοποιήθηκε.

Σε αυτό το στάδιο, πρέπει να αποφεύγουμε να προχωρήσουμε υπερβολικά, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση.

Το ζεστό πλάσμα της Z-machine δεν είναι αυτό ενός Tokamak. Προσθέτουμε ότι αυτή η υπόθεση για "ζεστά σημεία" παραμένει ακόμη εκτός κάθε θεωρητικής περιγραφής. Η προσωπική μου γνώμη είναι ότι αντί να συζητάμε απεριόριστα, θα ήταν προτιμότερο να αφήσουμε τη φύση να μιλήσει, δηλαδή να πραγματοποιήσουμε πειράματα. Σημείωση ότι το κόστος μίας Z-machine είναι δύο τάξεις μεγέθους μικρότερο από το κόστος ενός τεράστιου προγράμματος σύντηξης όπως το ITER. Επιπλέον, το μηχάνημα διαθέτει ευελιξία που δεν διαθέτει αυτό. Τον Ιανουάριο του 2008 είχα συναντήσει στο Υπουργείο Έρευνας και Βιομηχανίας τον Edouard de Pirey, νέο πρώην φοιτητή της École Normale Supérieure, επιστημονικό σύμβουλο της Valérie Pécresse. Όταν τον συνάντησα, μου αναγνώρισε αμέσως ότι δεν είχε καιρό να διαβάσει την έκθεση, παρόλο που ήταν σύντομη και σαφής, που του είχα αποστείλει. Του έδωσα μία αντίγραφο του γράμματος που ο Smirnov πρότεινε να σταλεί, υπό την προϋπόθεση να έχει το όνομα ενός δέκτη. Έτσι, ζήτησα από τον de Pirey να προσπαθήσει να προσεγγίσει την κυβερνήτριά του για να δει αν θα συμφωνούσε να έχει το όνομά της στο γράμμα, ως δέκτης.

Αυτή η προσπάθεια απέφερε κανένα αποτέλεσμα. Το ίδιο για μία αίτηση για χρηματοδότηση της συμμετοχής μου στο διεθνές συνέδριο στο Βίλνιους, Λιθουανία, για Υψηλή Ισχύ Παλμική, όπου τελικά έπρεπε να πληρώσω από τη δική μου τσέπη τον Σεπτέμβριο του 2008.

Πρέπει να σημειωθεί ότι η προσέγγιση των Z-pinches δεν εμφανίζεται στην πρόσφατα δημοσιευμένη δρομολόγηση της υπουργού. Αφήνω στον αναγνώστη την ευκαιρία να διατυπώσει τις δικές του υποθέσεις για την αποτυχία της προσπάθειάς μου.

Νομίζω ότι οι Ευρωπαίοι θα έπρεπε να σχηματίσουν γρήγορα μία ομάδα έρευνας, συνεργάζοντας στενά με τους Ρώσους, που είναι ειδικοί στο θέμα. Θα ήταν σκόπιμο, και ακόμη και επείγον, να βάλουμε λίγα χρήματα στο τραπέζι και να κατασκευάσουμε μία μηχανή με πολιτικό σκοπό, προσβάσιμη για όλους, εγκατεστημένη σε κάποιο "ουδέτερο" κράτος (σε τεχνικό-επιστημονική έννοια, φυσικά). Η γαλλική Z-machine, το μηχάνημα Sphinx, εγκατεστημένο στο Gramat, στο Lot, δεν μπορεί να βελτιωθεί. Με χρόνους αποφόρτισης 800 νανοδευτερολέπτων, αυτή η μηχανή είναι πολύ αργή. Νομίζω επίσης ότι θα ήταν μεγάλο λάθος να τοποθετήσουμε αυτό το πρόγραμμα υπό την επίβλεψη της άμυνας, για διάφορους λόγους. Φυσικά, μέσω αυτής της προσέγγισης, η εμφάνιση καθαρών βόμβων σύντηξης γίνεται "μη αδύνατη". Οι Ρώσοι έχουν γίνει εξειδικευμένοι στη διαχείριση των Υψηλής Ισχύος Παλμικών, όταν η αρχική ενέργεια είναι εκρηκτικό. Περιοδικά οι Δυτικοί ανακαλύπτουν, συχνά με έκπληξη, κάποια νέα ιδέα που γεννήθηκε πέρα από το Ούραλ, που αλλάζει εντελώς τη διάταξη, όπως οι γεννήτριες δίσκων.

Η παραγωγή πολύ μεγάλων ρευμάτων γίνεται συμπιέζοντας, με ένα εκρηκτικό, μία κοίτη όπου έχει δημιουργηθεί ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Αλλά τα χημικά εκρηκτικά προκαλούν περιορισμένες ταχύτητες συμπίεσης. Αν διαιρέσουμε τη χαρακτηριστική διάσταση της κοίτης με αυτή την ταχύτητα, πετύχουμε χρόνους που δύσκολα μπορούν να κατέβουν κάτω από μερικά μικροδευτερόλεπτα. Αυτό είναι πολύ αργό για μία φόρμουλα που είναι επηρεασμένη από τη Z-machine, όπου αυτός ο χρόνος δεν μπορεί να υπερβεί τα 100 νανοδευτερόλεπτα. Σε ένα κλασικό σύστημα, η ισχύς της αποφόρτισης αυξάνεται με τον όγκο της κοίτης. Οι Ρώσοι πέρασαν το πρόβλημα δίνοντας απλώς σ' αυτήν τη μορφή ενός... ακορντεόν. Φανταστείτε ένα ακορντεόν όπου το εξωτερικό του είναι βυθισμένο σε εκρηκτικό, χύτρο στην κοίτη του. Ο συνολικός όγκος μπορεί να είναι μεγάλος, ενώ το πάχος που πρέπει να συμπιεστεί παραμένει, σε κάθε μία από αυτές τις κυψέλες, αρκετά λεπτό. Αυτό το σημείο αναφέρεται στην αγγλόφωνη πλευρά του Wikipedia.

Οι στρατιωτικοί φοβούνται ιδιαίτερα τα "πληθωριστικά" στοιχεία αυτής της τεχνολογίας, όπου η εκκίνηση των αντιδράσεων σύντηξης δεν θα περνούσε πλέον από το τεχνολογικά βαρύ στάδιο της ισοτοπικής εμπλουτισμού. Αλλά τι να κάνουμε; Τίποτα; Η γη βρίσκεται στο όριο της κατάρρευσης, λόγω έλλειψης ενεργειακών πόρων. Ποιος θα πει στους Κινέζους και τους Ινδούς ότι πρέπει να κάνουν εξοικονόμηση!

Η επιλογή είναι πολιτική, σε παγκόσμια κλίμακα. Μία τελευταία παρατήρηση σχετικά με το ITER και το Mégajoule:

Ο Gilles de Gennes, πριν από το θάνατ