Z-машина даёт два миллиарда градусов
Почему проект ITER нужно остановить
23 марта 2006 года
http://www.univers-nature.com/inf/inf_actualite1.cgi?id=4218
13 мая 2010 года, четыре года спустя:
ITER, проект термоядерного синтеза, выходит за рамки бюджета. ITER, реактор, расположенный в Кадараше на юге Франции и обещающий наземный термоядерный синтез для получения практически неограниченной энергии (1), сталкивается с резким ростом расходов: стоимость строительства должна составить как минимум вдвое больше первоначально заявленных 4,57 млрд евро (2).
Хотя Китай, Южная Корея, США, Индия, Япония и Российская Федерация участвуют в проекте, Европейский союз является главным экономическим донором. В связи с этим его доля должна увеличиться с 2,7 до 7,2 млрд евро за десять лет строительства. Европейская комиссия рассматривает два варианта покрытия этих расходов: увеличение взносов государств-членов или увеличение доли, выделяемой на проект из бюджета ЕС.
Даже не учитывая нынешнее сокращение финансирования ITER со стороны США, этот рост стоимости обусловлен, в частности, сложностью проекта и глубокими изменениями в его текущей концепции (2001 год) для соответствия современным технологическим возможностям.
Кроме того, за десять лет стоимость сырья неуклонно росла, что также способствовало общему удорожанию ITER.
Для справки: ITER не предназначен для коммерческого производства энергии, а должен продемонстрировать возможность термоядерного синтеза на Земле, производя за 6 минут около 500 миллионов ватт (МВт) тепловой энергии из 50 МВт «вводимой энергии».
После завершения этого этапа первый промышленный термоядерный реактор DEMO должен появиться в Японии, чтобы доказать промышленную реализуемость концепции к 2050 году.
В условиях известного экономического кризиса готовы ли заинтересованные правительства снова раскошелиться? Это далеко не очевидно, и при отсутствии финансирования, соответствующего ожиданиям, ученым, возможно, придется пересмотреть масштабы проекта в сторону уменьшения.
Паскаль Фарси 1- ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор, призван позволить человечеству приблизиться к модели производства энергии Солнцем во второй половине XXI века.
2- В 2007 году общий бюджет распределялся следующим образом: 4,57 млрд евро на строительство (10 лет), 4,8 млрд евро на эксплуатацию (20 лет) и 0,53 млрд евро на демонтаж (10–15 лет).
Мой текст 2006 года:
Когда я отправился на так называемые «дебаты», проходившие в Пертюи 16 марта, там были антиядерные активисты. Они надели белые маски и выкрикивали лозунги, на что сотрудники CEA, возглавляемые Патриком Леграном, отвечали улыбками; в одной из брошюр Легран написал: «Дебаты достигли своего уровня».
«Дебаты достигли своего уровня»
Люди были крайне удивлены, узнав содержание моего выступления. Легран в конце концов сказал мне с широкой улыбкой:
- Ну вот, успокойтесь. Мы дадим вам микрофон. Вы сможете задать свой вопрос, и мы на него ответим.
Но мой вопрос был таким:
- Как участники этого проекта планируют бороться с мощным радиационным охлаждением, вызванным тормозным излучением, возникающим в результате выбивания тяжелых ядер из стенки?
И тут вдруг вокруг не осталось никого. Легран, отвисив челюсть, делал жесты, выражающие отрицание. То же самое произошло с административным руководителем проекта и со специалистом по окружающей среде, который пришел объяснить нам, что «в этом общественном проекте» мы будем стремиться защищать цветы и жуков-скарабеев.
В конце концов мы нашли инженера, сидевшего рядом со мной, который пробормотал:
- Хм... это хороший вопрос.....
Действительно, это вопрос на миллион, который ни при каких обстоятельствах нельзя задавать. Самые быстрые атомы водорода всегда будут преодолевать магнитный барьер и, ударяясь о стенку, выбивать атомы, которые мгновенно полностью ионизируются. Однако потери на тормозное излучение (Bremsstrahlung), связанные с взаимодействием со свободными электронами, изменяются пропорционально квадрату электрического заряда. Плазма загрязнится и охладится. Котел ITER задохнется....
В Калхэме англичане добились одной секунды синтеза. ITER произведет десять, может быть, двадцать секунд через 20–40 лет. Никто даже не подумал о том, как решить проблему затухания котла, кроме как заявить, что «существует масштабный коэффициент». Радиационные потери относительно меньше в машинах все больших размеров. Когда мы получим десятки секунд синтеза, нам скажут: «Нужно построить супер-ITER, более дорогой, и на этот раз все получится».
Нельзя запускать проект такого масштаба и такой стоимости, если у вас нет готовых решений для серьезных, неизбежных проблем.
Если только ITER не является просто дорогим игрушечным проектом или «общественным проектом», как я слышал и читал в Пертюи.
ITER — это прежде всего пример полного отсутствия воображения у наших ученых, аналог теории суперструн в экспериментальной сфере. Термоядерный синтез на основе решения Токамак буксует уже полвека. От нас требуют еще 30–40 лет терпения, хотя к тому времени наша физика, возможно, просто изменится. Как я сказал, покидая зал:
ITER — это паровая машина третьего тысячелетия.
Tore-Supra, французский токамак, строительство которого началось двадцать пять лет назад (с той же песней «Балаболотрона»: «Солнце в лаборатории» и т. д.), не оправдал ожиданий. Синтез: ноль. Очень ограниченные повышения температуры. Но «сверхпроводящий магнит работает». Ну и что с того! 25 лет на постройку сверхпроводящего магнита, дающего 4 тесла: технология, полностью отработанная во всех пузырьковых камерах ускорителей частиц на всей планете. Но во Франции мы быстро хвалим себя за неудачи.
Присутствующие запомнили последний обмен мнениями со специалистом, который сказал «хороший вопрос».
- Можем ли мы сегодня позволить себе такую «танцовщицу»? - О, это кажется большими деньгами, но в процентах от ВНП это намного меньше.....
Ну конечно.
Прежде чем покинуть зал, я объяснил свою точку зрения. Это не «нет» термоядерному синтезу, а «нет» синтезу, который относится к «настоящему синтезу» так же, как паровая машина относится к двигателю внутреннего сгорания. Сравнение уместно. В ITER пытаются работать непрерывно, при слишком низкой температуре, с загрязняющей реакцией, которая активирует окружающие конструкции, приведет к накоплению новых радиоактивных отходов, тогда как будущее за:
чистым синтезом: Бор-11, Водород-1, в импульсном режиме, при миллиарде градусов.
или:
Литий-7 + Водород-1: 500 миллионов градусов.
На следующий день, как назло, лаборатория Sandia в Нью-Мексико объявила о результатах своей Z-машины (наберите в Google «z machine»).
Источники:
http://www.sandia.gov/media/z290.htm
http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/2003/nuclear-power/Zneutrons.html
http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php
Содержание статьи Futura-sciences:
Z-машина произвела температуры, значительно превышающие два миллиарда градусов!
(Фото: Рэнди Монтойя)
Обычно Z-машина работает следующим образом: 20 миллионов ампер проходят через сеть вольфрамовых нитей шириной с волос. В ядре размером с клубок шерсти нити мгновенно растворяются, образуя плазму, которая затем сжимается на высокой скорости сильным магнитным полем до толщины грифеля карандаша. После сжатия ионам и электронам некуда деться («точка застоя»), и, как болид, летящий на полной скорости в стену, они резко останавливаются, рассеивая огромное количество энергии в виде рентгеновских лучей. Таким образом, Z-машина была разработана для генерации температур в несколько миллионов градусов, близких к температурам солнечных вспышек.
«Точка застоя» — это неверный перевод термина «stagnation point», означающего «точка торможения». Точкой торможения называют точку, в которой скорость газового потока снижается до нуля. Возьмем, например, нос космического челнока. Точка торможения — это точка на носу, где скорость газа равна нулю. Логично, что в данной установке следовало бы говорить о «линии торможения» («stagnation line»), поскольку плазма сходится к оси системы. Если расшифровать этот текст, похоже, что эта плазма в конце сжатия, когда скорость становится равной нулю, принимает форму и объем «грифеля карандаша».
Но ученые никогда бы не подумали, что, заменив вольфрамовые нити более широкими цилиндрическими стальными нитями, они смогут достичь температур, превышающих миллиард градусов: «Сначала мы не хотели в это верить. Мы многократно повторяли эксперимент, чтобы убедиться, что это не ошибка», — объясняет руководитель проекта Крис Дини.
Но что же на самом деле произошло в лаборатории Sandia? В статье, опубликованной в этом месяце в Physical Review Letters, Малкольм Хейнс, консультант Sandia, выдвигает гипотезу, что эта удивительная температура обусловлена появлением множества неустойчивостей в «точке торможения», которые приводят к преобразованию значительного количества магнитной энергии в тепловую всего за несколько наносекунд.
Нужно будет найти эту статью, чтобы попытаться понять, что там на самом деле.
В настоящее время ведутся исследования, чтобы узнать больше об этом явлении. Во всяком случае, по словам Малкольма Хейнса, достижение таких температур может оказаться очень полезным: это облегчит изучение солнечных вспышек,
а также может позволить строить более компактные и менее дорогие атомные электростанции.
Содержание статьи Futura-sciences:
Z-машина произвела температуры, значительно превышающие два миллиарда градусов!
(Фото: Рэнди Монтойя)
Обычно Z-машина работает следующим образом: 20 миллионов ампер проходят через сеть вольфрамовых нитей шириной с волос. В ядре размером с клубок шерсти нити мгновенно растворяются, образуя плазму, которая затем сжимается на высокой скорости сильным магнитным полем до толщины грифеля карандаша. После сжатия ионам и электронам некуда деться («точка застоя»), и, как болид, летящий на полной скорости в стену, они резко останавливаются, рассеивая огромное количество энергии в виде рентгеновских лучей. Таким образом, Z-машина была разработана для генерации температур в несколько миллионов градусов, близких к температурам солнечных вспышек.
JPP
:
«Точка застоя» — это неверный перевод термина «stagnation point», означающего «точка торможения». Точкой торможения называют точку, в которой скорость газового потока снижается до нуля. Возьмем, например, нос космического челнока. Точка торможения — это точка на носу, где скорость газа равна нулю. Логично, что в данной установке следовало бы говорить о «линии торможения» («stagnation line»), поскольку плазма сходится к оси системы. Если расшифровать этот текст, похоже, что эта плазма в конце сжатия, когда скорость становится равной нулю, принимает форму и объем «грифеля карандаша».
Но ученые никогда бы не подумали, что, заменив вольфрамовые нити более широкими цилиндрическими стальными нитями, они смогут достичь температур, превышающих миллиард градусов: «Сначала мы не хотели в это верить. Мы многократно повторяли эксперимент, чтобы убедиться, что это не ошибка», — объясняет руководитель проекта Крис Дини.
Но что же на самом деле произошло в лаборатории Sandia? В статье, опубликованной в этом месяце в Physical Review Letters, Малкольм Хейнс, консультант Sandia, выдвигает гипотезу, что эта удивительная температура обусловлена появлением множества неустойчивостей в «точке торможения», которые приводят к преобразованию значительного количества магнитной энергии в тепловую всего за несколько наносекунд.
JPP
:
Нужно будет найти эту статью, чтобы попытаться понять, что там на самом деле.
В настоящее время ведутся исследования, чтобы узнать больше об этом явлении. Во всяком случае, по словам Малкольма Хейнса, достижение таких температур может оказаться очень полезным: это облегчит изучение солнечных вспышек,
а также может позволить строить более компактные и менее дорогие атомные электростанции.
Во главе этого проекта стоит Жеральд Йонас, с которым я встречался в 1976 году в Sandia (см. мою книгу «Дети Дьявола»). Посмотрите на эту зверюгу. Это было .. тридцать лет назад. Источник: Pour la Science, январь 1979, стр. 52-53 (там же вы найдете статью о переворачивании сферы, которую я написал в соавторстве с математиком Бернаром Мореном).
Эксперимент Йонаса, Sandia, 1976 год. Электронные пучки на мишени «размером с голубиное яйцо»
Старина Жеральд не новичок в области сильных электрических токов. Принцип работы «Z-машины» довольно прост. Йонас подает в общей сложности двадцать миллионов ампер в сборку нитей, каждая из которых имеет одну десятую диаметра волоса. Эти нити расположены так, чтобы образовать цилиндрическую структуру:
**Расположение металлических нитей, через которые пропускается ток.
Каждая из них превращается в плазму, и эта система в конечном итоге создает своего рода плазменную завесу, которая имплодирует (схлопывается) к оси системы.**
Это похоже на фрагментацию цилиндрической оболочки. Фрагментация на целый ряд проводников для получения более однородного распределения тока и избежания неустойчивостей.
Этот ток создает магнитное поле, порождающее силы Лоренца J x B, действующие на среду, мгновенно превращенную в плазму. В 1976 году такие системы называли «pinch machines» (пинч-машины). Pinch означает «сжимать». Но пинч-машины основывались на разряде в газовой колонке, которая превращалась в плазму. Имплозия была нестабильной. Оболочка нитей Йонаса напоминает «полую трубку», фрагментированную на большое количество «нитей». Когда происходит разряд, все эти нити превращаются в плазменные колонны, которые смешиваются и в конечном итоге ведут себя так, как если бы это была полая трубка, через которую пропускают ток. Разница в том, что эта «фрагментация» в конечном итоге дает более регулярную оболочку тока. Тем не менее, результатом является имплозия этой плазменной оболочки к оси с «инерционным сжатием».
Изначально Йонас хотел использовать эти системы как источники рентгеновского излучения. Очевидно (я постараюсь проанализировать статьи более подробно, как только смогу), что целью этих экспериментов была прежде всего военная. Стремление получить достаточно мощный источник рентгеновского излучения для инициирования синтеза в мишени (расположенной, как я полагаю, вдоль центральной оси), то есть для моделирования работы бомбы без использования атомной бомбы в качестве источника.
Похоже, что Йонас поместил между мишенью (расположенной по оси) и завесой нитей, превращающейся в плазму в состоянии имплозии и играющей роль компрессора, «пену» (foam). Стабильность этой системы сжатия была заранее неоценима. Известно, что в лазерном синтезе это ключевая проблема. Мы не умеем сжимать симметрично в сфере. Именно поэтому проект Megajoule, расположенный в Барпе, недалеко от Бордо, еще один вид ITER, является еще одним дорогим и очень рискованным проектом. Еще одна «игрушка» для военных и выпускников Политехнической школы.
Йонас сжимает по оси. И тут сюрприз: повышения температуры оказываются впечатляющими, даже неожиданными. Ниже приведены мощности, излучаемые системой в качестве источника рентгеновских лучей.
**Путь к синтезу?
Исследователи Sandia продолжают увеличивать мощность, излучаемую их машиной в виде рентгеновских лучей. ****Существенный прогресс был достигнут с использованием сборки нитей, расположенных на цилиндрической поверхности. **Когда запускается разряд, эта система превращается в плазму в состоянии имплозии. Эта система позволила получить увеличенный выход мощности (до 290 ТВт).
Вот машина в работе. Воспроизведенные изображения небольшого размера не позволяют понять, что происходит.
Z-машина: поехали!
То, что вы видите, — это электрические дуги, разлетающиеся во всех направлениях. Йонас — это Николя Тесла нашего времени.
Несколько быстрых заметок о том, что, похоже, является принципом работы этой Z-машины. Сначала покажем принцип «тета-пинча».
Мощный ток пропускают параллельно образующим цилиндра (газового). Создаваемое магнитное поле сопровождается силами Лоренца, которые стремятся сжать эту плазменную колонну вдоль оси. Система нестабильна. Если где-то происходит сжатие, плотность тока растет, и силы JxB тоже.
Принцип Z-машины:
Возьмите два провода, по которым идут параллельные токи. Они стремятся притянуться. То же самое для системы «нитей в клетке». В первоначальном эксперименте Йонас стремился получить коллапс этих нитей, которые превращаются в «плазменную завесу», вдоль оси системы. Несколько быстрых «лавочных» расчетов для клетки со ста нитями и 20 миллионами ампер в сумме. Начальное поле составило бы 2 тесла. Когда нити превращаются в плазменную завесу, можно оценить плотность тока в 3 x 10^12 ампер на квадратный метр. Мне нужно будет попросить Йонаса подтвердить это. Это лишь грубая и ориентировочная оценка. Я нахожу 60 мегабар как начальное центробежное давление, которое должно разогнать эту плазму до 5 км/с к оси. В таком виде эта плазма, состоящая из атомов металла, нагревается, и я полагаю, что это решение, придуманное Йонасом для получения залпа рентгеновских лучей.
Грубо оценивая объем плазменного цилиндра до имплозии и предполагая, что он сжимается вдоль оси в объект диаметром с грифель карандаша (2 мм), мы получаем впечатляющие коэффициенты сжатия. Напомним, что в лазерном синтезе стремятся сжать мишень из тяжелого водорода, сжиженного, и нацеливаются на уменьшение радиуса в 10 раз. Этого было бы достаточно для достижения условий Лоусона в мишени. Сжатие жидкости приводит к значительному повышению температуры. С моими «лавочными» расчетами (chickzalés, как сказали бы выпускники Политеха) я получаю коэффициент сжатия порядка 40. Так что если бы материал был синтезной смесью, это могло бы сработать.
Отметим, что заботы Йонаса не гражданские. Это военные исследования. Представьте, что вместо пропускания тока через вольфрам (высокая температура плавления, чтобы сохранить твердое состояние как можно дольше и сохранить симметрию) используется плутоний. Сжимая его по оси: бах.....
Но, по-видимому, на втором этапе он выбирает более сложный эксперимент. Вольфрам и сталь — это не синтезные смеси. Йонас использует, по-видимому, трехкомпонентную установку.
Z-машина для синтеза
Это разрезы. На 1 показана клетка из нитей. В центре, вдоль оси, мишень из синтезной смеси. Между ними «пена» (foam) неизвестного состава. Когда подается импульс, цилиндр из металлических нитей (превращающийся в плазму) создает импульс сжатия. По моему мнению, это должно вызвать начало цилиндрической ударной волны, направленной к центру, распространяющейся в этой «пене», которая также превращается в плазму в результате этой «ударной волны». Волна уносит часть энергии. Она распространяется в среде, где магнитное поле равно нулю. Отсюда возможное отсутствие неустойчивостей. Есть над чем задуматься, чтобы понять, из чего может состоять эта знаменитая «пена».
Достигаемые температуры таковы, что процесс сопровождается очень интенсивными радиационными процессами. Тогда нужно играть с длиной повторного поглощения этого излучения. Йонас говорит, что он пробовал использовать аргон, и повышение температуры не происходило. Вероятно, потому что аргон слишком сильно нагревается. В этом эксперименте с инерционным удержанием необходимо увеличивать плотность и скорость удара на оси системы, где находится мишень, максимально задерживая нагрев, чтобы он происходил только при максимальном сжатии, на «линии торможения».
Новая идея состоит в том, что осесимметричная имплозия кажется стабильной, или, по крайней мере, гораздо более стабильной, чем сферическая. В лазерном синтезе проблема в том, что удары лазеров должны быть идеально синхронизированы на «пушере» (оболочке, окружающей мишень из сжиженного тяжелого водорода). Это эквивалентно выстрелу в шарик из 25 револьверов (или больше) в надежде, что все они дадут одинаковый импульс давления.
Здесь Йонас умудряется получить импульс давления, максимально осесимметричный благодаря своей системе нитей, расположенных как клетка. Изначально он использовал вольфрам, чтобы его нити «держались» как можно дольше, обеспечивая осесимметричность. Позже он перешел на обычные нити из нержавеющей стали. Регулярность волны сжатия позволила достичь впечатляющего повышения температуры до 2 миллиардов градусов!
Для синтеза проблема не в количестве энергии, а в фокусировке. Идея диаметрально противоположна центральной теме ITER, где ищут непрерывный синтез в огромном объеме со всеми мега-проблемами технологии, которые это создает. Я за идею импульсного синтеза с фокусировкой энергии ударной волной. И я даже говорю, что достигнутые температуры могут позволить нацелиться на незагрязняющие реакции синтеза, без эмиссии нейтронов, такие как Li-H или B-H (500 миллионов или миллиард градусов).
Если вы заговорите о таких температурах с человеком из ITER, он взбесится. Машина не позволяет достичь этого.
Мы видели, что этот процесс фокусировки энергии ударной волной позволял плавить бронзу в холодной воде (явление кавитации, открытое в 1905 году), а затем создавать плазму при 10 000 °C с помощью ультразвука (сонолюминесценция).
Это аутсайдерские направления, по сравнению с этими сверхтяжелыми направлениями, как Токамак (ITER), которые тащат за собой десятки лет технологических проблем (прошлых и ... будущих), крайне дорогих. Я из тех, кто считает, что есть способ достичь синтеза относительно легкими средствами. Я не исключаю, что Йонас сможет достичь температур еще выше, чем его 2 миллиарда градусов (...), поскольку конечная производительность зависит не от количества энергии, а от эффективности фокусировки (природа пены, геометрия).
В эпоху, когда «физика находится в свободном падении» во Франции, я вижу здесь гору тем для диссертаций и относительно дешевых экспериментов, увлекательных численных симуляций. Но во Франции сделали ставку на Токамак, и речь не идет ... о смене лошади на середине реки. Люди не готовы сказать:
- Ну что ж, мы потеряли время и много денег в течение полувека.
Кто мог бы такое сказать? Это объясняет упрямство в отношении этого типа машин и направления синтеза.
Уже 4 апреля 2003 года машина Йонаса произвела свои первые настоящие нейтроны синтеза. Но совсем недавно был достигнут еще один рубеж.
Z-машина позволила получить два миллиарда градусов
Это означает, что синтез Бора-11 и Водорода-1 становится осуществимым. А это чистый синтез, без радиоактивности (! ...), который не испускает нейтронов, не делает радиоактивными соседние конструкции, а испускает только обычные ядра гелия, электрически заряженные. Эти частицы могут не только магнитно удерживаться, но и при сжатии этого магнитного поля они превращают всю систему в МГД-генератор. В конечном итоге мы получили бы «двухтактный двигатель на синтезе» (который я уже описывал в своей статье в Science et Vie 1976 года). Эти два миллиарда градусов ни один токамак никогда не сможет достичь.
Вывод состоит в том, что проект ITER нужно немедленно поставить на паузу.
Похоже, что у нас есть другое направление, которое может привести к «чистому синтезу». Нужно будет детально проанализировать эти работы. Предварительно, Z-машина Йонаса может позволить получить синтез смеси с производством альфа-частиц, ядер гелия. Они составили бы расширяющуюся плазму. Если это расширение происходило бы в магнитном поле, так как система находится в состоянии высокого магнитного числа Рейнольдса (тесная связь между линиями магнитного поля и ионизированной средой), это приводит к сильному индуцированному току в соленоидах. Машина превращается в импульсный МГД-генератор. Часть этой энергии может позволить перезарядить конденсатор, готовый к следующему разряду. Отсюда концепция «двухтактного» синтеза.
Все это нужно пересмотреть в деталях, но на первый взгляд это кажется очень интересным. Во всяком случае, это исследования, которые бесконечно менее дороги и менее сложны, чем эта настоящая «фабрика газа», которой является проект ITER.