Mai mult de două miliarde de grade! Analiza lucrării lui Malcom Haines (aprilie 2006)

Peste de două miliarde de grade! Analiza lucrării lui Malcom Haines ( aprilie 2006 )

Plus de două miliarde de grade!
Articolul lui Malcom Haines

Publicat pe 24 februarie 2006 în Physical Review Letters

Actualizat pe 16 iulie 2006 ( date de subsol pe curba de creștere a curentului în Z-machine )

****Actualizare din 18 martie 2008. În urma unui articol publicat în revista Science et Avenir

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

fer

mașina Z de Sandia

curbă creștere temperatură

array de fire

laplace

cage de păsări

formare coajă

implozie pe bicône

evoluție viteză în liner cu fire

Pentru ne-științifici

Citește întrebări dacă aceste temperaturi ionice care depășesc două miliarde de grade au fost măsurate efectiv. Răspunsul este da. Un fenomen dezamăgitor a fost observat deja în 1998 în experimentele de comprimare a plasmelor efectuate cu Z-machine. Aceste experimente au avut loc în diferite configurații. Într-unul dintre ele, de exemplu, când "cage de păsări" se prăbușea, s-a trimis un "gas puff", o "cădere de gaz" exact în centrul, care a fost apoi comprimat. Emisia de raze X a permis obținerea unei măsurători a temperaturii electronice. Un plasma este un amestec "de două specii": ionii, grei și electronii, ușori. Într-un "plasmă de fier", în "fier ionizat", nucleele de

( 56 nucleoni, 26 protoni ) sunt de 100.000 de ori mai grei decât electronii ( nucleele sunt formate din "nucleoni" de mase foarte apropiate: protonii și electronii. Un electron este de 1850 de ori mai ușor decât un proton).

Un tub cu neon conține, de asemenea, "aceste două specii", electronii și ionii de neon ( deși aceștia, în acest caz, nu au fost complet dezbrăcați de "coțul lor electronic"). Când tubul este în funcțiune, conține un amestec "bitemperatură", unde gazele formate din atomi, ionii de neon rămân reci. ( puteți atinge tubul cu mâna ), dar unde "gazul de electroni" este mult mai cald, adus la 10.000°. De ce nu simțiți această căldură cu mâna? Pentru că electronii, cei păcăjoși, sunt prea șopti pentru a vă comunica energie, căldură. În schimb, ei au suficientă energie pentru a excita, prin coliziuni, revestimentul fluorescent care acoperă interiorul tubului. Acesta este motivul pentru care sunt numiți

tuburi fluorescente

. Fluorescența este capacitatea de a absorbi radiație și de a o reemite într-o altă frecvență. Astfel, fluoresceina absoarbe radiația solară și reemite în verde. șosetele din nylon pot absorbi radiația ultravioletă și reemite în vizibil ( este "lumina neagră" din cluburile de modă ) etc. Acest revestiment alb al tubului cu neon este bombardat de electroni care au energii corespunzătoare gamelor UV, dar percutând substanțele care alcătuiesc revestimentul, ei provoacă o reemisie în vizibil. Acest revestiment este compus într-un mod care, la reemisie, lumina sa este cât mai aproape posibil de lumina vizibilă. Dar nu este exact cazul. Acesta este motivul pentru care lumina neonului vă pare atât de "ciudată".

Ce trebuie reținut este că pot exista medii "bitemperatură". Motivul acestei situații este că câmpul electric din tub, legat de tensiunea electrodelor, transmite prioritar energie electronilor, care o transmit înapoi ionilor prin coliziuni cu aceștia. Dar, deoarece transferul de energie între gazul de electroni și gazul de ion este puțin eficient, se poate avea un ecart mare de temperatură. Acest lucru este datorat în special faptului că mediu este rar. Dacă tubul are o scurgere și presiunea crește, această "situație de neechilibru" dispare imediat. Gazul de electroni, foarte legat de ioni, se răcește foarte rapid. Atunci acești electroni, mai puțin "agitați" ( temperatura absolută într-un gaz corespunde mișcării de agitație termică ), se întorc calm pe atomi care se dezionișează, devin din nou neutri.

Experimentul Z-machine a dus la o situație foarte ciudată. Există două specii în prezență:

gazul de electroni
gazul de ioni ( în oțel inoxidabil, în principal nuclee de fier, încărcați pozitiv )

Când oamenii, din 1998, încercau să-și explice măsurătorile, aveau acces doar la temperatura electronică, efectuând măsurători asupra razelor X emise. De ce gazul de electroni este sursa principală a acestui radiație în aceste experimente? Pentru că în jurul plasmei se găsește un câmp magnetic foarte mare. Când electronii, lansați la 40.000 km/s, pătrund în această zonă unde domnește acest câmp magnetic intens, aceștia se învârt. Atunci ei "strigă", emite un "raze de frânare". Este efectuând măsurători asupra acestor raze X emise că experimentatorii au măsurat temperatura acestui gaz de electroni: 35 de milioane de grade în experimentele despre care vorbim în acest articol.

Dar cu ajutorul formulelor ( "relația lui Bennett" ), dacă încercau să evalueze temperatura pe care ar trebui să o aibă ionii de fier pentru a echilibra presiunea magnetică enormă, exterioară plasmei, trebuiau să accepte că aceasta trebuie să aibă o valoare considerabil mai mare. De la 1998, oricare ar fi fost experimentele efectuate, acest ecart al temperaturilor se impunea ca o evidență. Trebuiau aceste valori mari pentru ca plasma să nu fie instantaneu străpunsă de presiunea magnetică. Se vede că aceasta sugerează un stat de neechilibru ( la echilibru termodinamic, toate temperaturile speciilor care compun un amestec gazos sunt egale ) o situație bitemperatură inversă față de tubul cu neon, unde de data aceasta era gazul de ioni care se dovedea mai cald decât gazul de electroni.

Observație simplă: ce creează acest "echilibru termodinamic"? Este schimbul de energie între particule, prin coliziuni. Energia este, de exemplu, energia cinetică

. De ce indicele i? Pentru că un plasma este un amestec de diferite specii, v

este viteza de agitație termică și < v

este "viteza medie pătratică". Astfel

este

energia cinetică medie

, în specia considerată. Aceasta este definiția absolută a temperaturii, care măsoară energia cinetică medie ( de agitație termică ) a unei specii date, conform relației:

unde k este constanta lui Boltzmann, care are valoarea 1,38 10

În coliziuni, particulele schimbă energie. Acest fenomen tinde spre echipartizarea energiei. Când este vorba de energie pur cinetică, diferitele specii tind să capete energii cinetice de agitație termică egale. Deci, temperaturi absolute egale:

Fie două particule de mase diferite m

și m

și fie i cea mai ușoară.

Teoria cinetică a gazelor

ne spune că rata de transfer de energie cinetică într-o coliziune va fi proporțională cu raportul

Dacă masele sunt foarte diferite, se observă în trecere că la o temperatură dată ( suficient de mare pentru ca mediu să fie ionizat, să existe electroni liberi ) diferența de mase face ca vitezele de agitație electronice și ionice să fie foarte diferite. Să luăm cazul unui plasma de hidrogen deuteriu-tritiu, cu o masă atomică medie de 2,5 ( 2 pentru deuteriu, 3 pentru tritiu ). Să presupunem că gazul de ioni este la 100.000.000 de grade ( într-un tokamak ). Viteza de agitație termică va fi:

de ordinul ( 3 k T

Un proton pășește 1,6 10

kilo

Masa medie a ionilor de hidrogen este deci 1,6 10

2,5, adică 4 10

kilo

Viteza medie de agitație termică a ionilor de hidrogen este deci, într-un tokamak de 10

m/s, adică

mii de kilometri pe secundă

. Un număr interesant de reținut. Într-un tokamak, reglementează starea de echilibru termodinamic. Temperatura gazului de electroni este aceeași ca a ionilor. Dar viteza de agitație a electronilor este mai mare decât cea a ionilor, în inversul rădăcinii pătrate a raportului maselor.

Masa unui electron este

= 0,91 10

kilo

Într-un plasma de hidrogen greu, raportul maselor este de 4400, iar raportul vitezelor de agitație termică este rădăcina pătrată a acestui număr, adică 66. Viteza de agitație termică a electronilor într-un tokamak este deci de 66 de ori mai mare decât cea a ionilor și este deci 66.000 km/s și este deci 20% din viteza luminii. Observație simplă.

În plasma de fier din Z-machine, raportul maselor atinge 100.000. Într-un plasma de fier la echilibru, raportul vitezelor termice între electroni și ioni de fier ar fi de 316. Dar, cum vom vedea mai târziu, plasma de fier din Z-machine este foarte departe de echilibru. Diferența față de tuburile fluorescente este că de data aceasta temperatura electronică este de 100 de ori mai mică decât cea a ionilor. Deci este un nou tip de plasmă

în stare de neechilibru invers

Este un mediu nou, puțin cunoscut, de explorat. Într-adevăr, un adevărat văl de fum pentru experimentatori și teoreticieni. O Z-machine este în primul rând un puternic generator electric:

Mașina Z de Sandia, înainte de 2007

( a fost modificată de atunci și transformată în ZR, Z "refurbished")

Ea livrează impulsuri de 18 milioane de amperi, în 100 nanosecunde. O nanosecundă este un miliard de secundă. Intensitatea electrică crește liniar: curbă de creștere a intensității electrice în Z-machine ( analog în ZR )

Mașina ZR, în funcțiune din 2007, capabilă să atingă 26 de milioane de amperi, întotdeauna în 100 nanosecunde

Mașina Z trimite acest curent într-un "liner cu fire", o specie de "cage de păsări", de 5 cm înălțime și 8 cm diametru, format din 240 de fire de oțel inoxidabil, mai subțiri decât un păr: .

Construcția "liners cu fire"

În fiecare fir trece deci:

75.000 de amperi

Fiecare fir creează un câmp magnetic, care interacționează cu firele învecinate conform forței lui Laplace I B . Aceste forțe sunt centripete și tind să adune toate aceste fire după axa sistemului.

Forțele lui Laplace tind să adune firele după axa sistemului

Desenul care a avut mult mai mult la Gerold Yonas, inventatorul mașinii

În convergență, firele metalice se sublimă treptat:

Formarea coajei de plasmă

( teza lui Mathias Bavay )

Este structura în ansamblu de fire care menține axisimetria și împiedică apariția instabilităților MHD. Opiniile sunt împărțite asupra comportamentului acestui liner cu fire pe durata acestei implozii. Fierul este înconjurat de o șa de plasmă de fier. Experimentul arată că firele lăsă în aval o specie de "coadă de cometa" care reprezintă 30% din masa lor.

Schema acestei implozii poate fi calculată ( a se vedea mai departe ). Raza acestei cărămidă fiind de 4 cm și timpul de 100 nanosecunde, viteza medie de convergență este de 400 km/s. Există într-adevăr o accelerare chiar înainte de contact. Viteza de ioni înainte de impact este între 550 și 650 km/s. Menținerea axisimetriei face ca această plasmă de fier să devină în final un fir de 1,5 mm diametru.

Ioni și electroni converg cu aceeași viteză spre axă. Nu este posibil să separăm două populații din cauza forțelor electrostatice intense care le leagă. Când aceste particule, ioni de fier și electroni, se ciocnesc în apropierea axei, are loc termalizare, adică, în principiu, energia cinetică legată de viteza radială se distribuie în toate direcțiile. Acest lucru este valabil atât pentru ioni, cât și pentru electroni.

Oblie într-un prim moment electronii și imaginați o populație de obiecte cu o masă egală cu cea a ionilor de fier care se găsesc în apropierea axei la 650 km/s.

Masa ionilor de fier este 9 10

kilo

Vom scrie:

V = 600 km/s

Obținem o temperatură ionică de 925 de milioane de grade. Conversie simplă a acestei viteze radiale în viteza de agitație termică a ionilor.

Efectuăm același calcul pentru electroni, obținem o temperatură de 100 de ori mai mică, în jur de 9250 de grade. Un puternic stat de neechilibru invers. Atunci coliziunile intră în joc. Pentru ioni, Malcom Haines a calculat că timpul de relaxare ( timpul de termalizare al gazului de ioni, de stabilire a unei funcții de distribuție a vitezelor ) este de 37 picosecunde, adică 3,7 10

secundă. Acest timp este mic în comparație cu "timpul de stagnare" al plasmei, sub forma unui fir hiperdens și hipercald, de dimensiunea unui creion.

Măsurătorile ( emisia de raze X prin "raze de frânare", interacțiune electroni-ioni ) dau o temperatură de 30 de milioane de grade. Gazul de electroni a fost deci încălzit. Vom analiza acest lucru mai târziu. Se obișnuiește să se exprime temperaturile mari în electron-volți, conform relației

e V = k T

cu e ( sarcina electrică unitară ) = 1,6 10-19 coulomb

Dacă avem un mediu care reprezintă o temperatură, încălzit în "electron-volt" care să fie de un "eV", aceasta va corespunde unei temperaturi

T = e / k = 11.600° K

Deoarece se raționează în ordine de mărime, se obișnuiește să convertim electron-volții în grade Kelvin făcând simplu

T = 10.000 V

Așa că un "keV", un kilo-electron-volt, corespunde la 10.000°

Măsurătorile de radiație emisă ( în domeniul razelor X ) dau o temperatură de 30 keV, pe care o rotunjim la 30 de milioane de grade.

Altă problemă: se constată că gazul de ioni este de 3-4 ori mai cald decât cea obținută prin simplă termalizare. Măsurătorile de temperatură dau o valoare mai mare de 2 miliarde de grade, ajungând chiar la valoarea maximă de 3,7 miliarde de grade. De unde provine atunci energia? Aici vom discuta mai târziu; .

Măsurători de temperatură au fost efectuate utilizând metoda clasică de evaluare a lărgirii liniilor spectrale prin efectul Doppler. Nucleii ( ca și atomii, moleculele ) emit radiație conform unui anumit spectru care prezintă linii caracteristice.

Dacă mediu este relativ rece, aceste linii sunt subțiri.

Spectrul de emisie al oțelului inoxidabil "relativ rece", încălzit la o temperatură de 100.000 K

Identificăm liniile cromului ( primele, la stânga ), apoi cele ale manganului, fier și nichel.

În acest oțel inoxidabil, carbonul reprezintă 0,15% din amestec și liniile sale nu sunt vizibile.

Liniile corespund excitațiilor electronice. În jurul unui nucleu orbitează electroni, pe orbite bine definite, din motive legate de mecanica cuantică ( cuantificarea orbitelor ). O adăugare de energie de orice origine poate provoca o "tranzitie", adică o schimbare a orbitei unui electron. Această schimbare se face întotdeauna în sensul migrării electronilor către o orbită mai îndepărtată, care reprezintă mai multă energie. Nu este nevoie să facem calcule savante pentru a evoca această idee. Știți foarte bine că pentru a pune sarcini de masă M pe orbită, mai mare este orbita, mai puternică trebuie să fie racheta. Adăugarea de energie pune electronul pe o orbită "mai sus", mai îndepărtată de nucleu. Nu rămâne mult timp ( există o durată de viață a acestor stări excitate ) și nu întârzie să cadă în câteva nanosecunde pe o orbită mai apropiată de nucleu. În acest fel pierde energie care este emisă sub formă de un foton a cărui energie este egală cu diferența dintre cele două nivele de orbitare. De aici acest spectru în "linii".

Un atom ca fierul are 26 de electroni.

Toți sunt capabili să efectueze schimbări de orbite, să revină, nu neapărat pe orbita inițială. De aici un spectru format dintr-o mulțime de linii. Unele sunt mai mari decât altele. Ce corespunde cu "înălțimea liniilor"? Cu puterea emisă conform acestei frecvențe. O linie măsoară contribuția unei tranzitii specifice. Unele tranzitii sunt mai probabile decât altele. Aceste tranzitii cele mai probabile, deci frecvente, vor da esențialul radiației. Aruncând o privire asupra diagramei de mai sus, vedem că pentru oțel inoxidabil, temperatura sa fiind între 58.000 ( 5 electron-volți ) și 116.000 K ( 10 electron-volți ), emisia cea mai mare provine dintr-o linie a cromului. Linia manganului este "mai modestă". La aceste temperaturi, atomii sunt deja foarte dezbrăcați de electroni. Dar mai rămân. Câți? Nu am sub mână un cărțică pentru a vă răspunde. Dezbrăcarea este progresivă. Nu știu la ce temperatură va trebui să aducem fierul sau cromul pentru a obține dezbrăcarea completă, când ultimul electron este smuls. Se poate calcula de fapt. Este energia pe care o trebuie pentru a smulge acel ultim electron de la un nucleu dotat cu 26 de sarcini pozitive.

Ceea ce a fost măsurat în experimentele Sandia se referă la un spectru de excitație-deexcitație al electronilor care au rămas în jurul nucleelor.

Lărgirea liniilor este legată de efectul Doppler-Fizeau.

Spectrul aceluiași material, încălzit la miliarde de grade. Efectul Doppler a dus la lărgirea liniilor

Frecvența corespunzătoare unui salt orbital dat ( unei linii ) va fi mai mare dacă atomul se apropie de observator și mai mic dacă se îndepărtează ( este atunci "redshift"). Astfel agitația termică

lărgeste liniile

. Măsurătorile, fiabile, au fost efectuate și au confirmat aceste valori mari ale temperaturii ionice, care se cifrează în miliarde de grade (

între 2,66 și 3,7 miliarde de grade

Rezultate din mai 2005 asupra mașinii Z de Sandia.

În negru, creșterea temperaturii ionice. În albastru, diametrul plasmei.

Pe abscisă: timpul în nanosecunde

( o nanosecundă reprezintă un miliard de secundă )

Creșterea de temperatură nu este un eveniment printre altele. Este o mare descoperire științifică și este foarte probabil că va avea asupra societății noastre planetare consecințe considerabile.

Ioniile ajung astfel să fie de 100 de ori mai calzi decât electronii

. Până acum, aceasta a fost singura explicație posibilă, dar de data aceasta a fost măsurată, în experimente complet reproductibile. Mai mult, această temperatură ionică

crește în timp.

În final, energia emisă de gazul de electroni, sub formă de radiație X s-a dovedit a fi de 3-4 ori mai mare decât energia cinetică pe care o aveau tijele de oțel inoxidabil din "linerul cu fire" când s-au găsit adunate pe axă

Haines și colaboratorii săi au încercat în lucrarea care urmează să elucideze acest mister. De unde a putut veni această energie?

Când pornim mașina Z energia se distribuie sub mai multe forme diferite. Există energia termică a plasmei, care corespunde sumei energiilor cinetice ale componentelor sale ( în principal energia cinetică a ionilor de fier ). Dar există și o altă energie, mai dificil de înțeles:

energia magnetică

care se găsește distribuită în întreg spațiul înconjurător al firului fin de plasmă format pe axă. Haines a sugerat deci că "instabilitățile MHD" ar putea apărea, permițând plasmei să recupereze o parte din această energie. Cum este cazul în articol, această teorie este foarte embrionară și nu a dat loc la nicio "simulare". Concluzia este pur și simplu "nu este imposibil ca acest încălzire să fie datorată acestui fenomen". El arată în trecere lipsa de cuplaj coliziional între electroni și ioni, care explică întârzierea emisiei razelor X, în timp. Fenomenul încălzește mai întâi ioni, care transmit o parte din această energie gazului de electroni, care devine apoi emisiv ( prin radiație de frânare ). Acest lucru fiind măsurătorile ( patru puncte )

arată că gazul de ioni de fier continuă să se încălzească

Maximul de temperatură nu este vizibil. Totuși, temperatura ( măsurată ) a ionilor de fier atinge 3,7 miliarde de grade! treizeci șapte de ori temperatura pe care Iter nu o poate depăși: 100 de milioane de grade.

Deeney a spus că față de un astfel de rezultat a refăcut de n ori experimentul și măsurătorile, pentru a fi sigur. Se va remarca că în titlul articolului este scris: "mai mult de două miliarde de grade". Logic, cercetătorii ar fi trebuit să menționeze valoarea maximă, de 3,7 miliarde de grade. Să numim acest lucru un mișcare de ... timiditate, față de mărimea rezultatului obținut.

Trebuie să ne amintim că cu 500 de milioane de grade putem face fuziunea litiului și a hidrogenului, obținând heliu și nu neutroni. Cu un miliard avem o "fuziune curată", întotdeauna fără radioactivitate sau deșeuri ( doar heliu ): cea a borului și a hidrogenului. Ce putem face cu 3,7 miliarde de grade, sau mai mult? Dacă temperatura ionilor continuă să crească, este logic să gândim că pot fi atinse temperaturi ionice mai mari.

O observație. În aceste experimente, intensitatea curentului electric pe care o livrează Z-machine ( de 18 până la 20 de milioane de amperi ) nu poate fi menținută indefinit. Este o descărcare: această intensitate crește în timp, trece printr-un maxim, apoi scade. În Z-machine, impulsul durează 100 de miliardime de secundă. Alte aspecte: dacă Haines are dreptate, mediul magnetic al firului de plasmă conține o energie foarte mare. Deci dacă menținem curentul, acest câmp magnetic va continua să "alimenteze" plasmele, făcând să crească temperatura ionică. Astfel aceste 3,7 miliarde de grade nu reprezintă un plafond și nimeni nu poate spune ce temperatură se poate atinge cu acest dispozitiv.

Prima consecință a unor astfel de experimente ar putea fi "fuziunea curată necontaminantă", cu un amestec de litiu și hidrogen ( litiul, prezent în apă de mare și în săruri, se găsește în toate regiunile lumii. În prezent, prețul său este de 59 dolari pe kilogram, cu taxe incluse ). Este vremea de aur din punct de vedere al energiei ( cu un bonus bomba H de fuziune curată, nu scumpă, pentru toți ). Dacă totul se confirma, niciun stat din lume nu va putea pretinde "deținerea rezervelor de litiu ale planetei". Deoarece litiul este prezent în apă de mare, aceste rezerve globale sunt, în mod inițial, nelimitate.

Deoarece temperatura într-o supernovă este de zece miliarde de grade și aceasta, prin reacții de fuziune, reușește să creeze toți atomii din tabelul periodic ( și izotopii lor radioactivi cu durate de viață mai sau mai puțin lungi ) dacă o Z-machine "umplută" reușește vreodată să realizeze 10 miliarde de grade vom fi realizat în laborator cele mai mari temperaturi pe care natura le poate realiza în cosmos. Acest salt înainte reprezintă deci un schimb radical în ceea ce privește fizica nucleară și fizica noastră în general.

Până acum ne-am mulțumit doar cu "cărbunii". Acest pas reprezintă într-adevăr invenția focului nuclear

Pentru ne-științifici

tuburi fluorescente

Experimentul Z-machine a dus la o situație foarte ciudată. Există două specii în prezență:

gazul de electroni
gazul de ioni ( în oțel inoxidabil, în principal nuclee de fier, încărcați pozitiv )

Observație simplă: ce creează acest "echilibru termodinamic"? Este schimbul de energie între particule, prin coliziuni. Energia este, de exemplu, energia cinetică

. De ce indicele i? Pentru că un plasma este un amestec de diferite specii, v

este viteza de agitație termică și < v

este "viteza medie pătratică". Astfel

este

energia cinetică medie

, în specia considerată. Aceasta este definiția absolută a temperaturii, care măsoară energia cinetică medie ( de agitație termică ) a unei specii date, conform relației:

unde k este constanta lui Boltzmann, care are valoarea 1,38 10

Fie două particule de mase diferite m

și m

și fie i cea mai ușoară.

Teoria cinetică a gazelor

ne spune că rata de transfer de energie cinetică într-un impact va fi proporțională cu raportul

Dacă masele sunt foarte diferite, se observă în trecere că la o temperatură dată (suficient de mare pentru ca mediu să fie ionizat, să existe electroni liberi), diferența de mase face ca vitezele de agitație electronică și ionică să fie foarte diferite. Să luăm cazul unui plasma de hidrogen deuteriu-tritiu, cu o masă atomică medie de 2,5 (2 pentru deuteriu, 3 pentru tritiu). Imaginați-vă că gazul de ioni este la 100.000.000 de grade (într-un tokamak). Viteza de agitație termică va fi:

de ordinul (3 k T

Un proton cântărește 1,6 10

kilo

Masa medie a ionilor de hidrogen este deci 1,6 10

2,5, adică 4 10

kilo

Viteza medie de agitație termică a ionilor de hidrogen este deci, într-un tokamak de 10

m/s, adică

mii de kilometri pe secundă

. Un număr interesant de reținut. Într-un tokamak, reglează starea de echilibru termodinamic. Temperatura gazului de electroni este aceeași ca a ionilor. Dar viteza de agitație a electronilor este mai mare decât cea a ionilor, în inversul rădăcinii pătrate a raportului maselor.

Masa unui electron este

= 0,91 10

kilo

Într-un plasma de hidrogen greu, raportul maselor este de 4400, iar raportul vitezelor de agitație termică este rădăcina pătrată a acestui număr, adică 66. Viteza de agitație termică a electronilor într-un tokamak este deci de 66 de ori mai mare decât cea a ionilor și este deci 66.000 km/s, adică 20% din viteza luminii. O simplă observație.

În plasma de fier din Z-machines, raportul maselor atinge 100.000. Într-un plasma de fier în echilibru, raportul vitezelor termice dintre electroni și ioni de fier ar fi de 316. Dar, așa cum vom vedea mai departe, plasma de fier din Z-machine este foarte departe de echilibru. Diferența față de tuburile fluorescente este că, de data aceasta, temperatura electronică este de 100 de ori mai mică decât cea a ionilor. Deci este vorba de un nou tip de plasmă

în stare de neechilibru invers

Este un mediu nou, puțin cunoscut, de explorat. Într-adevăr, un adevărat „vest de vest” pentru experimentatori și teoreticieni. O Z-machine este în primul rând un puternic generator electric:

Z-machine de la Sandia, înainte de 2007

( a fost modificată ulterior și transformată în ZR, Z „refurbished” )

Mașina ZR, în funcțiune din 2007, capabilă să atingă 26 de milioane de amperi, tot în 100 nanosecunde

Z-machine trimite această curentă într-un „liner cu fire”, o specie de rețea de șuruburi, de 5 cm înălțime și 8 cm diametru, formată din 240 de fire din oțel inoxidabil, mai subțiri decât un păr: .

Constituția „linierului cu fire”

În fiecare fir trece deci:

75.000 de amperi

Fiecare fir creează un câmp magnetic, care interacționează cu firele vecine conform forței Laplace I B. Aceste forțe sunt centripete și tind să adune toate aceste fire de-a lungul axei sistemului.

Forțele Laplace tind să adune firele de-a lungul axei sistemului

Desenul care a avut mult mai mult la Gerold Yonas, inventatorul mașinii

În apropiere, firele metalice se sublimă treptat:

Formarea coșulețului de plasmă

( teza lui Mathias Bavay )

Este structura în ansamblu de fire care menține axi-simetria și împiedică apariția instabilităților MHD. Opiniile sunt împărțite privind comportamentul acestui liner cu fire în timpul acestei implozii. Fierul este înconjurat de o șapă de plasmă de fier. Experiența arată că firele lăsă în urmă o „coadă de păianjen” care reprezintă 30% din masa lor.

Schema acestei implozii poate fi calculată (a se vedea mai departe). Raza acestei găleți fiind de 4 cm și timpul de 100 nanosecunde, viteza medie de convergență este de 400 km/s. În realitate, există o accelerare imediat înainte de contact. Viteza ionilor înainte de impact este între 550 și 650 km/s. Menținerea axi-simetrice face ca plasmă de fier să devină în final un fir de 1,5 mm diametru.

Ioni și electroni converg la aceeași viteză către axă. Nu este posibil să separăm două populații din cauza forțelor electrostatice intense care le leagă. Când aceste particule, ioni de fier și electroni, se ciocnesc în apropierea axei, are loc termalizare, adică, în principiu, energia cinetică legată de viteza radială se distribuie în toate direcțiile. Acest lucru este valabil atât pentru ioni, cât și pentru electroni.

Să uităm pentru moment de electroni și să imaginăm o populație de obiecte cu o masă egală cu cea a ionilor de fier care se găsește în apropierea axei la 650 km/s.

Masa ionilor de fier este 9 10

kilo

Vom scrie:

V = 600 km/s

Obținem o temperatură ionică de 925 de milioane de grade. O simplă conversie a acestei viteze radiale în viteza de agitație termică a ionilor.

Să efectuăm același calcul pentru electroni, obținem o temperatură de 100 de ori mai mică, în jur de 9250 de grade. Un puternic stadiu de neechilibru invers. Atunci, coliziunile intră în joc. Pentru ioni, Malcom Haines a calculat că timpul de relaxare (timpul de termalizare al gazului de ioni, stabilirea unei funcții de distribuție a vitezelor) este de 37 picosecunde, adică 3,7 10

secundă. Acest timp este mic în comparație cu „timpul de stagnare” al plasmei, sub formă de un fir hiperdens și hiperîncălzit, de dimensiunea unei creioane.

Măsurătorile (emisia de raze X prin „răcirea radiației”, interacțiunea electroni-ioni) dau o temperatură de 30 de milioane de grade. Gazul de electroni a fost deci încălzit. Vom analiza acest lucru mai departe. Se obișnuiește să exprimăm temperaturile mari în electron-volți, conform relației

e V = k T

cu e (sarcina electrică unitară) = 1,6 10-19 coulomb

Dacă avem un mediu care reprezintă o temperatură, încălzită în „electron-volt” care să fie de un „eV”, aceasta va corespunde unei temperaturi

T = e / k = 11.600° K

Deoarece lucrăm cu ordine de mărime, avem obiceiul să convertim electron-volții în grade Kelvin făcând pur și simplu

T = 10.000 V

Așa că un „keV”, un kilo-electron-volt este echivalent cu 10.000°

Măsurătorile de radiație emisă (în domeniul razelor X) dau o temperatură de 30 keV, pe care o rotunjim la 30 de milioane de grade.

Altă problemă: se constată că gazul de ioni este de 3-4 ori mai cald decât cea obținută prin termalizare simplă. Măsurătorile de temperatură dau o valoare mai mare de 2 miliarde de grade, ajungând chiar la valoarea maximă de 3,7 miliarde de grade. De unde provine atunci energia? Aici vom discuta mai departe;

Măsurători de temperatură au fost efectuate utilizând metoda clasică de evaluare a lărgirii liniilor spectrale prin efect Doppler. Nucleii (ca și atomii, moleculele) emit radiație conform unui anumit spectru care prezintă linii caracteristice.

Dacă mediu este relativ rece, aceste linii sunt subțiri.

Spectrul de emisie al oțelului inoxidabil „relativ rece”, încălzit la o temperatură de 100.000° K

Identificăm liniile cromului (primele, din stânga), apoi cele ale manganului, fier și nichel.

În acest oțel inoxidabil, carbonul reprezintă 0,15% din amestec și liniile sale nu sunt vizibile.

Liniile corespund excitațiilor electronice. În jurul unui nucleu orbitează electroni, pe orbite bine definite, din motive legate de mecanica cuantică (cantificarea orbitelor). O sursă de energie oricât de mică poate provoca o „tranzitie”, adică un schimb de orbită al unui electron. Acest schimb se face întotdeauna în sensul mișcării electronilor spre o orbită mai departe, care reprezintă mai multă energie. Nu este nevoie de calcule complexe pentru a evoca această idee. Știți foarte bine că pentru a pune sarcini de masă M pe orbită, mai mare este orbita, mai puternică trebuie să fie racheta. Aportul de energie pune deci electronul pe o orbită „mai sus”, mai departe de nucleu. Nu rămâne mult timp (există o durată de viață a acestor stări excitate) și nu întârzie să revină în câteva nanosecunde pe o orbită mai aproape de nucleu. În acest fel pierde energie care este emisă sub formă unui foton al cărui energie este egală cu diferența dintre cele două niveluri de orbitare. De aici acest spectru în „linii”.

Un atom ca fierul are 26 de electroni.

Toți sunt capabili să efectueze schimbări de orbite, să revină, nu neapărat pe orbita inițială. De aici un spectru format dintr-o mulțime de linii. Unele sunt mai înalte decât altele. Ce corespunde acestei „înălțimi a liniilor”? Unei putere emisă conform acestei frecvențe. O linie măsoară contribuția unei tranzitii specifice. Unele tranzitii sunt mai probabile decât altele. Aceste tranzitii cele mai probabile, deci frecvente, vor da esențialul radiației. Privind schema de mai sus, vedem că pentru un oțel inoxidabil aflat la o temperatură între 58.000 (5 electron-volți) și 116.000° K (10 electron-volți), emisia cea mai puternică provine dintr-o linie a cromului. Linia manganului este „mai modestă”. La aceste temperaturi, atomii sunt deja foarte dezbrăcați de electroni. Dar mai există. Câți? Nu am la îndemână un cartea pentru a vă răspunde. Dezbrăcarea este progresivă. Nu știu la ce temperatură trebuie să aducem fierul sau cromul pentru a obține dezbrăcarea completă, adică ultimul electron să fie îndepărtat. Acest lucru se poate calcula de fapt. Este energia necesară pentru a îndepărta acest ultim electron de un nucleu dotat cu 26 de sarcini pozitive.

Ceea ce a fost măsurat în experimentele Sandia se referă la un spectru de excitație-deexcitație al electronilor care au rămas în jurul nucleilor.

Lărgirea liniilor este legată de efectul Doppler-Fizeau.

Spectrul aceluiași material, adus la miliarde de grade. Efectul Doppler a dus la lărgirea liniilor

Frecvența corespunzătoare unui salt orbital dat (unei linii) va fi mai mare dacă atomul se apropie de observator și mai mică dacă se îndepărtează (atunci este „redshift”). Astfel, agitația termică

lărgeste liniile

. Măsurătorile, fiabile, au fost efectuate și au confirmat aceste valori mari ale temperaturii ionice, care se exprimă în miliarde de grade (

între 2,66 și 3,7 miliarde de grade

Rezultate din mai 2005 asupra Z-machine-ului Sandia.

În negru, creșterea temperaturii ionice. În albastru, diametrul plasmei.

Pe abscisă: timpul în nanosecunde

( o nanosecundă reprezintă un miliard de secundă )

Creșterea temperaturii nu este un eveniment oarecare. Este o mare descoperire științifică și este foarte probabil că va avea asupra societății noastre planetare consecințe considerabile.

Ioni ajung astfel să fie de 100 de ori mai calzi decât electronii

. Până acum, aceasta era singura explicație posibilă, dar de data aceasta a fost măsurată, în experiențe complet reproductibile. Mai mult, această temperatură ionică

crește în timp.

În final, energia emisă de gazul de electroni, sub formă de radiație X s-a dovedit a fi de 3-4 ori mai mare decât energia cinetică pe care o aveau barele de oțel inoxidabil din „linerul cu fire” când s-au găsit adunate pe axă

Haines și colaboratorii săi au încercat în articolul care urmează să elucideze acest mister. De unde a putut proveni această energie?

Când pornim Z-machine, energia se distribuie sub mai multe forme diferite. Există energia termică a plasmei, care corespunde sumei energiilor cinetice ale componentelor sale (în principal, energia cinetică a ionilor de fier). Dar există și o altă energie, mai dificil de înțeles:

energia magnetică

care se găsește distribuită în întreg spațiul înconjurător al firului subțire de plasmă format pe axă. Haines a sugerat deci că „instabilitățile MHD” ar putea apărea, permițând plasmei să recupereze o parte din această energie. Așa cum este cazul în articol, această teorie este foarte embrionară și nu a dus la nicio „simulare”. Concluzia este pur și simplu „nu este imposibil ca acest încălzire să fie datorată acestui fenomen”. El arată în trecere legătura slabă coliziională dintre electroni și ioni, care explică întârzierea emisiei razelor X, în timp. Fenomenul încălzește mai întâi ioni, care transmit o parte din această energie gazului de electroni, care devine apoi emisiv (prin radiație de frânare). Acest lucru fiind, măsurătorile (patru puncte)

arată că gazul ionic de fier continuă să se încălzească

Maximul de temperatură nu este evident atins. Totuși, temperatura (măsurată) a ionilor de fier atinge 3,7 miliarde de grade! treizeci și șapte de ori temperatura pe care Iter nu o va putea depăși niciodată: 100 de milioane de grade.

Deeney a spus că față de un astfel de rezultat a refăcut de n ori experimentul și măsurătorile, pentru a fi sigur. Se va observa că în titlul articolului este scris: „mai mult de două miliarde de grade”. Logic, cercetătorii ar fi trebuit să menționeze valoarea maximă, de 3,7 miliarde de grade. Să numim acest lucru un gest de... timiditate, față de mărimea rezultatului obținut.

Trebuie să ne amintim că cu 500 de milioane de grade putem face fuziunea litiului și a hidrogenului, obținând heliu și nu neutroni. Cu un miliard avem o „fuziune curată”, întotdeauna fără radioactivitate sau deșeuri (doar heliu): cea a borului și a hidrogenului. Ce putem face cu 3,7 miliarde de grade, sau mai mult? Dacă temperatura ionilor continuă să crească, este logic să credem că pot fi atinse temperaturi ionice mai mari.

O observație. În aceste experimente, intensitatea curentului electric pe care o livrează Z-machine (de 18 la 20 de milioane de amperi) nu poate fi menținută indefinit. Este o descărcare: această intensitate crește în timp, trece printr-un maxim, apoi scade. În Z-machine, impulsul durează 100 de miliardime de secundă. Alte aspecte: dacă Haines are dreptate, mediul magnetic al firului de plasmă conține o energie foarte mare. Deci, dacă menținem curentul, acest câmp magnetic va continua să „alimenteze” plasmele, făcând să crească temperatura ionică. Astfel, aceste 3,7 miliarde de grade nu reprezintă un plafond și nimeni nu poate spune ce temperatură se poate atinge cu acest dispozitiv.

Prima consecință a acestor experimente ar putea fi „fuziunea curată fără poluare”, cu un amestec de litiu și hidrogen (litiul, prezent în apa de mare și în săruri, se găsește în toate regiunile lumii. În prezent, prețul său este de 59 de dolari pe kilogram, cu taxe incluse). Este Epoca de Aur din punct de vedere al energiei (cu în plus bomba H de fuziune curată, nu scumpă, pentru toți). Dacă totul se confirma, niciun stat din lume nu poate pretinde „deținerea rezervelor de litiu ale planetei”. Deoarece litiul este prezent în apa de mare, aceste rezerve planetare sunt în mod inițial nelimitate.

Deoarece temperatura într-o supernovă este de zece miliarde de grade și aceasta, prin reacții de fuziune, reușește să creeze toți atomii din tabelul periodic (și izotopii lor radioactivi cu durate de viață mai sau mai puțin lungi), dacă o Z-machine „umplută” va reuși vreodată să realizeze 10 miliarde de grade, vom realiza în laborator cele mai mari temperaturi pe care natura le poate realiza în cosmos. Acest salt înainte reprezintă deci un schimb radical în ceea ce privește fizica nucleară și fizica noastră în general.

Până acum ne-am mulțumit doar cu „cărbuni”. Acest pas reprezintă cu adevărat inventarea focului nuclear

Iată începutul articolului lui Haines, Deeney și alții:

**Traducem titlul **:

**Încălzirea viscoasă a ionilor într-un pinch magneto-hidrodinamic instabil, o temperatură de peste 2 x 109 **K

Apoi abstractul :

Seturile formate din fire metalice, puternic concentrate de-a lungul axei de simetrie a sistemului, sunt sursele cele mai puternice de raze X din laborator până în prezent. Dar, în anumite condiții, se poate observa o energie sub formă de raze X „moi”, emisă într-un impuls de 5 nanosecunde, la momentul în care se atinge compresia maximă (stagnare)

care corespunde unei energii care depășește energia inițială sub formă cinetică, de un factor de 3-4

. Un model teoretic este dezvoltat pentru a explica acest fenomen, sugerând că este imputabil unei conversii rapide de energie magnetică, care aduce ioni la o temperatură foarte mare, prin fenomene de instabilități MHD de tip m = 0, cu creștere rapidă. Aici apare saturarea neliniară și încălzirea viscoasă a gazului de ioni. Această energie, inițial transferată ioni, este apoi transmisă electronilor prin simplă echilibrare, coliziuni ioni-electroni, iar aceștia emite apoi raze X moi. Recent, la Sandia s-au obținut spectre, aceste măsurători extinzându-se în timp, care au confirmat o temperatură ionică de 200 keV (2

grade), în concordanță cu această teorie. Astfel, se obține un record de temperatură pentru un plasma confinat magnetic.

Haines și coautorii săi încep prin a reaminti fundalul problemei. Nu s-a reușit să explicăm cum energia eliberată de plasmă poate atinge de 3 sau 4 ori energia cinetică „incidentă”, adică suma 1/2 mV2 a atomilor de metal lansați unii împotriva altora, în direcția axei, unde se termină cursa lor, această energie cinetică fiind transformată în energie termică. Când analizăm datele, nu se adună. Mai multă energie iese decât intră în sistem și trebuie să provină dintr-un loc. Haines gândește la energie magnetică. Ce se întâmplă?

Dacă considerăm un liner format din fire (240) și îi facem să treacă un curent, putem calcula intensitatea câmpului magnetic, azimutal, creat de celelalte fire. Acest fir suferă o forță Laplace J x B. Este ușor de stabilit că această forță este aceeași ca și cea care ar rezulta dintr-un conductor liniar așezat pe axă și unde se face să treacă întregul curent (în experimentul Sandia: 20 de milioane de amperi).

Acesta este modul în care se poate calcula valoarea câmpului exterior, modulo ipoteza făcută: că putem considera acest câmp ca fiind creat de fire de lungime infinită, ceea ce nu este cazul. Astfel, se obțin doar ordine de mărime. Acestei câmpuri magnetice i se asociază o presiune magnetică, care, dacă se exprimă în newtoni pe metru pătrat, corespunde și la jouli pe metru cub. Presiunea magnetică este o densitate de energie volumetrică. Evaluăm acea care ar fi creată de un conductor liniar infinit.

Putem, în apropierea pachetului de fire, unde putem în primul rând reține această metodă de calcul a câmpului, calcula energia magnetică localizată între un cilindru de rază r și un cilindru de rază dr

Fie rmin raza minimă a plasmei. Evident, nu are niciun sens să integrăm această expresie de la această valoare la infinit, deoarece este valabilă doar pentru conductori liniari, unde putem considera lungimea ca fiind infinită. Dar, scriind:

vedem că, cu cât pachetul de atomi metalici este mai adunat în apropierea axei sistemului, cu atât mai mare este energia creată sub formă de presiune magnetică în apropierea obiectului. Haines vede aici sursa de energie care este capabilă să crească temperatura ionilor, care au deja transformat energia lor cinetică în energie cinetică de agitație termică. Dacă V este viteza radială a ionilor la momentul impactului, de la „stagnare”, putem evalua această viteză de agitație termică făcând pur și simplu:

Folosirea acestei formule implică faptul că „gazul de fier” este „termalizat”, a dobândit o distribuție de viteză Maxwell-Boltzmann. Dar, așa cum va arăta mai târziu Haines, timpul de relaxare în acest mediu este foarte scurt.

tii, timpul de relaxare în mediu: 37 picosecunde (Haines)

Adăugăm că legătura energetică cu gazul de electroni este și ea slabă. În plus, energia redistribuită nu poate fi făcută decât sub formă cinetică (energie de agitație termică a ionilor și electronilor). Această formulă, foarte simplă, este deci valabilă. În final, în măsura în care presupunem că gazul de ioni nu este alimentat de o altă sursă de energie, și vom vedea mai târziu că este cazul.

Așa că, cu o viteză de 1000 km/s, am obține într-adevăr 2 miliarde de grade. Când sistemul în implozie trece de la configurația „fire separate” la configurația „coroană de plasmă”? Articolul nu spune. Cu un liner de 4 cm rază și un timp de implozie de 100 nanosecunde, obținem o viteză medie radială de 400 km/s, minimă. Atomul de fier cântărește 9 10-26 kilo, dar dacă este viteza ionilor la momentul impactului, obținem totuși 348 de milioane de grade. Este doar o viteză medie. Când scriem ecuația diferențială a mișcării, avem o accelerare spectaculoasă la sfârșit. Mai trebuie să ținem cont și de faptul că descărcarea nu este la intensitate constantă. I crește în timp. Avem:

M reprezintă masa linerului, la metru. Vedem că la sfârșitul descărcării și la sfârșitul cursei, accelerarea crește. Viteza zboară. Haines scrie:

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.

A apărut o dificultate în înțelegerea modului în care energia radiată într-o implozie de fir Z a putut atinge până la 4 ori energia cinetică [1– 4], și cum presiunea plasmei ar fi putut fi suficientă pentru a echilibra presiunea magnetică la stagnare dacă temperaturile ionice și electronice ar fi fost egale. Într-adevăr, teoretic, presiunea magnetică excesivă ar fi trebuit să continue să comprime plasmele, ducând la un colaps radiativ. Unele teorii [5,6] au fost dezvoltate pentru a explica acest încălzire suplimentară, dar niciuna dintre acestea nu a abordat echilibrul presiunii

O privire asupra referințelor citate:

[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,

Referința (1) datează din 1997. Deci, de la acea vreme, acest fenomen neexplicat a fost deja observat. Deeney este directorul experimentelor Z-machine. Nu am citit aceste articole. Dacă oamenii ar putea să-mi trimită în format pdf, aș putea să le parcurg și să ofer comentarii suplimentare.

Să sarim direct la concluziile articolului:

puterea de calcul

În concluzie, pare că instabilitățile MHD de m = 0 cu lungimi de undă scurte care apar la stagnare în implozii de masă mică oferă un încălzire rapidă viscoasă a ionilor la temperaturi record de peste 200 keV. Asemenea temperaturi au fost măsurate, energia provenind din conversia energiei magnetice pe un interval de timp de 5 nanosecunde. Ioni încălzesc electronii care radiază imediat energia. Mai mult, lărgirea liniilor spectrale rezultate din temperatura ridicată a ionilor va permite o putere radiativă mai mare datorită scăderii opacității. Mecanismul propus oferă o explicație plauzibilă a mai multor fenomene de importanță fundamentală pentru dinamica Z pinch, inclusiv echilibrul presiunii la stagnare, absența colapsului radiativ, excesul semnificativ de radiație X.	En concluzie il apare că instabilitățile m = 0 de lungimi de undă scurte care se produc în condițiile de stagnare, implicând mase mici, produc un încălzire rapidă viscoasă a ionilor până la temperaturi record de peste 200 keV. Asemenea temperaturi au fost	măsurate	, o conversie a energiei magnetice în energie cinetică având loc într-un interval de timp de 5 nanosecunde. Mai mult, fenomenul de lărgire a liniilor, legat de temperatura ridicată a ionilor, permite o emisie mai mare de radiație datorită scăderii opacității. Mecanismul propus oferă o explicație plauzibilă a mai multor fenomene de importanță fundamentală pentru studiul Z pinch, inclusiv echilibrul presiunii la stagnare, absența colapsului radial și excesul semnificativ de radiație X.

In conclusion, it appears that short wavelength m = 0 MHD instabilities at stagnation in low mass implosions provide fast viscous heating of ions to record temperatures of over 200 keV. Such temperatures have been measured, the energy coming from conversion of magnetic energy on a 5 ns time scale. The ions heat the electrons which immediately radiate the energy. Furthermore, the broadened spectral lines arising from the high ion temperature will permit a greater radiative power to occur due to decreased opacities. The proposed mechanism provides a plausible explanation of several phenomena of fundamental importance to Z pinch dynamics including pressure balance at stagnation, the absence of radiative collapse, the significant excess of x-ray radiation

En concluzie il apare că instabilitățile m = 0 de lungimi de undă scurte care se produc în condițiile de stagnare, implicând mase mici, produc un încălzire rapidă viscoasă a ionilor până la temperaturi record de peste 200 keV. Asemenea temperaturi au fost

măsurate

, o conversie a energiei magnetice în energie cinetică având loc într-un interval de timp de 5 nanosecunde. Mai mult, fenomenul de lărgire a liniilor, legat de temperatura ridicată a ionilor, permite o emisie mai mare de radiație datorită scăderii opacității. Mecanismul propus oferă o explicație plauzibilă a mai multor fenomene de importanță fundamentală pentru studiul Z pinch, inclusiv echilibrul presiunii la stagnare, absența colapsului radial și excesul semnificativ de radiație X.

În concluzie, pare să existe instabilități MHD de scurtă lungime de undă, m = 0, în condiții de stagnare în implozii cu masă mică, care produc un încălzire viscoasă rapidă a ionilor până la temperaturi record de peste 200 keV. Asemenea temperaturi au fost măsurate, energia provenind din conversia energiei magnetice pe o scară temporală de 5 ns. Ionii încălzesc electronii, care radiază imediat energia. În plus, liniile spectrale largite datorate temperaturii ridicate a ionilor vor permite o putere radiativă mai mare din cauza scăderii opacității. Mecanismul propus oferă o explicație plauzibilă a mai multor fenomene de importanță fundamentală pentru dinamica Z-pinch, inclusiv echilibrul presiunii la stagnare, absența colapsului radiativ și excesul semnificativ de radiație X.

Ecuația (1) din articol este citată ca fiind „relația lui Bennett”, care datează din 1934 (menționată ca prezentată în referința (1)). Aceasta poate fi reconstituită fără mari dificultăți. Ea exprimă simplu faptul că presiunea magnetică este egală cu presiunea din plasmă. Presiunea magnetică este dată mai sus. Presiunea totală în plasmă este dată ca suma presiunilor parțiale care contribuie:

din gazul de electroni: ne k Te
și din gazul de ioni: ni k Ti

unde k este constanta lui Boltzmann.

Dacă Z este gradul de ionizare, atunci:

ne = Z ni

Dacă, în plus, aceste temperaturi absolute sunt exprimate în electron-volți și nu în grade Kelvin, cu:

k T = e V

atunci presiunea din plasmă se scrie:

ni e ( Ti + Z Te )

Se observă apariția celui de-al doilea membru al „relației lui Bennett”. Mai trebuie arătat că:

r este atunci raza minimă a firului de plasmă confinat pe ax. Bennett introduce apoi un număr de ioni pe metru, Ni.

Ce care dă (Bennett, 1934):

Această expresie este remarcabilă pentru că raza minimă a firului de plasmă nu intervine. De ce?

Când firul de plasmă se îngustează, presiunea magnetică care acționează asupra sa crește invers proporțional cu pătratul razei. Dar și densitatea ionilor crește în aceeași măsură. Aceasta compensează. Ceea ce este ciudat, de fapt, este că diferența mare dintre temperaturile ionice și electronice nu depinde de raza finală a firului de plasmă, care ar putea fi oricât de mică. Avem o ecuație diferențială care dă evoluția razei r a plasmei în funcție de timp:

Putem calcula forma curbelor (cu condiția să dispunem de legea creșterii curentului I(t), care este o „intrare” a problemei. În principiu, în mașinile Z această creștere este practic liniară, cu excepția erorilor). Scăderea lui r se accentuează. Vreau să spun că viteza de implozie crește pe măsură ce r scade. Dacă r ar deveni zero, viteza de implozie ar deveni infinită. Dar scriind această ecuație am uitat ceva: forța de presiune care se opune imploziei. Ar trebui să o luăm în considerare. Astfel, problema este mai complexă decât pare. Această presiune care se opune imploziei depinde de temperatura ionica. Dar nu o putem modela, deoarece, conform lui Haines, creșterea ei depinde de un fenomen pe care nu îl putem gestiona: încălzirea plasmei prin micro-instabilități MHD.

Concluzie: trebuie să știi când să te oprești în modelarea unui sistem și să nu mai iei în considerare toți parametrii. Avem formula:

dar nu cunoaștem viteza V a ionilor la sfârșitul imploziei. Introducerea unei viteze medii (raza linerului împărțită la timpul de implozie) nu are prea mult sens, deoarece viteza crește în ultima fază a imploziei.

Haines se referă apoi la un anumit experiment al mașinii Z, Z1141, unde masa linerului pe metru era de 450 mg fire de oțel inoxidabil (4,5 × 10⁻⁵ kg/m), aranjate în două coroane concentrice, prima având un diametru de 55 mm și o masă dublă față de cea de-a doua, cu un diametru de 27,5 mm.

Mai departe, Haines va folosi o valoare a lui Ni (numărul de ioni pe metru) de 3,41 × 10²⁰. Masa unui atom de fier este de 9 × 10⁻²⁶ kg; dacă împărțim 4,5 × 10⁻⁵ kg/m la această masă obținem 5 × 10²⁰. Dar el precizează că în timpul imploziei 30 % din masă „se pierde pe drum”. Astfel, obținem aproape valoarea sa.

El indică că măsurătorile temperaturii electronice efectuate dau 3 keV la momentul stagnării, adică 35 de milioane de grade. Precizează că curentul crește la 18 megaamperi în 100 nanosecunde. Estimează că 30 % din materie „s-au pierdut pe drum”, dar 70 % au ajuns la destinație. Într-adevăr, acest lucru rezultă din toate aceste studii cu lineruri din fire (teza lui Bavay). În timpul colapsului, aceste fire „se vaporizează” ca niște comete în curs de degazare. Lăsând în urma lor o urmă de plasmă, a cărei masă poate reprezenta 30–50 % din masa firelor.

Cu Ni = 3,41 × 10²⁰ ioni pe metru și Z = 26 (fier), aplicăm relația lui Bennett cu sarcina unitară e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C (coulomb) și μ₀ = 4π × 10⁻⁷ MKSA.

Calculăm (Ti + Z Te):

ceea ce corespunde cu 3,44 miliarde de grade. Când diametrul firului de plasmă trece printr-un minim, măsurarea temperaturii ionice este de 270 keV, adică 3,12 miliarde de grade. Luând în considerare intervalul de eroare, acordul este pur și simplu remarcabil.

26 iunie 2006

Cum se evaluează temperatura ionica într-un montaj (J.P. Petit, 27 iunie 2006)

Revenim la detaliile stabilirii ecuației diferențiale care dă dinamica unui element al linerului supus forței electromagnetice radiale. Repetăm totul. Este ușor de stabilit că câmpul magnetic creat de un perete de fire aranjate după un cilindru este echivalent cu cel creat de un singur fir dispus pe ax și prin care trece întregul curent. Astfel:

Sunt n fire. În fiecare fir trece curentul I/n. Acesta este supus forței Lorentz, pe unitatea de lungime:

Notăm cu M masa pe unitatea de lungime a linerului. Până când firul nu se vaporizează, ecuația diferențială se obține scriind:

unde I depinde de timp, desigur. Dar aceasta este o dată în ecuație.

Înlocuim acum firul cu o vaporație metalică. Mai precis, înlocuim întregul sistem de fire cu un cilindru de plasmă, un „pinch”. Acesta este tot timpul parcurs de curentul I. Pe suprafață putem calcula câmpul B, tot după aceeași formulă. Dar putem introduce și o forță de presiune, care încearcă să oprească această implozie. Această presiune este presiunea iionică

pi = ni k Ti

Nu o controlăm, deoarece depinde de energia transmisă ionilor într-un mod încă neînțeles, datorită instabilităților MHD, conform lui Haines. Avem forța Lorentz care acționează asupra fiecărui „fir” sau fiecărui sector al plasmei care corespund sectorului 2π/n pe care îl ocupau. Forța de presiune care acționează asupra acestui sector pe unitatea de lungime este:

Pot obține ecuația diferențială a mișcării scriind:

Avem:

înlocuind în ecuație:

Deoarece nu știm cum evoluează temperatura ionica în timp, deoarece depinde de această intrare externă de energie, nu putem merge mai departe, cu excepția că încercăm să evaluăm valoarea temperaturii ionice când accelerația este nulă, în condiția de „stagnare”, când r" = 0. Obținem atunci:

Se observă că această temperatură iionică (este vorba de o ordine de mărime într-un calcul aproximativ) corespunzătoare unei „condiții de stagnare” depinde de pătratul intensității electrice totale I și crește când numărul de ioni pe metru este redus. Astfel, pentru o masă și o geometrie a linerului identică, ar fi avantajos să folosim atomi mai grei, cum ar fi aurul, precum sugerează un fost din DAM (Divizia Aplicațiilor Militare), ductil, ușor de prelucrat, de patru ori mai greu decât oțelul inoxidabil. Cu configurația mașinii Z a Sandia, am putea spera să atingem, cu fir de aur, o temperatură de zece miliarde de grade.

Dar ar trebui ca toți parametrii să fie controlați, adică să știm „de ce a funcționat”. Viteza de sublimare a materialului poate juca un rol-cheie. Cu cât este mai mică, cu atât mai mult timp linerul va rămâne sub formă de fire individualizate, păstrând axialsimetria. Dacă viteza de sublimare a aurului este prea mare, înlocuirea oțelului inoxidabil cu acest material ar putea chiar duce la rezultate mai slabe. Dar în orice caz trebuie să încercăm. Și trebuie să încercăm, desigur, cu intensități crescute. Ce vor obține americani cu ZR, care va dezvolta 28 de milioane de amperi în loc de 20? Logic, temperatura ionică ar trebui să atingă valori mai mari. Poate cinci miliarde de grade.

Dacă ne bazăm pe această expresie, care ne dă tendința manipulării, modul în care parametrii ar trebui să influențeze temperatura ionică la sfârșitul compresiei, ar indica că cu un montaj identic cu cel al mașinii Z a Sandia, generatorul de Gramat nu va permite depășirea temperaturii de 50 de milioane de grade. Dar pot fi considerate alte configurații. Vedeți mai departe.

26 iunie 2006

Cum se evaluează temperatura ionica într-un montaj (J.P. Petit, 27 iunie 2006)

Sunt n fire. În fiecare fir trece curentul I/n. Acesta este supus forței Lorentz, pe unitatea de lungime:

Notăm cu M masa pe unitatea de lungime a linerului. Până când firul nu se vaporizează, ecuația diferențială se obține scriind:

unde I depinde de timp, desigur. Dar aceasta este o dată în ecuație.

pi = ni k Ti

Pot obține ecuația diferențială a mișcării scriind:

Avem:

înlocuind în ecuație:

Deoarece nu știm cum evoluează temperatura ionică în timp, deoarece depinde de această intrare externă de energie, nu putem merge mai departe, cu excepția că încercăm să evaluăm valoarea temperaturii ionice când accelerația este nulă, în condiția de „stagnare”, când r" = 0. Obținem atunci:

Se observă că această temperatură ionică (este vorba de o ordine de mărime într-un calcul aproximativ) corespunzătoare unei „condiții de stagnare” depinde de pătratul intensității electrice totale I și crește când numărul de ioni pe metru este redus. Astfel, pentru o masă și o geometrie a linerului identică, ar fi avantajos să folosim atomi mai grei, cum ar fi aurul, precum sugerează un fost din DAM (Divizia Aplicațiilor Militare), ductil, ușor de prelucrat, de patru ori mai greu decât oțelul inoxidabil. Cu configurația mașinii Z a Sandia, am putea spera să atingem, cu fir de aur, o temperatură de zece miliarde de grade.

Revenim la formula lui Bennett. În experimentul de la Sandia, temperatura electronică Te măsurată (după emisia razelor X) este de 3 keV. Cu Z = 26 avem:

Z Te = 78

Deci presiunea nu este datorată gazului de electroni! Mai rămâne presiunea ionilor pentru a echilibra presiunea magnetică (relația lui Bennett). Dar aceștia ar trebui să fie la o temperatură de 219 keV, adică ... 2,54 miliarde de grade! Într-adevăr trebuie ca:

Ti + 78 (măsurat) = 296

Dar nu este totul. Înainte de aceste experimente, Sandia a operat cu „gazuri injecționate” – „pufuri de gaz” trimise în centrul sistemului și comprimate cu ajutorul linerului din fire.

Totuși, același dezacord privind echilibrul presiunii apare și în imploziile Z-pinch cu pufuri de gaz [9], în care profilele de densitate și temperatură au fost efectiv măsurate la stagnare, dar care au o temperatură ionică măsurată în mod inexplicabil ridicată de 36 keV.

În orice caz, același dezacord privind echilibrul presiunii a fost regăsit în experimentele Z-pinch efectuate cu pufuri de gaz (9), în care profilele de densitate și temperatură au fost măsurate la stagnare, dar și cu o temperatură ionică de 36 keV (3 milioane de grade), tot de asemenea neexplicată.

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

Dacă un cititor ar putea să-mi trimită PDF-ul referinței (9), aș analiza mai în detaliu.

Haines exclude încălzirea rezistivă, efectul Joule simplu, către care s-a orientat Yonas. El indică, de exemplu, că pentru a încălzi un pinch cu un diametru de 2 mm la 3 keV (doar 3 milioane de grade) ar fi nevoie de 8 microsecunde!

El vede doar câmpul magnetic înconjurător ca sursă posibilă de energie. Propune atunci să invocăm încălzirea ionilor prin instabilități MHD la lungimi de undă foarte scurte, urmată de o egalizare a energiei, încălzirea gazului de electroni prin coliziuni ion-electron și, în final, aceasta se traduce printr-o emisie de energie de către acești electroni (prin radiația clasică de frânare, adică interacțiunea cu câmpul magnetic).

Ce urmează evaluează natura instabilităților MHD menționate. Ajungem la o ecuație a energiei scrisă:

k este constanta lui Boltzmann, neq frecvența de coliziune. CA este viteza lui Hall, Cs viteza sunetului, a este diametrul minim al plasmei. Dar Haines scrie această ecuație altfel, punând temperaturile în electron-volți și înlocuind frecvența de coliziune cu inversul său, timpul mediu de liber parcurs teq.

În comparație cu plasmele din afara echilibrului, cum ar fi cea din becul de neon de la bucătărie, observăm că de data aceasta este temperatura ionică care este mai mare decât cea a electronilor (în timp ce în bec este invers: gaz de electroni cald, neon rece). Mai jos ecuația pentru un mediu din afara echilibrului, cum ar fi un simplu bec de neon.

Primul membru reprezintă încălzirea gazului de electroni prin efect Joule. J este vectorul densității curentului, s conductivitatea electrică. Termenul din dreapta, din ecuația anterioară, se citește astfel: avem la numitor timpul mediu de liber parcurs al electronului în neon, inversul său fiind frecvența de coliziune. Când electronii transferă energie către ioni, o fac cu greutate și un coeficient, raportul maselor, apare în ecuație.

Dar când un ion lovește un electron, randamentul de transfer al energiei este unitatea. Astfel, acest coeficient de raport al maselor dispare, sau mai degrabă are valoarea ... unitatea. Haines produce apoi formula clasică pentru calculul frecvenței de coliziune electron-ion. Suntem în „regimul Coulomb”. Găsim în expresie secțiunea eficientă de coliziune electron-ion. Cine cunoaște teoria cinetică a gazelor va recunoaște această expresie clasică.

Partea care privește apariția instabilităților MHD rămâne destul de sumară, în special pentru că parametrul Hall al ionilor este mai mare decât unitatea.

Ceea ce intervine în acest parametru este frecvența de coliziune ion-ion.

Yonas mi-a scris că „teoria lui Haines explică bine acest stadiu din afara echilibrului”, dar nu sunt deloc convins. Spunem că „explicația” lui Haines rămâne foarte embrionară și se rezumă la o douăzeci de linii. El presupune că aceste instabilități afectează ioni și provoacă în interiorul mediului un încălzire viscoasă.

Cititorul se întreabă probabil cum arată aceste instabilități și cum apar. Dissiparea prin efect Joule, pe unitatea de volum, este:

Instabilitățile considerate creează o turbulentă a densității curentului. Liniile de curent se strâng, se întind, se strâng din nou, după lungimi de undă lungi pe care Haines le cifrează în microni sau zeci de microni. Acestea sunt micro-instabilități. Dacă local densitatea curentului crește, aceasta este însoțită de o intensificare a câmpului magnetic, invers. Este vorba de o turbulentă electromagnetică, tipică pentru pinchuri. Găsim astfel de turbulențe în ... fulger. Un fulger nu durează mult, dar fotografiile pe care le putem face ale unui fulger în timpul dezintegrării arată picături de plasmă, una după alta. În acest caz gazul (aerul) nu este complet ionizat. Când se produce pincarea descărcării, densitatea curentului crește, temperatura electronică și ea. Descărcarea fulgerului este un arc electric. Mecanismele care se desfășoară sunt complexe. Creșterea intensității curentului electric provoacă o creștere a dezvoltării căldurii prin efect Joule. Firul de plasmă se dilată, etc...

Micro-instabilitățile sugerate de Haines sunt „cunoscători” ai acestor instabilități. Se produc micro-pinchuri. Valoarea locală a densității curentului crește, urmată de creșterea câmpului magnetic și a presiunii magnetice în jur. Această creștere tendează să accentueze pincarea. Este fundamentele auto-instabilității plasmei, a acestei turbulențe electromagnetice. Atunci pot avea loc ... o mulțime de lucruri pe care doar calculul le-ar putea teoretiza, pe care Haines nu le-a făcut. Cel mai puțin putem spune că mediu este complex. Presupunem, înainte ca instabilitățile să înceapă să încălzească ioni în plasmă, că ambele temperaturi, electronică și ionică, sunt egale, de exemplu la 20 de milioane de grade. Se produce un pinc. Acesta se traduce printr-o creștere a temperaturii electronice. Aceasta creează noi scurgeri de electroni? Depinde de „timpul caracteristic de ionizare”. Din nou, date, calcul. Dar, spre deosebire de instabilitatea Vélikhov, această instabilitate afectează gazul de ioni prin „vâscozitate”. Fizic, aceste pinchuri „zguduiră” ioni radial.

Precizez că în aceste plasme curentul electric este un curent electronic și nu datorat unui curent de ioni. Această plasmă este legată la electrozi metalici. Când se produce pincarea, apare o intensificare a câmpului magnetic și a forței Lorentz, care este suportată în primul rând de electroni, care transmit această impuls ioni prin coliziuni. Această strângere a fasciculului de linii de curent electronice creează un câmp electric radial care acționează asupra ionilor trăgându-i și pe ei. În această instabilitate avem un fenomen de micro-turbulență care afectează gazul de electroni, care la rândul său transmite aceste „zguduituri” gazului de ioni. Timpul caracteristic de termalizare în gazul de ioni este foarte scurt (37 picosecunde).

Apoi scrie ecuația energiei, referitoare la gazul de ioni, incluzând în primul membru contribuția legată de încălzirea viscoasă prin instabilități:

Timpul caracteristic care apare la numitorul celui de-al doilea membru este un timp mediu de liber parcurs al ionilor sub acțiunea coliziunilor cu electronii. Este deci „timpul de egalizare”, timpul caracteristic de egalizare a celor două temperaturi, ionică și electronică. Haines îl cifrează la „aproximativ 5 ns”.

Observăm că acest timp de egalizare implică raportul (mi / me). Cu cât este mai lung, cu atât mai slab vor fi cuplați gazul de ioni și gazul de electroni. Pentru ioni de fier, acest raport este:

Se putea evident pune întrebarea dacă, în timpul acestui proces, am putea considera funcția de distribuție a vitezelor în mediul ionilor ca fiind Maxwelliană. Haines justifică acest lucru oferind valoarea timpului de relaxare al termalizării tii în acest mediu, pe care o cifrează la 37 picosecunde. Deoarece acest timp este scurt față de timpul de egalizare, Haines deduce că gazul de ioni este termalizat, Maxwellian. Apoi exploatează formula de mai sus cu valorile pe care le alege, ajungând la lungimi de undă ale acestor micro-instabilități MHD între o sutime și o zecime de milimetru.

În această expresie A este masa atomică a fierului (55,8), a este diametrul minim al pinchului, I intensitatea curentului care trece prin firul de plasmă (nu mai vorbim despre liner din fire: acestea s-au transformat în plasmă).

Fraza cheie este:

Așadar, pentru Z-pinchuri în condiții de stagnare, dacă timpul de egalizare este semnificativ mai lung decât raportul a / c, temperatura ionică va fi mult mai mare decât temperatura electronică.

Revenind la experimentul luat ca referință, Haines adoptă pentru diametrul firului de plasmă valoarea de 3,6 mm. Cu aceste valori obține „un rezultat care este consistent cu valoarea de 219 keV pentru temperatura ionică (2,5 miliarde de grade Kelvin)”. El amintește că în experimentul Saturn (referința 3) același raport între un factor de 3 și 4 a fost găsit pentru raportul dintre energia termică a ionilor și energia cinetică a pinchului, dar atunci nu au fost efectuate măsurători ale temperaturii ionice. Toată diferența este că astăzi experimentatorii dispun de astfel de măsurători, care vor fi detaliate mai departe.

În orice caz:

De fapt, fără această soluție artificială, niciun cod nu a reușit să modeleze aceste experimente cu diametre mari. Simulările 2D și 3D ale imploziei unui fir de plasmă necesită, ca parametri de intrare, lungimea de undă și amplitudinea inițială a modurilor, precum și o valoare a rezistivității „vidului”, definit ca locurile unde densitatea plasmei scade sub o anumită valoare. În plus, nicio simulare actuală nu include vâscozitatea ionică (să nu mai vorbim despre tensorul complet de tensiune) sau o rețea suficient de fină pentru a modela instabilitățile de lungime scurtă propuse aici. De multe ori se folosește o procedură ad hoc pentru a preveni colapsul radiativ.

afirmații care relativizează această explicație a încălzirii ionice prin interacțiune cu câmpul magnetic ambiental.

Măsurători ale temperaturii ionice prin lărgirea liniilor, datorată efectului Doppler, au fost efectuate, de asemenea în timp și utilizând un spectrometru cu cristal de LiF situat la 6,64 metri de pinch. Vedeți articolul pentru detalii tehnice despre acest spectrometru. Mai jos spectrul de emisie:

Se regăsesc în acest oțel inoxidabil utilizat în experimentul Z1141, alături de liniile de crom și fier care domină, liniile de mangan și nichel. Evaluarea temperaturii s-a bazat pe linia de fier la 8,49 keV și pe linia de mangan la 6,18 keV. Măsurătorile pe aceste linii, deși mai slabe, sunt mai puțin susceptibile să fie afectate de opacitate.

Ulterior, articolul justifică fiabilitatea acestor măsurători ale temperaturii, eroarea fiind estimată la 35 keV. Mai jos evoluția temperaturilor, a puterii radiante și a diametrului pinchului în timp.

Se observă că barele de eroare asociate celor trei măsurători ale temperaturii ionice pentru fier nu sunt afișate pe grafic. Totuși, în articol se citește:

O greșeală de 35 keV este atribuită măsurătorilor de temperatură pe baza incertitudinii în măsurarea lățimii liniei.

O eroare sistematică de 35 keV este asociată măsurătorilor de temperatură, datorită incertitudinii legate de evaluarea lățimii liniilor.

Autorii au uitat pur și simplu să le includă. Nu trebuie uitat că sunt șase. Sau unul singur se ocupă de redactare și ceilalți semnează, sau fiecare face o mică contribuție, iar articolul are un aspect de „pătură”. Citiitorul decide. Deci vom adăuga aceste erori.

Se observă că punctele de măsurare pentru ionii de fier se află în intervalul de eroare al celor pentru ionii de mangan, și invers. În grafic, măsurarea temperaturii ionilor de fier crește de la 200 la 300 keV, dar, deoarece aceste măsurători se suprapun, fără a lua în considerare o diferență de temperatură (de 35 keV) între populațiile de ion fier și ion mangan (probabil corect), autorii oferă valori intermediare între 230 keV (2,66 miliarde de grade Kelvin) și 320 keV (3,7 miliarde de grade). Suntem cu siguranță „peste 2 x 10⁹ Kelvin”, „peste două miliarde de grade” și nu doar puțin, deoarece valoarea maximă atinge 3,7 miliarde de grade. Mai mult, având în vedere forma curbei, nu ar fi imposibil ca o valoare mai mare să fie măsurată dacă, repetând experimentul exact la fel, am fi plasat cele patru imagini disponibile cu 5 ns mai târziu. Și dacă această creștere a temperaturii, legată de încălzirea ionilor pe care Haines încearcă să o justifice, s-ar fi menținut, nu am fi vorbit de două miliarde de grade, ci... patru (amintim că în supernove temperaturile ajung la zece miliarde de grade).

În mod logic, având în vedere fiabilitatea măsurătorilor de temperatură, autorii ar fi trebuit să intituleze: „O temperatură de 3,7 miliarde de grade a fost atinsă”, menționând „recordul absolut”, dar s-au mulțumit doar cu „peste două miliarde de grade”. De ce această... timiditate? În plus, observăm că:

La 500 de milioane de grade, bingo pentru fuziunea (nepoluantă) litiu-hidrogen
La un miliard de grade, bingo pentru fisiunea (nepoluantă) bor-hidrogen
La patru miliarde, ce? (specialiștilor în nucleare le cer răspunsul)
Dacă oamenii vor atinge zece miliarde de grade, atunci toate reacțiile de sinteză nucleară care conduc la atomii din tabelul lui Mendeleev devin posibile. Adică întregul spectru al Încreșterii.

Apelă-mă Dumnezeu...

Același grafic, trasând evoluțiile în timp, curba medie în negru, reținută în articol.

Se observă că diametrul plasmei trece printr-un minim exact înainte de t = 110 ns. Există o emisie de raze X pe o durată de aproximativ 5 ns. Rețineți valorile maxime ale temperaturilor înregistrate. 300 keV (3,48 miliarde de grade) pentru ionii de fier și 340 keV (3,94 miliarde de grade) pentru ionii de mangan.

Notă: Formula lui Bennet:

mo I² = 8 p Ni ( Ti + Z Te )

dă (vezi mai sus) 2,5 miliarde de grade pentru fier. Acest calcul se referă la experimentul Z1141 (18 milioane de amperi. Liner de 450 mg), la fel ca și figura 1. Dar analizele și datele prezentate în acest articol se referă la trei experimente (Z1141, Z1137 și Z1386).

Comentariul meu:

Întoarceți-vă la titlul lucrării lui Haines: „over 2 x 10⁹ Kelvin”, ceea ce înseamnă „peste două miliarde de grade”. În timp ce în anii anteriori aceste sisteme au atins un milion și jumătate, două milioane de grade și mai mult, dintr-odată mașina se încălzește. Citiitorii ar putea fi surprinși de absența unei emisii provenite din carbon. Dar (Wikipedia) oțelul inoxidabil austenitic conține foarte puțin carbon (sub 0,15 %). Vedeți căsuța.

Oțelurile inox austenitice reprezintă peste 70% din producția totală de oțeluri inox. Conțin un maxim de 0,15% carbon, un minim de 16% crom și suficient nichel și/sau mangan pentru a menține o structură austenitică la orice temperatură, de la regiunea criogenică până la punctul de topire al aliajului.

Oțelurile austenitice (o structură cristalină particulară) reprezintă 70% din producție. Conțin un maxim de 0,15% carbon (...), un minim de 16% crom și suficient nichel și/sau mangan pentru a menține structura austenitică la orice temperatură, de la temperaturi foarte joase, criogenice, până la punctul de topire al aliajului.

Am inclus ambele curbe ale temperaturii pentru gazul de ioni de fier și gazul de ioni de mangan, care par diferite. Dar, pe de o parte, intervalul de eroare indicat pentru mangan permite considerarea că aceste două temperaturi ar putea fi de fapt foarte apropiate. Pe de altă parte, ionul de mangan, dacă are practic aceeași sarcină ca ionul de fier (25 față de 26), este de două ori mai ușor (30 față de 58). Nu este deci imposibil ca, supus unei instabilități MHD, aceste două gaze, strâns legate, să prezinte între ele un efect de dezechilibru ușor (12 %) și să aibă temperaturi diferite.

Haines: diametrul plasmei atinge valoarea sa minimă de 1,5 mm cu 2 nanosecunde înainte de maximul emisiei de raze X. Estimează că în momentul în care acest maxim este atins, densitatea și „echipartitia” trebuie să fie maxime (tind să citesc „tendința spre echipartitie”).

Încercăm să „facem să vorbească” aceste curbe. Ce se întâmplă?

Avem patru puncte de măsurare a temperaturii. Unul este eliminat, pentru fier, al doilea, din cauza unei probleme de măsurare. Acest număr mic corespunde tuturor celor ce poate capta sistemul de înregistrare. Este deja extraordinar, nu doar că avem măsurători ale temperaturii, dar și o idee despre evoluția lor în timp. Cu toate acestea, nu avem acces la valori înainte de t = 105 ns și după t = 115 ns.

Textul spune că în momentul „opririi” (stagnării) plasmei temperatura electronică a atins 3 keV, adică 35 de milioane de grade. Acest lucru înseamnă că în momentul în care această temperatură este maximă, nu va crește mai mult decât la o sutime din valoarea atinsă de temperatura maximă a ionilor. Deoarece puterea emisă crește brusc, trebuie presupus că înainte de t = 105 ns era mult mai mică. Ne apare impresia că această temperatură se prăbușește, cu un factor de 9, spre 115 ns. Dar legea lui Stefan indică că puterea radiată variază ca a patra putere a temperaturii. Deci scăderea este în raportul radicalului patrat al lui 9, adică 1,73. Aceasta duce la Te de la 3 la 1,68 keV. Trasez curba, aproximativ:

În negru variația temperaturii electronice. În roșu variația puterii radiate (legea lui Stefan).

La t = 105 ns, ionii sunt deja calzi (T în jur de 200 keV). Deci acest mecanism de încălzire, de elucidat, intervine înainte de oprirea stadiului de radiație a plasmei, care are loc la t = 110 ns.

Schematic: plasmă se imploziează. Fără acest fenomen de aport suplimentar de energie, de elucidat, dar pe care Haines o consideră provenind din conversia energiei magnetice în căldură, această plasmă s-ar implozia complet, dacă temperatura ionilor ar fi egală cu cea a electronilor (mai puțin de douăzeci de milioane de grade înainte de t = 105 secunde).

Dar ionii sunt alimentați de acest aport. Temperatura ionilor crește. Cuplarea dintre gazul de ioni și gazul de electroni are loc în „timpul caracteristic de echipartitie” teq pe care Haines o estimează la 5 ns. Timpul de creștere a temperaturii electronice corespunde deci acestui număr (de la 107 la 112 ns).

Haines spune că acest fenomen de încălzire a gazului de ioni este suficient pentru a contrabalansa presiunea magnetică și că „condițiile de oprire” sunt de fapt atinse, deoarece viteza caracteristică cu care variază raza plasmei este doar de 15 % din viteza termică a ionilor. Putem evalua viteza de agitație termică a ionilor de fier între valorile minime și maxime ale temperaturii măsurate.

Pentru temperatura minimă, 230 keV sau 2,66 miliarde de grade: < Vi > = 1066 km/s
Pentru temperatura maximă, 320 keV sau 3,7 miliarde de grade: < Vi > = 1258 km/s

Haines compară aceste valori cu „viteza de expansiune” a plasmei și spune că reprezintă 15 % din această valoare. Indiferent cum o evaluăm, luând puncte pe curbă, rămâne sub viteza termică, ceea ce pare într-adevăr să indice că presiunea din plasmă a echilibrat presiunea magnetică.

După aceea, diametrul plasmei începe din nou să crească. De ce? Pentru că încălzirea ionilor continuă. Am putea încerca să calculăm această expansiune.

Rămâne o singură chestiune pe care nu o înțeleg, pentru moment: de ce scade temperatura electronică dacă gazul de electroni ar trebui să continue să fie alimentat cu energie de către gazul de ioni care, el însuși, continuă să se încălzească, cel puțin în intervalul temporal accesibil.

Precizare: Care este viteza de agitație termică în gazul de electroni încălzit la 3 keV (35 de milioane de grade)?

Presupunem că am reuși să facem să treacă 18 milioane de amperi printr-un cablu de plasmă de un milimetru și jumătate diametru. Care este valoarea câmpului magnetic la contactul cu plasmele și valoarea corespunzătoare a presiunii magnetice? (modulând ipoteza că considerăm conductorul ca fiind infinit, desigur)

27 iunie 2006: În Franța, o idee interesantă.

Într-un alt dosar dedicat mașinilor de magnetocumulare, inspirate din mașinile rusești din anii 50, am văzut principiul mașinii MK-1. Ulterior, oamenii au experimentat cu linere nu mai cilindrice, ci conice. Se obține un „efect de sarcină golă”. Masa linerei, adunându-se pe ax, dă naștere unei săgeți proiectate cu viteză mare. Cred că s-au obținut viteze de 80 km/s. De verificat. În orice caz, așa cum mi-a făcut observația Violent, se poate imagina o Z-machine cu linere din fire nu mai cilindrice, ci conice. Se poate spera că, în același mod, se obține un efect de sarcină golă. Diverse configurații pot fi imaginare. MHD este terenul preferat pentru soluțiile cele mai imaginative. Mai jos un montaj format din două trunchiuri de con cu baza comună. Dacă cele două săgeți de plasmă se formează și intră în coliziune, s-ar putea obține temperaturi mai mari, chiar și cu o mașină ca cea de la Gramat.

Nu putem face altceva decât acest desen. Ar putea fi realizate simulări și, desigur, experimente.

Există o altă idee care apare: să facem linerele să alunece pe un bicilindru. Ideea nu este nouă. Iată desenul, corespunzător unui liner continuu:

implozie pe bicilindru

**E suficient să transpunem, cu un liner din fire. ** ---

16 iulie 2006. Ce valoare are parametrul Hall bi = Wi tii pentru ionii?

Haines, în lucrarea sa, spune că este mai mare decât unitatea. Acest parametru este raportul dintre frecvența de giro și frecvența de coliziune. Potrivit lui Haines, această frecvență de coliziune ionică este în esență o frecvență a coliziunilor ion-ion. Inversul său, timpul de relaxare tii, este dat ca fiind de 37 picosecunde. Aceasta dă o frecvență de coliziune:

nii = 3 × 10¹⁰

Frecvența de giro este:

frecvența de giro a ionilor

Aceasta dă valoarea bi = 0,258 Z pentru parametrul Hall al ionilor, Z fiind sarcina ionică (maxim 26 dacă ionul este complet dezgolit). Deci avem, cum spune Haines, un parametru Hall mai mare decât unitatea. O mână de lucru pentru teoreticienii pe care suntem noi.

laplace

O dată suplimentară (sursă: http://www.sandia.gov/pulsedpower/prog_cap/pub_papers/023862p.pdf)

Profilul caracteristic al descărcării de curent în mașina Z:

Este scurtarea acestei creșteri a intensității (o sutime de nanosecundă) care a permis obținerea acestor rezultate pe mașina Sandia. Într-adevăr s-a dovedit că sublimarea firelor era mai lentă decât se presupunea. Astfel această structură de „liner din fire” a putut persista în timpul imploziei, păstrând axialsimetria, care dispare imediat când obiectul, transformat în perdea de plasmă, începe să se contorsioneze sub influența instabilităților MHD. Când încercăm să imploziem un liner format dintr-un cilindru de metal, obținem cam ceea ce s-ar întâmpla dacă am încerca să strivim un cilindru de hârtie în mână. Cred că francezii (mașina Sphinx, lucrarea prezentată în septembrie 2006 la conferința de la Tomsk, Siberia, timp minim de creștere: 800 nanosecunde) nu au înțeles bine că acest aspect era crucial, ceea ce mi-a spus imediat Yonas prin e-mail în 2006.

17 februarie 2008: O precizare privind reacțiile parazite legate de formula B11 + H1

Borul are 5 sarcini electrice, hidrogenul una. Carbonul are 6, azotul 7.

Refrigerarea radiativă a plasmei se face prin radiație de frânare. Puterea emisă variază ca pătratul sarcinii electrice. Puterea emisă în raze X de un electron spiralând în jurul unui atom de bor este deci de 25 de ori mai mare decât cea pierdută spiraland în jurul unui atom de hidrogen (ușor sau greu, contează doar sarcina).

B11 + H1 dă C11 + n + 2,8 MeV

Durata de viață a carbonului C11: 20 minute. Se poate deschide fără pericol camera 10 ore după oprirea funcționării.

B11 + He4 dă N11 + n + 157 keV

Protecție: 20 cm B10 sau 1 metru apă.

Radioactivitate indusă în electroda de beriliu: 5 microcurii pe an (date: condensarea lui Lerner)

Potrivit lui Lerner, în această fuziune impulsivă se folosesc instabilitățile MHD. Descrierea mecanismelor sale este următoarea. Descărcarea electrică „în parașută” tendează mai întâi să dea condensări de plasmă comparabile „cu coamele aceluiași parașută”. Apoi aceste fire se înfășoară după axă pentru a forma un cablu de plasmă. Acesta, prin instabilitatea de tip Kink, se structurează „ca un cablu telefonice spiralat”. Apoi în aceeași structură se formează „plasmoizi autoconfinati”, puncte calde de volum infim, sub un cub micrometric. În acești plasmoizi câmpul magnetic are topologia toroidală. Al doilea strângere după axa acestui plasmoiz-gotă. Și atunci, după cum spune Lerner, se produc reacțiile de fuziune.

18 martie 2008: Comentariu după publicarea unui articol în revista Science et Avenir.

Jurnalistul David Larousserie a publicat un articol intitulat „exploatele Z-machine” în numărul din martie 2008 al revistei pentru care lucrează: Science et Avenir. M-a sunat cerând unde am putut citi că experimentele de la Sandia au, în 2005-2006, depășit nu doar două miliarde de grade, ci trei. L-am trimis la articolul lui Haines din 24 februarie 2006, figura 3, unde este explicit menționat că temperatura ionică a crescut de la 230 la 320 keV. Or, dacă nu greșesc, 320 keV corespund unei temperaturi de 3,68 miliarde de grade.

Nu abordează în articolul său posibilitatea unei fuziuni a-neutronice bor-hidrogen, mulțumindu-se doar de a menționa tehnica holraumului. În general, această îmbunătățire a temperaturii este recepționată cu dificultate în mediile legate, fie direct, fie indirect, de proiectul ITER, unde se preferă să tăgăduiească această perspectivă, considerând că Z-machine ar trebui confinată la aplicații esențial militare. Într-adevăr, dacă într-o zi se dovedește că viitorul fuziunii trece prin aceste temperaturi foarte ridicate (un miliard de grade), tehnologia Tokamak nu ar mai putea urma.

În articolul său, Larousserie raportează ce a putut reține din conversațiile cu Alexander Chuvatin, de la Laboratorul de Fizică și Tehnologie a Plasmelor (LPTP) de la Ecole Polytechnique. El citează aceste cuvinte, pe care le cităm:

- Nu trebuie să ne grăbim în legătură cu aceste temperaturi. Ele există doar pentru intervale de timp prea scurte și sunt localizate în zone instabile. Acest lucru face imposibilă fuziunea, care necesită o densitate mare de materie, un timp de confinare suficient de lung și o energie ridicată.

Potrivit lui Larousserie, Chuvatin a propus o explicație a anomaliei semnalate de Haines la începutul articolului său. Citez ceea ce subliniază Haines:

There has been some difficulty in understanding the radiated energy in a wire-array Z pinch implosion could be up to 4 times the kinetic energy [1,4] (datele referințelor citate: 1997–2002, arată că această problemă nu este o noutate), 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.

Admit că nu înțeleg foarte bine observația lui Chuvatin. Ce contează este ceea ce rezultă din formula lui Bennet, care exprimă simplu că presiunea plasmei echilibrează presiunea magnetică. Ea este dată în lucrarea lui Haines și am detaliat modul (ultra-clar) de stabilire:

formule Bennet

Haines precizează clar: pentru ca plasmă să nu fie strivită, temperatura trebuie să fie de 296 eV. Într-adevăr, ceea ce este nou în lucrarea din 2006 este că această temperatură ionică, anterior dedusă prin această formulă, este măsurată prin lărgirea liniilor și confirmată. Lucrarea lui Haines este clară pe acest plan.

Ceea ce sugerează comentariul lui Chuvatin este că aceste temperaturi foarte ridicate „ar putea interesa doar zone foarte mici și foarte instabile”. Gândim atunci la „punctele calde” ale manipulărilor lui Lerner, legate de plasmoizi autoconfinati de dimensiuni micrometrice. Dacă aceasta ar fi ideea, ar însemna că doar regiuni de volum foarte mic sunt afectate de astfel de temperaturi ridicate. Dar nu trebuie uitat că o temperatură este și o densitate de energie, în jouli pe metru cub. Dacă această temperatură ar interesa doar fracțiuni foarte mici din plasmă, în volum și masă, atunci presiunea ar trebui dedusă dintr-o evaluare a densității medii de energie. Și formula lui Bennet nu ar mai fi satisfăcută.

Mi se pare mai simplu, având în vedere că măsurarea temperaturii prin spectroscopie este în excelent acord cu formula lui Bennet, să concluzionăm că această creștere a temperaturii are mari șanse să afecteze întreaga masă a cablului de plasmă și nu doar niște puncte calde minuscule.

În ceea ce privește viabilitatea fuziunii: nu suntem sigur că am ajuns acolo, deși fuziunea D-T este deja luată în considerare în SUA. Dar este incontestabil că Z-pinchele ca Z-machine reprezintă o cale extrem de interesantă, în comparație cu filiere greu și problematică precum ITER sau MEGAJOULE, fiind de două ordine de mărime mai ieftine și cu o flexibilitate remarcabilă. Este regretabil că două ani s-au scurs de la publicarea lucrării lui Haines fără a genera nicio reacție în Franța, cu excepția continuării experimentelor pe manipularea Sphinx, care nu ne pare la înălțimea problemei: o fuziune a-neutronică!

16 februarie 2009: După multiple schimburi de opinii cu fizicieni ai plasmei calde și oameni care au lucrat la Z-pinche, rezultă următoarele concluzii:

Aceste medii rămân puțin cunoscute. După părerea generală, aceste plasme ar fi extrem de turbulente, eventual locul unor microturbulențe. Este într-adevăr necesar să explicăm din ce sursă poate veni energia emisă sub formă de raze X, care reprezintă ceva concret, măsurat, și care depășește de 3 la 5 ori energia cinetică colectată de ioni metalici în cursul cursei lor spre axul sistemului. Cum am văzut, Malcolm Haines invocă instabilități MHD, fără a le descrie. Se invocă apoi cuvântul sferomaki, elemente autoconfinate care s-ar forma din această instabilitate, implicând închiderea liniilor de câmp magnetic pe ele însele, după o geometrie toroidală. Dimensiunile acestor obiecte: conjecturale. Oameni precum Lerner (manipulări Focus) folosesc cuvântul „puncte calde”. Măsurătorile efectuate nu au prezentat o rezoluție spațială și temporală suficientă pentru a evidenția aceste fenomene.

Haines a evaluat încălzirea prin efect Joule și a concluzionat că aceasta este insuficientă pentru a justifica creșterea temperaturii măsurate. Dar cum se poate înțelege acest schimb misterios de energie între cablul de plasmă și ceea ce îl înconjoară, acolo unde domnește o presiune magnetică de 90 megabar, corespunzătoare unui câmp magnetic de 4800 tesla? Când Haines calculează dissiparea prin efect Joule se bazează pe un plasma omogen. Câmpul electric pune sarcinile în mișcare. Progresul acestor sarcini este împiedicat de coliziuni cu tot ce poate fi o barieră în plasmă. În calculul lui Haines sunt implicați ioni ai diferitelor specii prezente, secțiunea eficientă de coliziune crescând ca pătratul sarcinii lor electrice.

Turbulența face mediu inomogen la diferite scale. În mecanica fluidelor, o difuzie turbulentă este mai dissipativă decât o dissipare laminară. Să luăm exemplul unui profil de aripă de avion. Când turbulența se declanșează, rezistența de frecare la perete crește. Stratul limită vede grosimea sa crește. În interiorul său fenomenele dissipative degajă mai multă căldură. Și totul se întâmplă prin fenomene de microturbulență, nevizibile cu ochiul liber.

Există o analogie când gândim la plasmă. Curgerea curentului electric, presupusă în evaluarea lui Haines a fi omogenă (o simplă ipoteză de lucru!), încetează să fie laminară. Zonele de micro-instabilități MHD devin atât de obstacole pentru progresul curentului. Există o creștere a impedanței inițial semnalată de Christian Nazet. În plus, formarea unor astfel de sferomaki ar merge mână în mână cu o distribuție haotică a câmpului de temperatură. Este ideea lui Lerner. Într-o plasmă ale cărei temperaturi sunt global mai joase decât temperatura critică de fuziune și unde condițiile Lawson nu sunt îndeplinite (la nivel macroscopic), aceste condiții ar putea apărea temporar în aceste obiecte mici despre care nu știm a priori durata lor de viață.

Se întâmplă că am petrecut o zi întreagă, cu un vapor, acum o treime de secol, alături de fizicianul astrofizician Fritz Zwicky, inventatorul conceptului de supernovă în 1931. Îmi amintesc brusc de ipoteza „păsărilor nucleare”, sferomaki înainte de cuvânt, pe care le imagina la centrul Soarelui prin instabilități MHD și despre care mi-a vorbit în timpul acelei plimbări pe mare.

Să revenim la Z-pinche. Trebuie să prelevăm energia undeva. Avem la dispoziție energia magnetică disponibilă în jurul cablului de plasmă. Amintim că o presiune (aici, presiunea magnetică) este o densitate de energie pe unitate de volum. Dacă există transfer de această energie către cablul de plasmă, acesta se va face în detrimentul acestei energii electromagnetice din jur. Nu trebuie să vedem aici nicio „măgură”. Micro-instabilitățile care s-ar naște în plasmă cresc rezistivitatea sa, creează o dissipare suplimentară și, reducând intensitatea curentului, reduc în același timp valoarea câmpului magnetic existent în exteriorul cablului. Vasuri comunicante.

Cunosc bine instabilitatea electrotermică (de Vélikhov). Este un tip de turbulentă a plasmei bitemperaturale care se manifestă prin fluctuații mari ale temperaturii electronice. Pe de o parte, structurând plasmă ca un miliu-feu, cu alternanță de zone puternic și slab ionizate, aceasta distrug performanțele generatorilor MHD. Dar pe de altă parte arată cum o instabilitate MHD poate crea local (aici în straturi plane) zone mai calde, mai ionizate (fenomenul este violent ne-liniar). Ipoteza formării punctelor calde sugerează un alt model de naștere a micro-instabilităților, de data aceasta în 3D. În astfel de fenomene foarte ne-liniare, excursiile în temperatură și densitate ar putea fi importante. Astfel, reacțiile de „micro-fuziune” ar putea fi posibile.

Este deci prematur să concluzionăm că cu sisteme precum Z-machine suntem „foarte departe de a realiza fuziunea”. Dacă raționăm cu un plasma omogen: da.

Să trecem la întrebarea măsurării temperaturii. În primul rând, ce înțelegem prin temperatură? În teoria cinetică a gazelor este măsura energiei cinetice medii, pentru o specie dată. Un mediu poate fi format din mai multe specii diferite, fiecare având temperatura sa proprie. Aceste temperaturi pot diferi foarte mult. Într-un tub fluorescent este temperatura electronică care este mult mai ridicată decât temperatura ionilor și a neutrilor. Se vorbește atunci de ionizare ne-termică (unde energia este furnizată de câmpul electric care accelerează electronii. Dacă închidem acest câmp, electronii pierd energia prin coliziuni: gazul electronic se răcește și ionizarea dispare.

Trebuie atunci să calculăm o frecvență de coliziune electron-gaz. Inversul său devine un timp de relaxare. Într-adevăr, dacă lăsăm un mediu bitemperatură singur, echipartitia are loc la ritmul coliziunilor.

Echilibrul termodinamic complet este egalizarea tuturor temperaturilor la o valoare comună și faptul că distribuțiile vitezelor fiecărei specii iau forma unei distribuții Maxwell-Boltzmann (curba Gauss). Plasmă de la Z-machine este într-un stadiu de neechilibru invers în sensul că gazul electronic este mai rece decât gazul de ioni. Dacă ignorăm aportul de energie legat de instabilități MHD de modelat (microturbulența plasmei), energia de luat în considerare este de tip cinetic. Forța Laplace acționează asupra firelor de inox, precipitându-le unul împotriva celuilalt, în final la 400 km/s. Această forță acționează asupra electronilor. Curentul care circulă prin fire este de natură electronică, nu ionică. Electronii trag după ei ionii. Într-adevăr, nu se poate separa aceste populații, ca niște soți prea bine uniți, la o distanță mai mare decât distanța Debye. Rezultatul este că ionii și electronii se adună în apropierea axului de simetrie cu aceeași viteză. Dar energiile cinetice sunt diferite. Particulele ușoare transportă mai puțină energie.

Haines evaluează apoi diferite timpuri de relaxare, legate de diferite tipuri de coliziuni posibile.

- Există coliziunile electron-electron

- Coliziunile ion-ion

- Coliziunile electron-ion

Transferul de energie între două particule cu mase diferite este proporțional cu raportul dintre masa celei mai ușoare, împărțită la cea mai grea. În interiorul aceleiași specii, aceste schimburi de energie sunt maxime, deoarece acest raport este egal cu unitatea. Haines evaluează apoi timpul de relație la 37 picosecunde. Curbele arată un timp de confinare a plasmei de câteva nanosecunde (cinci, în general). Nu știu care este timpul măsurării temperaturii prin lărgirea liniei. Trebuie spus undeva în lucrarea lui Haines. Dacă comparăm timpul de relaxare în interiorul aceleiași specii (electron-electron sau ion-ion), acest timp este cu mai mult de un ordin de mărime mai mare decât timpul de relaxare. Aceasta este suficientă pentru a afirma că speciile ionice sunt susceptibile de o descriere printr-o funcție Maxwell-Boltzmann.

Măsurarea prin lărgirea liniei media efectul Doppler-Fizeau în funcție de „linia de vedere”, cum spun astronomii, adică după o distribuție radială. Iată o altă modalitate de a depărtă de echilibrul termodinamic: anizotropia. Dar, veți spune, un mediu gazos ar putea avea un „aspect termic” diferit în funcție de unghiul sub care este privit? Acest lucru se întâmplă în urma unei unde de șoc intense, adevărat „ciocnire de ciocan”, care transmite atomilor o impuls inițial perpendicular față de undă, apoi rapid „termalizat”, această creștere a vitezei de agitație fiind redistribuită în toate direcțiile, în câteva coliziuni. În acest caz, putem considera un timp de relaxare. La prima vedere, tendința mea ar fi să spun că această anizotropie ar trebui neglijată. Dar din nou, orice concluzie se bazează pe ipoteze privind natura mediului studiat, la o scară microscopică. În plus, se adaugă câmpul magnetic și fluctuațiile sale locale și temporale, bună ziua!

Ce încredere putem acorda măsurărilor de temperatură prin lărgirea liniilor? Nu măsurăm o temperatură a unui subansamblu: cel... al punctelor calde? Știm că puterea radiată urmează legea lui Stefan, crescută ca puterea a patra a temperaturii sursei. Dilema.

Aici trebuie să ne întoarcem la ecuația lui Bennet, non-implozia cordului de plasmă. Raza sa trece printr-un minim. În acel moment precis, presiunea ionică trebuie să echilibreze presiunea magnetică, ceea ce susține o temperatură de 300 keV. Luați o capsulă manometrică. Ne oferă o valoare a presiunii, integrând un număr foarte mare de lovituri ale particulelor pe suprafața sa. Acum nu mai e vorba de legea lui Stefan. Presiunea într-un amestec este suma presiunilor parțiale. Iar presiunea este și o densitate de energie pe unitate de volum. Dacă ecuația lui Bennet ne oferă 300 keV, aceasta dă o valoare medie a energiei particulelor. Aceasta corespunde la mai mult de trei miliarde de grade Kelvin, puncte calde sau nu puncte calde.

Știu că totul acesta este destul de derutant. Luați exemplul unui tub fluorescent. Gaz rece, electroni calzi. Faceți o măsurare a temperaturii prin spectroscopie (într-un tub fluorescent lumina este emisă nu de gaz, ci de straturile fluorescente care acoperă interiorul încăperii). Emisia gazului se află în UV. O să concluzionăm că acest gaz este la 10.000°? Nu, este gazul de electroni care este la acea temperatură. Dacă nu ar fi existat ecuația lui Bennet, am fi fost tentați să credem că măsurarea noastră a temperaturii prin lărgirea liniilor este sesizată.

Totul ne face să concluzionăm că există mult de lucrat. Am recomandat (vox clamat in deserto) elaborarea unui proiect european de Z-pinch. Dacă LMJ nu va da rezultatele așteptate, va trebui să ne întoarcem repede la ceva, în acest caz mai ieftin.

O ultimă observație.

Când eram la conferința despre Puteri Impulsive Mari de la Vilnius, Lituania, în septembrie 2008 (unde am prezentat trei comunicări, vezi http://www.mhdprospects.com), m-am întâlnit imediat, deja în prima zi, cu americani Matzen și Mac Kee, primul fiind responsabil de experimentul ZR la Sandia, iar al doilea adjunctul său. Am fost foarte surprins să-i văd zâmbind imediat când i-am întrebat despre ZR și când mi-au spus imediat:

- Articolul lui Haines din 2006? A greșit, temperaturile erau mai mici, cu cel puțin un ordin de mărime! - Dar există acele mari lărgiri ale liniilor spectrale... - Un israelian, Yitziak Maron, a reanalizat totul și a concluzionat că Haines a interpretat greșit aceste spectrograme. - A fost publicat? - Nu, nu l-am făcut, pentru a nu face rău celui bun Malcolm (...)

În seara aceluiași zi, după ce am insistat, Mc Kee s-a așezat la o consolă și mi-a spus:

- Voi trimite un mail lui Maron, în fața ta, și mâine vom avea explicațiile lui.

A doua zi, l-am întâlnit pe Mc Kee:

- Atunci, explicațiile lui Maron? - Hmmm... preferăm să nu publicăm încă totul; - Dar cel puțin mă vei face să citesc mailul lui..... - E că... mi-a răspuns telefonic (....)

Au urmat explicații confuze și puțin convingătoare.

După două zile, Matzen prezenta, pe scenă, progresul experimentului ZR, concentrându-se pe aspectele simple de tehnologie mare, cu fotografii minunate. Acolo am aflat că experimentele de obținere a gheții VII nu au fost realizate prin compresie implosivă, ci prin compresie explosivă, cu un alt model experimental, unde curentul se închide ca un „parasol”, adică cu alimentare după un pilon axial masiv și întoarcere printr-un liner din fire, în contact cu care se află mediu de comprimat, în exterior. Nimic de a face cu experimentele anterioare. La sfârșitul prezentării, am cerut microfonul și am spus:

Am avut, în zilele anterioare, o discuție în care ați pus la îndoială analiza făcută de Haines asupra măsurărilor de temperatură efectuate pe Z-machine, prin spectroscopie și publicate în 2006 în Physical Review D. După părerea dumneavoastră, temperatura ionilor ar fi fost cu cel puțin un ordin de mărime mai scăzută. Mi-ați spus că Yitziak Maron, de la Institutul Weisman din Ierusalim, a ajuns la această concluzie. Deoarece această afacere este importantă, vă rugăm să ne luminați.

Matzen:

- Hmmm.... this is a good question

Apoi o minută de tăcere, care a fost întreruptă de președintele sesiunii.

La întoarcerea în Bruxelles, am trimis un mail către israelianul Maron, care mi-a răspuns cu o explicație confuză, fără să răspundă la întrebările mele, spunând cel mai multe lucruri bune despre Haines. Mi-a spus că urma să se alăture Sandia în zilele următoare.

Am trimis un alt mail lui Gerold Yonas, director științific al Sandia, care mi-a răspuns imediat foarte succint:

- Da, este și pentru mine un mister. Voi cere lui Matzen să clarifice această poveste.

De la sfârșitul octombrie 2008, tăcere completă.

18 februarie 2008: Despre fuziunea aneutronică

Într-o reacție de fuziune, doi nuclei trebuie apropiați la o distanță suficient de mică pentru ca o reacție nucleară să poată avea loc. Fizica nucleară este aici analogă cu lumea chimiei. Radioactivitatea, naturală sau inducță, înseamnă pur și simplu că niște nuclei sunt instabili. Fisiunea este o reacție de descompunere spontană care produce nuclei cu mase mai mici decât cel din care provin. În descompunerile uraniului 235 sau plutoniului 239, produsele acestei descompuneri spontane au mase apropiate de jumătatea masei nucleului inițial.

Se emite neutroni, care pot, intrând în coliziune cu alți nuclei de U235 sau Pu239, să provoace noi descompuneri, fisiuni, inducțe de aceste coliziuni. Putem vorbi atunci despre o fisiune auto-catalizată. Nucleii au o secțiune eficientă de capturare. Cunoscând-o, se poate calcula masa critică. Aceasta este masa unei sfere ale cărei raze sunt, grosso modo, egale cu drumul liber mediu al unui neutron față de coliziunea cu un nucleu de material fisionabil.

Această masă critică poate fi redusă prin creșterea densității nucleilor, prin compresie, care în bombe este asigurată de un exploziv chimic.

Să considerăm un gaz la temperatura absolută T. Dacă mediul este puternic coliziuneal (adică dacă mediu se află într-un stat foarte apropiat de echilibrul termodinamic cu o statistică Maxwell-Boltzmann), valoarea medie a vitezei de agitație termică a acestor elemente va fi dată de formula indicată mai jos. Câteva desene și formule permit înțelegerea, în mod schematic, a conceptului de secțiune eficientă de coliziune (care duce aici la o reacție nucleară) și de frecvența de coliziune (a reacției nucleare considerate). Aici reducem viteza ionilor de masă m la valoarea medie . Considerăm că tot ce este „prins” într-un „rețea” formată din secțiunea eficientă duce la o probabilitate de reacție egală cu unitatea, iar pentru ceea ce este în afara, această probabilitate este nulă.

frecvența de coliziune

**Frecvența de coliziune, timp caracteristic de reacție **(de fuziune)

Dar nu este suficient ca frecvența de coliziune să fie suficientă, ca timpul caracteristic de reacție să fie mai mic decât timpul de confinare. Trebuie, de asemenea, ca temperatura ionilor să fie suficient de mare pentru ca aceștia, mișcându-se cu o viteză centrată pe viteza medie , să poată depăși bariera coulombiană, repulsivă, care se opune apropierii a doi ioni încărcați pozitiv. Acest lucru duce, pentru un amestec de deuteriu-tritiu D-T, la o temperatură situată între 100 și 200 de milioane de grade, temperatură pe care fizicienii o evaluează de obicei în kilo-electron-volți, în keV, conform formulei

e V = k T

e este sarcina electrică a electronului, adică 1,6 × 10⁻¹⁹ coulomb

k este constanta lui Boltzmann = 1,38 × 10⁻²³

Astfel, un electron-volt corespunde la (e/k) grade Kelvin, adică 11.600 °K

Deoarece lucrăm cu ordine de mărime, considerăm un eV, un electron-volt, ca o temperatură de 10.000°K. Deci această temperatură ionică trebuie să se situeze între 10 și 20 keV.

Pentru ca reacțiile de fuziune să înceapă, trebuie ca condițiile lui Lawson să fie îndeplinite.

calculul lui Lawson

Această funcție L depinde de temperatura plasmei. Secțiunea eficientă Q(V) depinde de viteza relativă a nucleilor și, prin urmare, de viteza medie , deci de temperatura ionilor.

Curba lui Lawson

Curba lui Lawson

Reacția deuteriu-tritiu este neutronigenă. De mult timp se cunosc reacții care nu sunt. Vedeți Fuziune aneutronică.

Doar un număr redus de reacții de fuziune au loc fără emisie de neutroni. Iată cele care prezintă cea mai mare secțiune eficientă.

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

Primele două folosesc deuteriul ca combustibil, dar unele reacții secundare 2D-2D produc câțiva neutroni. Chiar dacă fracțiunea de energie transportată de neutroni poate fi limitată prin alegerea parametrilor reacției, această fracțiune va rămâne probabil mai mare decât pragul de 1%. Este deci dificil să considerăm aceste reacții ca aneutronice.

Eforturile se concentrează pe ultima reacție. Dacă reacția menționată nu produce neutroni, reacțiile secundare sunt neutronigene. Dacă ne bazăm pe timpii de relaxare calculați de Haines, dacă există o diferență de temperatură cu un factor de 100 între gazul de electroni și gazul de ioni (acesta din urmă fiind, în acest stat „de echilibru invers”, mai cald), putem totuși considera că populația ionică se află într-un stat aproape de echilibrul termodinamic, în jurul propriei sale temperaturi, fiind un plasmă termică. Avem atunci următoarele reacții neutronigene:

11B + alpha → 14N + n0 + 157 keV (exotermică)

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

Acest izotop de carbon are o jumătate de viață de 20 de minute.

Unii au evaluat energia eliberată de aceste reacții la 0,1 % din total.

Mai există o reacție care produce radiații gamma:

11B + p+ → 12C + n0 + γ 16 MeV

Această reacție are doar o probabilitate de 10⁻⁴ față de reacția care produce alfa.

În plus, există reacții neutronigene bor-deuteriu sau deuteriu-deuteriu:

11B + 2D → 12C + n0 + 13,7 MeV

2D + 2D → 3He + n0 + 3,27 MeV

Acestea pot fi eliminate folosind un combustibil izotopic pur.

Componentul principal al blindajului ar fi apa pentru încetinirea neutronilor rapizi, borul pentru absorbția lor și metalul pentru absorbția radiației X cu o grosime totală de ordinul metrului;

Temperatura necesară pentru ca reacțiile bor-hidrogen să înceapă este de zece ori mai mare decât cea a amestecului deuteriu-tritiu. Mai există o problemă de reactivitate optimă. Pentru acest ultim amestec, aceasta se situează în jur de 66 keV (730 de milioane de grade). Pentru bor-hidrogen ne ducem la 600 keV (6 miliarde de grade). Cu toate acestea, am văzut că obținerea unor temperaturi foarte mari este posibilă cu o mașină Z, observând că temperatura maximă atinsă crește ca pătratul intensității curentului. Conform acestei logici, temperatura pe care ar putea-o atinge ZR ar fi de 9 miliarde de grade.

Nicio informație disponibilă despre performanțele atinse de această mașină de când a intrat în funcțiune

În acest stadiu trebuie să evităm să ne angajăm prea mult, într-un sens sau în altul. Plasmele calde ale mașinii Z nu sunt cele ale unui Tokamak. Adăugăm că această ipoteză a „punctelor calde” scapă în prezent oricărei descrieri teoretice. Opinia mea personală este că, în loc să argumentăm la nesfârșit, ar fi preferabil să lăsăm cuvântul doamnei Natură, adică să experimentăm. Precizare: costul unei mașini Z este cu două ordine de mărime mai mic decât cel al unui titan de fuziune precum ITER. De asemenea, echipamentul are o flexibilitate pe care nu o are acesta din urmă. În ianuarie 2008 am întâlnit la Ministerul Cercetării și Industriei pe Edouard de Pirey, tânăr absolvent al École Normale Supérieure, consilier științific al Valérie Pécresse. Când l-am întâlnit, mi-a recunoscut imediat că nu avusese timp să citească raportul, deși concis și clar, pe care i-l trimisesem. I-am dat copia scrisorii pe care Smirnov o propusese să fie trimisă, condiționat de numele unui destinatar. Îi cerusem deci lui de Pirey să se adreseze patronului său pentru a afla dacă aceasta acceptă ca numele ei să fie inclus pe această scrisoare, ca destinatar.

Această acțiune nu a avut răspuns. La fel și pentru o cerere de sprijin pentru participarea mea la conferința internațională de la Vilnius, Lituania, despre Puteri Impulsive Mari, unde am fost nevoit să merg cu cheltuielile mele în septembrie 2008.

Se va observa că abordarea Z-pinches nu figurează pe planul recent publicat de ministră. Las la latitudinea cititorului să-și formuleze propriile ipoteze privind eșecul demersului meu.

Cred că europenii ar trebui să creeze cât mai repede un grup de cercetare, colaborând strâns cu rușii, măstrei în această materie. Ar fi oportun, chiar urgent, să punem câțiva bani pe masă și să construim o mașină de caracter civil, accesibilă tuturor, instalată într-un anumit stat „neutru” (în sens tehnico-științific, se înțelege). Mașina Z franceză, echipamentul Sphinx, instalat la Gramat, în Lot, nu poate fi îmbunătățit. Cu timpi de descărcare de 800 nanosecunde această mașină este prea lentă. Cred și că ar fi o greșeală majoră să plasăm acest proiect sub egida securității naționale, din mai multe motive. Desigur, printr-o astfel de abordare, apariția bombelor de fuziune pură devine „nu imposibilă”. Rușii sunt maestri în manipularea Puterilor Impulsive Mari, când energia inițială este un exploziv. Periodic occidentali descoperă, adesea cu uimire, o nouă idee venită dincolo de Ural, care schimbă complet situația, cum ar fi generatorii cu discuri.

Producerea unor curenti foarte mari se face comprimând, cu ajutorul unui exploziv, o cavitate în care a fost creat un câmp magnetic puternic. Dar explozivii chimici induc viteze de implozie limitate. Dacă împărțim dimensiunea caracteristică a încăperii la această viteză, obținem timpi care nu pot scădea sub câteva microsecunde. Este prea lent pentru o formulă inspirată de mașina Z, când acest timp nu poate depăși 100 nanosecunde. Într-un sistem clasic, puterea descărcării crește cu volumul cavitatei. Rușii au circumventat problema dând pur și simplu acesteia forma unui ... armonic. Imaginați-vă un armonic ale cărui părți exterioare sunt înfășurate într-un exploziv, turnat chiar lângă camera sa. Volumul total poate fi mare, în timp ce grosimea de comprimat rămâne, în fiecare dintre aceste celule, destul de mică. Acest aspect este menționat în versiunea anglofonă a Wikipedia.

Militarii se tem foarte mult de aspectele „proliferante” ale unei astfel de tehnologii, unde declanșarea reacțiilor de fuziune nu mai trece prin etapa, tehnologic greu, de îmbogățire isotopică. Dar ce să facem? Nimic? Planeta noastră este la marginea colapsului, din cauza lipsei de resurse energetice. Spuneți-le chinezilor și indienilor că trebuie să facă economii!

Alegerea este politică, la nivel planetar. O ultimă observație despre ITER și Mégajoule:

Gilles de Gennes, înainte de deces, a fost printre cei care au semnalat numeroasele argumente care făceau proiectul ITER problematic, dacă nu-l considerăm un plan social sau o modalitate pentru mii de cercetători, ingineri și tehnicieni de a-și petrece o carieră completă într-o dintre cele mai frumoase regiuni ale lumii, cel mai bine poziționate. De Gennes era foarte sceptic în ceea ce privește faptul că magnetul supraconductiv al ITER, situat cât mai aproape de inelul de plasmă, ar putea rezista mult timp la un intens bombardament neutronic. A semnalat că nu s-a făcut nicio studiu preliminar în această privință, ceea ce ar fi fost totuși ușor, la scara mașinelor plasate într-un flux de neutroni. Dar rezultatul ar fi putut duce la oprirea imediată a construcției acestei adevărate cathedrale pentru ingineri.

Al doilea punct: plasmelor de fuziune sunt coliziuneale, sunt plasme termice, aproape de echilibrul termodinamic. Distribuția vitezelor ionilor este deci de tip Maxwell-Boltzmann, cu o coadă a distribuției boltzmanniene, populată de ioni rapidi:

coada distribuției boltzmanniene

Ioni rapizi în coada distribuției boltzmanniene

Acești ioni vor traversa inevitabil bariera câmpului magnetic de confinare. Lovește pereții și diferitele obiecte care alcătuiesc încăperile, detează atomi grei.

poluarea plasmei de la ITER

Poluarea plasmei de fuziune a unui tokamak, legată de detasarea ionilor grei de la perete

Aceștia, ionizându-se imediat și dobândind o sarcină Z, fiind de asemenea afectați de gradientul de presiune magnetică, se vor întoarce în inima nucleului plasmei, poluând-o. De fapt, pierderile radiative legate de interacțiunea dintre electronii plasmei și ionii (radiație de frânare sau Bremstrahlung) cresc ca pătratul sarcinii electrice a ionilor Z.

pierderi prin radiație de frânare

**Pierderi radiative prin interacțiune electron-ioni **(radiație de frânare)

Nimeni nu vede cum se poate preveni această poluare a plasmei de către acești ioni grei, nici cum se poate curăța aceasta. Creșterea pierderilor radiative va face ca temperatura să scadă și cazanul mașinii de abur al mileniului III va îneca. Când am ridicat această problemă în întâlniri publice cu oamenii de la ITER, răspunsul lor a fost doar:

*- Aceasta este o întrebare bună..... *

Dacă ne întrebăm dacă mașina ITER va permite obținerea reacțiilor de fuziune la un ritm important și susținut, este posibil ca răspunsul să fie pozitiv, pe scurt timp. Dar dacă întrebarea este „acest tip de mașină va putea, în final, duce la un reactor funcțional și va rezolva problemele de energie ale umanității?”, mi se pare că răspunsul trebuie formulat negativ.

Voi face o altă observație, referitoare la această fuziune impulsivă. Aceasta se pretează la o conversie directă. Plasmele de fuziune se extind. Dacă acest lucru are loc într-un câmp magnetic, cum numărul Reynolds magnetic este foarte mare, apare „compresia fluxului” și curent inducționat. Randament: 70 %. Fără piese mobile. De ce să ne complicăm viața cu un schimbător de căldură, o turbină cu abur? De ce nu o roată cu palete, în timp ce suntem acolo? Cred în „două-timpul la fuziune”, în final. Există și alte soluții decât Z-pinches pentru această fuziune impulsivă. Nu am făcut decât să atingem problema.

În natură există sisteme care realizează fuziuni impulsive. Acestea sunt quasarii. Nu cred că energia provine „de la acreția unui gaură neagră uriașă”. Fluctuațiile conjugate ale metricilor celor două universuri gemene creează o undă de șoc centripetă, în gazul interstelar al unei galaxii. Am descris deja acest lucru în „Am pierdut jumătate din univers”, publicat în 1997 la Albin Michel. Ecoul media a fost strict nul. Gazul este comprimat pe măsură ce trece, dezstabilizat. Se formează stele tinere care, scuipând în UV, ionizează acest gaz interstelar. Numărul Reynolds magnetic crește și unda gazosă atrage apoi liniile de câmp ale galaxiei (frozen in), ca un fermier strânge grâul. Colapsul se termină cu o mică sferă de plasmă la scară galactică, dar unde condițiile lui Lawson sunt atinse în masă și nu în centru, cum într-o stea. De aceea aceste obiecte „atât de mici ca stelele, emite cât o galaxie”. Plasmele sunt apoi ejectate în două lobi, urmând direcția câmpului magnetic dipolar. Gradientul de câmp magnetic accelerează particulele încărcate pe o distanță de o sută de mii de ani lumină. Astfel se formează „razele cosmice” în aceste acceleratoare naturale de particule de mare dimensiune.

Când fluctuațiile conjugate ale metricilor duc la o slăbire a confinării, galaxia... explodează. Acestea sunt „galaxiile neregulate”, despre care celebrul fizician britanic sir James Jeans (descoperitorul instabilității la care a atârnat numele său, precum și ecuația care o descrie) spunea:

*- Formele adesea incredibil de încâlcite ale unor galaxii lasă să se înțeleagă că sunt locul unor forțe colosale, despre care nu știm nimic. *

În ceea ce privește instalația LMJ (Laser Mégajoule), niciodată nu s-a spus niciunde, în afara repetării obișnuite a frazelor („soarele într-o eprubetă”, „un domeniu de cercetare pentru astrofizicieni”), că acest instrument de lucru pentru ingineri militari se încadrează într-o încercare de a rezolva problema nevoilor energetice ale planetei.

Întoarcere la Ghid Întoarcere la pagina principală

Mai mult de două miliarde de grade! Analiza lucrării lui Malcom Haines (aprilie 2006)

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

Mots-clés