Более двух миллиардов градусов! Анализ статьи Малкольма Хейнса (апрель 2006 г.)

Более двух миллиардов градусов!
Статья Малкольма Хейнса

Опубликовано 24 февраля 2006 г. в Physical Review Letters

Обновлено 16 июля 2006 г. (данные внизу страницы о кривой нарастания тока в Z-машине)

****Обновление от 18 марта 2008 г. Следуя статье, опубликованной в журнале Science et Avenir

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

железо

Z-машина Sandia

кривая нагрева

сетка проводов

лаплас

птичья клетка

формирование оболочки

имплюзия на биконе

эволюция скорости в линере с проводами

Для ненаучных читателей

Читатели спрашивают, действительно ли температура ионов, превышающая два миллиарда градусов, была измерена. Ответ — да. Однако в 1998 году в экспериментах по сжатию плазмы, проводимых на Z-машине, наблюдалось необычное явление. Эти эксперименты включали различные установки. Например, когда "птичья клетка" сжималась, в центр отправляли "газовый поток", "струю газа", которая затем сжималась. Излучение рентгеновских лучей позволяло измерить электронную температуру. Плазма — это смесь "двух видов": ионов, тяжелых, и электронов, легких. В "железной плазме", в "ионизированном железе", ядра

(56 нуклонов, 26 протонов) в 100 000 раз тяжелее электронов (ядра состоят из "нуклонов" с очень близкими массами: протонов и электронов. Электрон в 1850 раз легче протона).

Также в трубке с неоном "эти два вида" присутствуют, электроны и ионы неона (даже если в этом случае они не были полностью освобождены от "электронной оболочки"). Когда трубка работает, она содержит "двухтемпературную смесь", где газ, состоящий из атомов, ионы неона остаются холодными. (вы можете коснуться трубки рукой), но "газ электронов" намного теплее, нагретый до 10 000°. Почему вы не чувствуете эту теплоту рукой? Потому что электроны, бедные, слишком скупы, чтобы передать вам энергию, тепло. Однако у них достаточно энергии, чтобы возбуждать, при столкновениях, флуоресцентное покрытие, покрывающее внутреннюю часть трубки. Именно поэтому их называют

неоновыми лампами

. Флуоресценция — это способность поглощать излучение и излучать его в другой частоте. Таким образом, флуоресцеин поглощает солнечное излучение и излучает в зеленом. Синтетические рубашки могут поглощать ультрафиолетовое излучение и излучать в видимом диапазоне (это "черное свечение" в модных ночных клубах) и т.д. Белое покрытие неоновой трубки подвергается воздействию электронов, имеющих энергии, соответствующие ультрафиолетовому диапазону, но при столкновении с веществами, составляющими покрытие, они вызывают излучение в видимом диапазоне. Это покрытие составлено таким образом, чтобы при излучении его свет был максимально близок к видимому свету. Но это не совсем так. Именно поэтому свет неоновых трубок кажется вам таким "странным".

Важно понять, что могут существовать "двухтемпературные" среды. Причина этой ситуации в том, что электрическое поле в трубке, связанное с подачей напряжения на электроды, передает энергию в первую очередь электронам, которые затем передают ее ионам при столкновениях. Но так как передача энергии между электронным и ионным газами неэффективна, может возникнуть значительный температурный разрыв. Это особенно связано с тем, что среда разрежена. Если трубка утечка и давление увеличивается, эта "неправильная ситуация" исчезает сразу. Сильно связан с ионами, электронный газ быстро охлаждается. Тогда эти электроны, менее "возбужденные" (абсолютная температура в газе соответствует тепловому движению), возвращаются на атомы, которые дезионизируются, становятся нейтральными.

Эксперимент на Z-машине привел к очень необычной ситуации. В наличии две виды:

Электронный газ
Ионный газ (в нержавеющей стали, в основном, ядра железа, положительно заряженные)

Когда люди, с 1998 года, пытались объяснить свои измерения, у них была доступна только электронная температура, измеряя рентгеновское излучение. Почему электронный газ является основным источником этого излучения в этих экспериментах? Потому что вокруг плазмы находится очень сильное магнитное поле. Когда электроны, летящие со скоростью 40 000 км/с, проникают в эту область, где существует сильное магнитное поле, это заставляет их вращаться. Тогда они "кричат", излучают "тормозное излучение". Измеряя эти рентгеновские лучи, экспериментаторы измерили температуру этого электронного газа: 35 миллионов градусов в экспериментах, о которых говорится в настоящей статье.

Но с помощью формул ( "соотношение Беннета" ), если они пытались оценить температуру, которую должны были иметь ионы железа, чтобы компенсировать огромное "магнитное давление", внешнее по отношению к плазме, им приходилось признать, что она должна иметь значительно более высокое значение. С 1998 года, независимо от проводимых экспериментов, разница температур двух видов становилась очевидной. Эти высокие значения были необходимы, чтобы плазма не была мгновенно раздавлена магнитным давлением. Видно, что это указывает на состояние, не находящееся в равновесии (в термодинамическом равновесии все температуры компонентов газовой смеси равны), на двухтемпературное состояние, обратное тому, что наблюдается в неоновой трубке, где в этот раз ионный газ был горячее электронного газа.

Простое замечание: что создает "термодинамическое равновесие"? Это обмен энергией между частицами, при столкновениях. Энергия, например, кинетическая энергия

. Почему индекс i? Потому что плазма — это смесь различных видов, v

— это скорость теплового движения, а < v

— "среднеквадратичная скорость". Таким образом

— это

средняя кинетическая энергия

, в рассматриваемом виде. Это определение абсолютной температуры, которая измеряет среднюю кинетическую энергию (тепловое движение) данного вида, по формуле:

где k — постоянная Больцмана, равная 1,38 10

В столкновениях частицы обмениваются энергией. Это явление стремится к равнораспределению энергии. Когда речь идет о чисто кинетической энергии, различные виды стремятся приобрести одинаковые кинетические энергии теплового движения. Таким образом, абсолютные температуры

равны:

Пусть две частицы с разными массами m

и m

и пусть i — более легкая.

Теория газов

нам говорит, что темп передачи кинетической энергии в столкновении будет пропорционален отношению

Если массы сильно различаются, то, проходя мимо, мы замечаем, что при определенной температуре (достаточной для того, чтобы среда была ионизирована, чтобы были свободные электроны) разница масс приводит к тому, что скорости электронного и ионного теплового движения сильно различаются. Возьмем случай плазмы водорода, дейтерия и трития, с средней атомной массой 2,5 (2 для дейтерия, 3 для трития). Представим, что ионный газ находится при 100 000 000° (в токамаке). Скорость теплового движения будет:

порядка ( 3 k T

Протон весит 1,6 10

кило

Средняя масса ионов водорода, следовательно, 1,6 10

2,5, то есть 4 10

кило

Средняя скорость теплового движения ионов водорода в токамаке, следовательно, составляет, в токамаке 10

м/с, то есть

тысячи километров в секунду

. Интересное число, которое стоит запомнить. В токамаке устанавливается термодинамическое равновесие. Температура электронного газа такая же, как и у ионов. Но скорость теплового движения электронов выше, чем у ионов, в обратной пропорции к квадратному корню из отношения масс.

Масса электрона равна

= 0,91 10

кило

В тяжелой водородной плазме отношение масс составляет 4400, и отношение скоростей теплового движения электронов и ионов составляет квадратный корень из этого числа, то есть 66. Скорость теплового движения электронов в токамаке, следовательно, в 66 раз выше, чем у ионов, и составляет 66 000 км/с, что составляет 20% скорости света. Простое замечание.

В плазме железа Z-машин отношение масс достигает 100 000. В равновесной плазме железа отношение тепловых скоростей между электронами и ионами железа составит 316. Но, как мы увидим позже, плазма железа Z-машин находится очень далеко от равновесия. Отличие от неоновых ламп в том, что в этот раз электронная температура в 100 раз ниже, чем у ионов. Это новый тип плазмы

в состоянии обратного неравновесия

Это новая среда, мало изученная, требующая изучения. На самом деле, настоящий "дикарь" для экспериментаторов и теоретиков. Z-машина в первую очередь — мощный электрический генератор:

Z-машина Sandia до 2007 года

(она была изменена и превращена в ZR, Z "обновленная")

Она выдает импульсы 18 миллионов ампер, за 100 наносекунд. Наносекунда — это миллиардная доля секунды. Электрический ток растет линейно: кривая роста электрического тока в Z-машине (аналогично в ZR)

Z-машина ZR, работающая с 2007 года, способна достигать 26 миллионов ампер, все еще за 100 наносекунд

Z-машина направляет этот ток в "линер с проводами", тип "птичьей клетки", высотой 5 см и диаметром 8 см, состоящую из 240 проводов из нержавеющей стали, тоньше волоса: .

Состав "линера с проводом"

В каждом проводе проходит:

75 000 ампер

Каждый провод создает магнитное поле, которое взаимодействует с соседними проводами по закону Лапласа I B. Эти силы центростремительные и стремятся собрать все эти провода вдоль оси системы.

Силы Лапласа стремятся собрать провода вдоль оси системы

Рисунок, который многое значил для Герольда Йоны, изобретателя машины

По мере сближения металлические провода испаряются постепенно:

Формирование оболочки плазмы

(диссертация Матиаса Бавея)

Это структура из проводов, которая поддерживает осевую симметрию и предотвращает появление нестабильностей MHD. Мнения разделились по поводу поведения линера с проводами во время этой имплюзии. Провод окружен оболочкой из железной плазмы. Эксперимент показывает, что провода оставляют за собой "хвост кометы", представляющий 30% их массы.

Схему этой имплюзии можно рассчитать (см. ниже). Радиус этой клетки составляет 4 см, а время — 100 наносекунд, средняя скорость сближения составляет 400 км/с. На самом деле, ускорение происходит непосредственно перед контактом. Скорость ионов перед ударом составляет от 550 до 650 км/с. Поддержание осевой симметрии приводит к тому, что железная плазма в конце имплюзии представляет собой стержень диаметром 1,5 мм.

Ионы и электроны сближаются с одинаковой скоростью к оси. Невозможно разделить две популяции из-за сильных электростатических сил, связывающих их. Когда эти частицы, ионы железа и электроны, сталкиваются около оси, происходит термализация, то есть, в принципе, кинетическая энергия, связанная со скоростью радиального движения, распределяется во всех направлениях. Это верно как для ионов, так и для электронов.

Давайте сначала забудем о электронах и представим, что у нас есть популяция объектов, масса которых равна массе ионов железа, которая находится около оси со скоростью 650 км/с.

Масса ионов железа составляет 9 10

кило

Мы запишем:

V = 600 км/с

Мы получаем ионную температуру 925 миллионов градусов. Простой перевод этой радиальной скорости в тепловую скорость ионов.

Выполним тот же расчет для электронов, получим температуру в 100 раз ниже, около 9250 градусов. Мощное состояние обратного неравновесия. Затем вступают в игру столкновения. Для ионов Малкольм Хейнс рассчитал, что время релаксации (время термализации газа ионов, установления функции распределения скоростей) составляет 37 пикосекунд, то есть 3,7 10

секунда. Это время меньше, чем "время стагнации" плазмы, в виде сверхплотного и сверхгорячего стержня, размером с карандаш.

Измерения (излучение рентгеновских лучей посредством "тормозного излучения", взаимодействие электронов и ионов) дают температуру 30 миллионов градусов. Таким образом, электронный газ был нагрет. Мы рассмотрим это позже. Обычно сильные температуры выражаются в электрон-вольтах, по формуле

e V = k T

с e (единичный электрический заряд) = 1,6 10-19 кулон

Если у нас есть среда, представляющая температуру, нагретую в "электрон-вольтах", которая составляет "1 эВ", это соответствует температуре

T = e / k = 11 600° K

Поскольку мы говорим о порядках величины, мы часто привыкаем конвертировать электрон-вольты в градусы Кельвина, просто делая

T = 10 000 V

Таким образом, "кэВ", килоЭлектронвольт, эквивалентен 10 000°

Измерения излучения (в диапазоне рентгеновских лучей) дают температуру 30 кэВ, которую округляют до 30 миллионов градусов.

Другая проблема: мы находим, что газ ионов в 3-4 раза горячее, чем можно было бы получить простой термализацией. Измерения температуры дают значение выше 2 миллиардов градусов, достигая максимального значения 3,7 миллиардов градусов. Откуда же берется энергия? Там же мы обсудим это позже; .

Измерения температуры проводились с использованием классического метода оценки расширения спектральных линий по эффекту Доплера. Ядра (как атомы, молекулы) излучают излучение по определенному спектру, который имеет характерные линии.

Если среда относительно холодная, эти линии тонкие.

Спектр излучения нержавеющей стали "относительно холодной", нагретой до температуры 100 000° K

Мы идентифицируем линии хрома (первая, слева), затем линии марганца, твердой стали и никеля.

В этой нержавеющей стали углерод составляет 0,15% смеси, и его линии не видны.

Линии соответствуют электронным возбуждениям. Вокруг ядра вращаются электроны на определенных орбитах, из-за квантовой механики (квантование орбит). Внесение энергии любого происхождения может вызвать "переход", то есть изменение орбиты электрона. Это изменение всегда происходит в направлении перехода электронов на более дальнюю орбиту, которая представляет большую энергию. Не нужно делать сложных расчетов, чтобы представить эту идею. Вы прекрасно знаете, что для того, чтобы поместить массу M на орбиту, чем выше орбита, тем больше ракета должна быть мощной. Внесение энергии помещает электрон на "более высокую" орбиту, более удаленную от ядра. Он не остается там долго (существует время жизни этих возбужденных состояний) и в течение нескольких наносекунд возвращается на более близкую орбиту к ядру. При этом он теряет энергию, которая излучается в виде фотона, энергия которого равна разнице энергии между двумя орбитальными уровнями. Отсюда и спектр в "линиях".

Атом железа имеет 26 электронов.

Все они способны выполнять переходы орбит, возвращаться, не обязательно на свою исходную орбиту. Отсюда спектр, состоящий из множества линий. Некоторые из них выше других. Что означает "высота линий"? Это мощность, излучаемая по этой частоте. Линия измеряет вклад определенного перехода. Некоторые переходы более вероятны, чем другие. Это наиболее вероятные, поэтому частые переходы дают основную часть излучения. Бросив взгляд на приведенную выше схему, мы видим, что для нержавеющей стали, температура которой находится между 58 000 (5 электрон-вольт) и 116 000° K (10 электрон-вольт), наиболее сильное излучение происходит от линии хрома. Линия марганца "более скромная". На этих температурах атомы уже сильно лишены электронов. Но их все еще остается. Сколько? У меня нет под рукой книги, чтобы ответить вам. Десорбция происходит постепенно. Я не знаю, при какой температуре нужно нагреть железо или хром, чтобы получить полную десорбцию, когда последний электрон будет удален. Это можно рассчитать. Это энергия, необходимая для удаления последнего электрона от ядра, имеющего 26 положительных зарядов.

То, что было измерено в экспериментах Sandia, относится к спектру возбуждения-десорбции электронов, которые остались вокруг ядер.

Расширение линий связано с эффектом Доплера-Физо.

Спектр того же материала, нагретого до миллиардов градусов. Эффект Доплера привел к расширению линий

Частота, соответствующая определенному орбитальному переходу (линии), будет выше, если атом приближается к наблюдателю, и ниже, если он удаляется (это "красное смещение"). Таким образом, тепловое движение

расширяет линии

. Измерения, надежные, были выполнены и подтвердили эти высокие значения температуры ионов, которые составляют миллиарды градусов (

от 2,66 до 3,7 миллиардов градусов

Результаты мая 2005 года на Z-машине Sandia.

В черном цвете — рост ионной температуры. В синем — диаметр плазмы.

По оси абсцисс: время в наносекундах

(одна наносекунда составляет миллиардную долю секунды)

Резкое повышение температуры не является обычным явлением. Это большая научная находка, и, вероятно, она окажет значительное влияние на нашу планетарную общественность.

Ионы таким образом становятся в 100 раз горячее электронов

. До сих пор это была единственная возможная объяснение, но теперь это можно измерить, в полностью воспроизводимых экспериментах. Кроме того, эта ионная температура

растет со временем.

Наконец, излучение, производимое электронным газом в виде рентгеновского излучения, оказалось в 3-4 раза больше кинетической энергии, которой обладали стальные стержни "линера с проводами", когда они оказались собранными на оси

Хейнс и его коллеги попытались в следующей статье разгадать этот загадку. Откуда могла исходить эта энергия?

Когда Z-машина запускается, энергия распределяется по разным формам. Есть тепловая энергия плазмы, которая соответствует сумме кинетических энергий ее компонентов (в основном, кинетической энергии ионов железа). Но есть также другая энергия, более трудно понятная:

магнитная энергия

, которая распределена по всему пространству вокруг тонкого стержня плазмы, образованного на оси. Хейнс поэтому предположил, что "MHD-неустойчивости" могут возникнуть, позволяя плазме восстановить часть этой энергии. Как следует из статьи, эта теория очень начальная и не привела к никакой "симуляции". Вывод просто "не исключено, что это нагревание связано с этим явлением". При этом он показывает слабую коллизионную связь между электронами и ионами, объясняющую задержку излучения рентгеновских лучей во времени. Это явление сначала нагревает ионы, которые передают часть этой энергии электронному газу, который становится излучающим (через тормозное излучение). Таким образом, измерения (четыре точки)

показывают, что железный ионный газ продолжает нагреваться

Максимальная температура явно не достигнута. Тем не менее, измеренная температура железных ионов достигает 3,7 миллиардов градусов! тридцать семь раз выше температуры, которую Итер никогда не сможет превзойти: 100 миллионов градусов.

Диней сказал, что перед таким результатом он повторил эксперимент и измерения несколько раз, чтобы убедиться. Стоит отметить, что в заголовке статьи написано: "более двух миллиардов градусов". Логично, что ученые должны были упомянуть максимальное значение, 3,7 миллиарда градусов. Назовем это движением ... смущения, перед лицом огромности полученного результата.

Нужно помнить, что с 500 миллионами градусов можно сжигать литий и водород, получая гелий и не нейтроны. С миллиардом градусов получается "чистый синтез", все еще без радиоактивности и отходов (только гелий): синтез бора и водорода. Что можно сделать с 3,7 миллиардами градусов, или даже больше? Если температура ионов продолжает расти, логично предположить, что можно достичь еще более высоких ионных температур.

Заметка. В этих экспериментах электрический ток, вырабатываемый Z-машиной (от 18 до 20 миллионов ампер), не может поддерживаться бесконечно. Это разряд: этот ток растет со временем, проходит через максимум, а затем уменьшается. В Z-машине импульс длится 100 миллиардных долей секунды. Другой аспект: если Хейнс прав, окружающее магнитное поле стержня плазмы содержит очень большую энергию. Таким образом, если поддерживать ток, это магнитное поле будет продолжать "питать" плазму, повышая ионную температуру. Таким образом, эти 3,7 миллиарда градусов не являются пределом, и никто не может сказать, какую температуру можно достичь с помощью этого устройства.

Первое последствие таких экспериментов может быть "чистым неполлютийным синтезом", с смесью лития и водорода (литий, присутствующий в морской воде и в соленых водах, находится во всех регионах мира. В настоящее время его цена составляет 59 долларов за килограмм, включая налоги). Это эра золота с точки зрения энергии (с дополнительной "водородной бомбой чистого синтеза", недорогой, для всех). Если все это подтвердится, ни одна страна в мире не сможет утверждать, что владеет запасами лития планеты. Поскольку литий присутствует в морской воде, эти планетарные запасы, по сути, неограниченны.

Поскольку температура в сверхновой составляет 10 миллиардов градусов, и она, с помощью реакций синтеза, создает все атомы таблицы Менделеева (и их радиоактивные изотопы с различными временами жизни), если Z-машина, "наполненная", в какой-то момент сможет достичь 10 миллиардов градусов, мы получим в лаборатории самые высокие температуры, которые природа способна создать в космосе. Этот прорыв представляет собой радикальное изменение в ядерной физике и в нашей физике в целом.

До сих пор мы довольствовались "тлеющим углем". Этот шаг действительно представляет собой изобретение ядерного огня

Для ненаучных читателей

неоновыми лампами

Эксперимент на Z-машине привел к очень необычной ситуации. В наличии две виды:

Электронный газ
Ионный газ (в нержавеющей стали, в основном, ядра железа, положительно заряженные)

. Почему индекс i? Потому что плазма — это смесь различных видов, v

— это скорость теплового движения, а < v

— "среднеквадратичная скорость". Таким образом

— это

средняя кинетическая энергия

где k — постоянная Больцмана, равная 1,38 10

равны:

Пусть две частицы с разными массами m

и m

и пусть i — более легкая.

Теория газов

он сказал, что коэффициент передачи кинетической энергии при столкновении будет пропорционален отношению

Если массы сильно различаются, мы замечаем, что при определенной температуре (достаточной для того, чтобы среда была ионизирована, чтобы были свободные электроны), разница масс приводит к тому, что скорости электронной и ионной агрегации очень различны. Возьмем случай плазмы водород-дейтерий-тритий, с средней атомной массой 2,5 (2 для дейтерия, 3 для трития). Представим, что газ ионов находится при 100.000.000 градусов (в токамаке). Скорость термической агрегации будет:

порядка (3 k T

Протон весит 1,6 10

кило

Средняя масса ионов водорода, следовательно, 1,6 10

2,5, то есть 4 10

кило

Средняя скорость термической агрегации ионов водорода в токамаке составляет, следовательно, 10

м/с, то есть

тысячи километров в секунду

. Интересное число, которое стоит запомнить. В токамаке устанавливается термодинамическое равновесие. Температура электронного газа такая же, как и у ионов. Но скорость агрегации электронов выше, чем у ионов, в обратной пропорции к квадратному корню из отношения масс.

Масса электрона

= 0,91 10

кило

В тяжелом водородном плазме отношение масс составляет 4400, и отношение скоростей термической агрегации составляет квадратный корень из этого числа, то есть 66. Скорость термической агрегации электронов в токамаке, следовательно, в 66 раз выше, чем у ионов, и это 66.000 км/с, что составляет 20% скорости света. Простое замечание.

В плазме железа Z-машин отношение масс достигает 100.000. В равновесной железной плазме отношение термических скоростей между электронами и ионами железа составит 316. Но, как мы увидим позже, плазма железа Z-машин очень неравновесна. Отличие от люминесцентных трубок в том, что на этот раз электронная температура на 100 раз ниже, чем у ионов. Таким образом, это новый тип плазмы

в состоянии обратного неравновесия

Это новая среда, мало изученная, требующая изучения. По сути, настоящий "дикая западная" для экспериментаторов и теоретиков. Z-машина в первую очередь является мощным электрическим генератором:

Z-машина Sandia, до 2007 года

(она была изменена и превращена в ZR, Z "переоборудованная")

Она выдает импульсы 18 миллионов ампер, в 100 наносекунд. Наносекунда - это миллиардная часть секунды. Электрический ток растет линейно: кривая роста электрического тока в Z-машине (аналогично в ZR)

Машина ZR, работающая с 2007 года, способна достичь 26 миллионов ампер, все еще в 100 наносекунд

Z-машина направляет этот ток в "трубку из проводов", тип клетки, высотой 5 см и диаметром 8 см, состоящей из 240 проводов из нержавеющей стали, тоньше волоса: .

Состав "трубки из проводов"

В каждом проводе проходит:

75.000 ампер

Каждый провод создает магнитное поле, которое взаимодействует с соседними проводами по силе Лоренца I B. Эти силы центростремительные и стремятся собрать все эти провода вдоль оси системы.

Силы Лоренца стремятся собрать провода вдоль оси системы

Рисунок, который был больше всего по душе Герольдом Йонасом, изобретателем машины

Сходясь, металлические провода постепенно испаряются:

Формирование плазменной оболочки

(диссертация Матиаса Бавея)

Это структура из проводов, которая поддерживает осевую симметрию и предотвращает появление МГД-неустойчивостей. Мнения разделились по поводу поведения трубки из проводов во время этой импакции. Провод окружен оболочкой из железной плазмы. Эксперимент показывает, что провода оставляют за собой "хвост кометы", представляющий 30% их массы.

Схема этой импакции может быть рассчитана (см. ниже). Радиус этой клетки 4 см, время 100 наносекунд, средняя скорость сходимости 400 км/с. На самом деле, ускорение происходит непосредственно перед контактом. Скорость ионов перед столкновением составляет от 550 до 650 км/с. Поддержание осевой симметрии приводит к тому, что железная плазма в конце импакции образует стержень диаметром 1,5 мм.

Ионы и электроны сходятся с одинаковой скоростью к оси. Невозможно разделить две популяции из-за сильных электростатических сил, которые их связывают. Когда эти частицы, ионы железа и электроны, сталкиваются около оси, происходит термализация, то есть, в принципе, кинетическая энергия, связанная со скоростью радиального движения, распределяется во всех направлениях. Это верно как для ионов, так и для электронов.

Давайте временно забудем о электронах и представим, что есть популяция объектов, масса которых равна массе ионов железа, которая находится около оси со скоростью 650 км/с.

Масса ионов железа 9 10

кило

Мы запишем:

V = 600 км/с

Мы получаем температуру ионов 925 миллионов градусов. Простое преобразование этой радиальной скорости в термическую скорость ионов.

Выполним тот же расчет для электронов, получаем температуру в 100 раз ниже, около 9250 градусов. Мощное состояние обратного неравновесия. Тогда начинают играть роль столкновения. Для ионов Малком Хейнс рассчитал время релаксации (время термализации газа ионов, установления функции распределения скоростей) составило 37 пикосекунд, то есть 3,7 10

секунда. Это время мало по сравнению с "временем стагнации" плазмы, в виде сверхплотного и сверхгорячего стержня, размером с карандашную точку.

Измерения (излучение рентгеновских лучей по "тормозному излучению", взаимодействие электронов и ионов) дают температуру 30 миллионов градусов. Газ электронов, таким образом, нагрет. Мы проанализируем это позже. Принято выражать высокие температуры в электрон-вольтах, согласно соотношению

e V = k T

с e (единичный электрический заряд) = 1,6 10-19 кулон

T = e / k = 11.600° K

Поскольку мы говорим о порядках величины, мы часто привыкли конвертировать электрон-вольты в градусы Кельвина, просто делая

T = 10.000 V

Таким образом, "кэВ", килоЭлектронвольт, соответствует 10.000°

Измерения излучения (в диапазоне рентгеновских лучей) дают температуру 30 кэВ, которую мы округляем до 30 миллионов градусов.

Другая проблема: мы находим, что газ ионов на 3-4 раза теплее, чем мы бы получили простой термализацией. Измерения температуры дают значение выше 2 миллиардов градусов, достигая максимальной величины 3,7 миллиардов градусов. Откуда же тогда энергия? Там мы также обсудим это позже;

Измерения температуры были выполнены с использованием классического метода оценки расширения спектральных линий по эффекту Доплера. Ядра (как атомы, молекулы) излучают излучение по определенному спектру, который имеет характерные линии.

Если среда относительно холодная, эти линии тонкие.

Спектр излучения нержавеющей стали "относительно холодной", нагретой до температуры 100.000° K

Мы идентифицируем линии хрома (первая, слева), затем линии марганца, железа и никеля.

В этой нержавеющей стали углерод составляет 0,15% смеси, и его линии не видны.

Эти линии соответствуют электронным возбуждениям. Вокруг ядра вращаются электроны на определенных орбитах, из-за квантовой механики (квантование орбит). Внесение энергии любого происхождения может вызвать "переход", то есть изменение орбиты электрона. Это изменение всегда происходит в направлении перемещения электронов на более дальнюю орбиту, которая представляет большую энергию. Нет необходимости делать сложные вычисления, чтобы представить эту идею. Вы прекрасно знаете, что для того, чтобы поместить заряды массы M на орбиту, чем выше орбита, тем больше нужна ракета. Внесение энергии, таким образом, помещает электрон на "более высокую" орбиту, более удаленную от ядра. Он не остается долго (существует время жизни этих возбужденных состояний) и не задерживается дольше нескольких наносекунд, возвращаясь на более близкую к ядру орбиту. При этом он теряет энергию, которая излучается в виде фотона, энергия которого равна разнице энергии между двумя уровнями орбиты. Отсюда этот спектр в "линиях".

Атом железа имеет 26 электронов.

Все они способны выполнять переходы между орбитами, возвращаться, не обязательно на свою начальную орбиту. Отсюда спектр, состоящий из множества линий. Некоторые линии выше других. Что означает "высота линий"? Это мощность, излучаемая по этой частоте. Линия измеряет вклад определенного перехода. Некоторые переходы более вероятны, чем другие. Это наиболее вероятные, поэтому частые переходы, которые дадут основную часть излучения. Посмотрев на приведенную выше схему, мы видим, что для нержавеющей стали, температура которой составляет между 58.000 (5 электрон-вольт) и 116.000° K (10 электрон-вольт), наиболее сильное излучение происходит от линии хрома. Линия марганца "более скромная". На этих температурах атомы уже сильно лишены электронов. Но их все еще остается. Сколько? У меня нет под рукой книги, чтобы ответить вам. Удаление электронов происходит постепенно. Я не знаю, при какой температуре нужно нагреть железо или хром, чтобы получить полное удаление электронов, когда последний электрон будет удален. Это можно рассчитать, конечно. Это энергия, необходимая для удаления последнего электрона от ядра, имеющего 26 положительных зарядов.

Расширение линий связано с эффектом Доплера-Физо.

Спектр того же материала, нагретого до миллиардов градусов. Эффект Доплера привел к расширению линий

Частота, соответствующая определенному орбитальному скачку (линии), будет выше, если атом приближается к наблюдателю, и ниже, если он удаляется (это "красное смещение"). Таким образом, тепловое движение

расширяет линии

от 2,66 до 3,7 миллиардов градусов

Результаты мая 2005 года по Z-машине Sandia.

В черном цвете - рост температуры ионов. В синем - диаметр плазмы.

По оси абсцисс: время в наносекундах

(одна наносекунда представляет собой миллиардную долю секунды)

Резкое повышение температуры не является случайным событием. Это большая научная находка, и, вероятно, она окажет значительные последствия для нашей планетарной общественности.

Ионы таким образом становятся в 100 раз теплее, чем электроны

. До сих пор это была единственная возможная объяснение, но на этот раз это было измерено, в полностью воспроизводимых экспериментах. Кроме того, эта ионная температура

растет со временем.

Наконец, излучение, производимое газом электронов в виде рентгеновского излучения, оказалось в 3-4 раза больше кинетической энергии, которой обладали стержни из нержавеющей стали "трубки из проводов", когда они оказались собранными на оси

Хейнс и его коллеги попытались в следующей статье разгадать этот загадку. Откуда могла исходить эта энергия?

Когда запускается Z-машина, энергия распределяется в различных формах. Есть тепловая энергия плазмы, которая соответствует сумме кинетических энергий ее компонентов (прежде всего кинетической энергии ионов железа). Но есть также другая энергия, более трудно понятная:

магнитная энергия

, которая распределена во всем пространстве вокруг тонкого стержня плазмы, образованного на оси. Хейнс, таким образом, предложил, что "МГД-неустойчивости" могут возникнуть, позволяя плазме восстановить часть этой энергии. Как это указано в статье, эта теория очень начальная и не привела ни к какой "симуляции". Вывод просто "не исключено, что это явление является причиной нагрева". Он также показывает слабую коллизионную связь между электронами и ионами, объясняющую задержку излучения рентгеновских лучей во времени. Это явление сначала нагревает ионы, которые затем передают часть этой энергии газу электронов, который становится излучающим (по тормозному излучению). Это, тем не менее, измерения (четыре точки)

показывают, что железный газ ионов продолжает нагреваться

Максимальная температура явно не достигнута. Тем не менее, температура железных ионов достигает 3,7 миллиардов градусов! тридцать семь раз выше температуры, которую Итер никогда не сможет превзойти: 100 миллионов градусов.

Дини сказал, что перед таким результатом он повторил эксперимент и измерения несколько раз, чтобы убедиться. Стоит отметить, что в заголовке статьи написано: "более двух миллиардов градусов". Логично, что исследователи должны были упомянуть максимальное значение, 3,7 миллиарда градусов. Назовем это движением ... осторожности, перед лицом огромного полученного результата.

Нужно помнить, что с 500 миллионами градусов можно синтезировать литий и водород, получая гелий и не нейтроны. С миллиардом можно получить "чистый синтез" на одну секунду, все еще без радиоактивности или отходов (только гелий): синтез бора и водорода. Что можно сделать с 3,7 миллиардами градусов, или больше? Если температура ионов продолжает расти, логично думать, что можно достичь еще более высоких ионных температур.

Заметка. В этих экспериментах электрический ток, который выдает Z-машина (от 18 до 20 миллионов ампер), не может поддерживаться неограниченно. Это разряд: этот ток растет со временем, проходит через максимум, а затем уменьшается. В Z-машине импульс длится 100 миллиардных долей секунды. Другой аспект: если Хейнс прав, магнитное окружение стержня плазмы содержит очень большую энергию. Таким образом, если поддерживать ток, это магнитное поле будет продолжать "питать" плазму, повышая ионную температуру. Таким образом, эти 3,7 миллиарда градусов не являются пределом, и никто не может сказать, какую температуру можно достичь с помощью этого устройства.

Первый эффект таких экспериментов может быть "чистым непolluting синтезом", с смесью лития и водорода (литий, присутствующий в морской воде и в соленых водах, находится во всех регионах мира. В настоящее время его цена составляет 59 долларов за килограмм, включая налоги). Это эпоха золота с точки зрения энергии (с дополнительной атомной бомбой чистого синтеза, недорогой, для всех). Если все это подтвердится, ни одна страна в мире не сможет утверждать, что обладает запасами лития планеты. Поскольку литий присутствует в морской воде, эти планетарные запасы, по сути, неограниченны.

Поскольку температура в сверхновой составляет 10 миллиардов градусов, и она, с помощью реакций синтеза, создает все атомы таблицы Менделеева (и их радиоактивные изотопы с разной продолжительностью жизни), если Z-машина "наполненная" когда-нибудь сможет достичь 10 миллиардов градусов, мы получим в лаборатории самые высокие температуры, которые природа способна создать в космосе. Этот скачок вперед представляет собой резкое изменение в ядерной физике и в нашей физике в целом.

Вот начало статьи Хейнса, Дини и других:

**Переведем заголовок **:

**Нагрев ионов в нестабильном магнитогидродинамическом сжатии, температура более 2 x 109 **K

Затем аннотация :

Наборы, состоящие из металлических проводов, сильно сжатые вдоль оси симметрии системы, являются самыми мощными источниками рентгеновского излучения в лаборатории на сегодняшний день. Но кроме того, в определенных условиях можно наблюдать энергию в виде "мягких" рентгеновских лучей, излучаемых в импульсе длительностью 5 наносекунд, в момент, когда достигается максимальное сжатие (стагнация)

, что соответствует энергии, превышающей начальную кинетическую энергию в 3-4 раза

. Теоретическая модель разработана для объяснения этого явления, предполагая, что оно связано с быстрым преобразованием магнитной энергии, которая нагревает ионы до очень высокой температуры, через явления магнитогидродинамических неустойчивостей типа m = 0, с быстрым ростом. Затем происходит нелинейное насыщение и вязкое нагревание газа ионов. Эта энергия, сначала переданная ионам, затем передается электронам посредством простого равнораспределения, столкновений ионов и электронов, и последние излучают "мягкие" рентгеновские лучи. Недавно были получены спектры в Sandia, эти измерения, охватывающие время, подтвердили ионную температуру 200 кэВ (2

градусов ), согласно с этой теорией. Таким образом, был установлен рекорд температуры для плазмы, удерживаемой магнитно.

Хейнс и его соавторы начинают с напоминания о сути проблемы. Мы не смогли объяснить, как энергия, выделяемая плазмой, может достигать 3 или 4 раз больше кинетической "входной", то есть суммы 1/2 mV2 атомов металла, запущенных друг против друга в направлении оси, где они в конечном итоге заканчивают свою дорогу, эта кинетическая энергия преобразуется в тепловую. При анализе данных, счет не сходится. Выходит больше энергии, чем входит в эту систему, и она должна где-то происходить. Хейнс думает о магнитной энергии. Что с этим?

Если рассмотреть линер, состоящий из проводов (240) и пропустить через него ток, можно рассчитать интенсивность магнитного поля, окружного, создаваемого другими проводами. Этот провод испытывает силу Лоренца J x B. Легко установить, что эта сила такая же, как и та, которая была бы вызвана полем, созданным линейным проводником, расположенным вдоль оси, и через который проходит весь ток (в эксперименте Sandia: 20 миллионов ампер).

Это также способ, которым можно рассчитать значение внешнего поля, с учетом гипотезы: что это поле можно считать созданным проводами бесконечной длины, что, конечно, не так. Это дает просто порядки величины. Эта магнитная энергия связана с магнитным давлением, которое, если выражено в ньютонах на квадратный метр, также соответствует джоулям на кубический метр. Магнитное давление - это объемная плотность энергии. Оценим ту, которая была бы создана линейным проводником бесконечной длины.

Можно, около пакета проводов, где можно приблизительно принять этот способ расчета поля, рассчитать локальную магнитную энергию между цилиндром радиуса r и цилиндром радиуса dr

Пусть rmin - минимальный радиус плазмы. Очевидно, не имеет смысла интегрировать это выражение от этой величины до бесконечности, поскольку оно действует только для линейных проводников, длину которых можно считать бесконечной. Но, записав:

мы видим, что чем ближе к оси системы собирается пакет металлических атомов, тем больше энергия, созданная в виде магнитного давления около объекта. Хейнс видит в этом источник энергии, способный увеличить температуру ионов, которые уже преобразовали свою кинетическую энергию в кинетическую энергию термического движения. Если V - радиальная скорость ионов в момент столкновения, в "стагнации", мы можем оценить эту скорость термического движения, просто:

Использование этой формулы предполагает, что "газ железных ионов" "термализован", то есть приобрел распределение скоростей Максвелла-Больцмана. Но, как покажет позже Хейнс, время релаксации в этом веществе очень мало.

tii, время релаксации в ионном веществе: 37 пикосекунд (Хейнс)

Добавим, что энергетическое взаимодействие с электронным газом также слабое. Кроме того, перераспределенная энергия может быть только в виде кинетической (энергия термического движения ионов и электронов). Эта формула, очень простая, поэтому действительна. Наконец, при условии, что газ ионов не питается другой энергией, и мы увидим позже, что это так.

Итак, с помощью скорости 1000 км/с мы действительно получим 2 миллиарда градусов. Когда система в импакции переходит от конфигурации "отдельных проводов" к конфигурации "плазменной короны"? Статья не говорит об этом. С линером радиусом 4 см и временем импакции 100 наносекунд мы получаем среднюю радиальную скорость 400 км/с, минимальную. Атом железа весит 9 10-26 кг, но если это скорость ионов в момент столкновения, мы все равно получаем 348 миллионов градусов. Это средняя скорость. Когда мы пишем дифференциальное уравнение движения, мы получаем значительное ускорение в конце. Также нужно учитывать, что разряд не имеет постоянной интенсивности. I растет со временем. У нас есть:

M представляет массу линера на метр. Мы видим, что в конце разряда и в конце пути ускорение растет. Скорость растет. Хейнс пишет:

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.

Взглянем на цитированные ссылки:

[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,

Ссылка (1) относится к 1997 году. Таким образом, с этого времени это необъяснимое явление уже наблюдалось. Дини - директор экспериментов Z-машин. Я не читал эти статьи. Если кто-то сможет отправить мне их в формате PDF, я смогу их просмотреть и дать дополнительные комментарии.

Перейдем напрямую к выводам статьи:

мощность вычисления

В заключение, кажется, что коротковолновые неустойчивости m = 0 МГД в условиях стагнации при низкой массе импакции приводят к быстрому вязкому нагреву ионов до рекордных температур свыше 200 кэВ. Такие температуры были измерены, энергия поступает от преобразования магнитной энергии в течение 5 нс. Ионы нагревают электроны, которые сразу излучают энергию. Кроме того, расширение спектральных линий, вызванное высокой температурой ионов, позволит большему излучению из-за уменьшения оптической плотности. Предложенный механизм дает правдоподобное объяснение нескольких явлений фундаментальной важности для динамики Z-сжатия, включая баланс давления в стагнации, отсутствие радиационного коллапса, значительный избыток рентгеновского излучения	В заключение, кажется, что коротковолновые неустойчивости m = 0 МГД в условиях стагнации при низкой массе импакции приводят к быстрому вязкому нагреву ионов до рекордных температур свыше 200 кэВ. Такие температуры были измерены, энергия поступает от преобразования магнитной энергии в течение 5 нс. Ионы нагревают электроны, которые сразу излучают энергию. Кроме того, расширение спектральных линий, вызванное высокой температурой ионов, позволит большему излучению из-за уменьшения оптической плотности. Предложенный механизм дает правдоподобное объяснение нескольких явлений фундаментальной важности для динамики Z-сжатия, включая баланс давления в стагнации, отсутствие радиационного коллапса, значительный избыток рентгеновского излучения

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

В заключение, кажется, что коротковолновые неустойчивости m = 0 МГД в условиях стагнации при низкой массе импакции приводят к быстрому вязкому нагреву ионов до рекордных температур свыше 200 кэВ. Такие температуры были измерены, энергия поступает от преобразования магнитной энергии в течение 5 нс. Ионы нагревают электроны, которые сразу излучают энергию. Кроме того, расширение спектральных линий, вызванное высокой температурой ионов, позволит большему излучению из-за уменьшения оптической плотности. Предложенный механизм дает правдоподобное объяснение нескольких явлений фундаментальной важности для динамики Z-сжатия, включая баланс давления в стагнации, отсутствие радиационного коллапса, значительный избыток рентгеновского излучения.

В заключение, кажется, что коротковолновые m = 0 МГД-неустойчивости при остановке в низком массовом сжатии приводят к быстрому вязкому нагреву ионов до рекордных температур свыше 200 кэВ. Такие температуры были измерены, энергия происходит от преобразования магнитной энергии в течение 5 нс. Ионы нагревают электроны, которые сразу излучают энергию. Кроме того, расширенные спектральные линии, возникающие из-за высокой температуры ионов, позволят большему излучению из-за уменьшения оптической плотности. Предложенный механизм дает правдоподобное объяснение нескольких явлений фундаментальной важности для динамики Z-пинчей, включая баланс давления при остановке, отсутствие радиационного коллапса и значительный избыток рентгеновского излучения.

В заключение, кажется, что коротковолновые m = 0 МГД-неустойчивости, возникающие при остановке в условиях низкой массы, производят быстрый вязкий нагрев ионов до рекордной температуры 200 кэВ (два миллиарда градусов). Такие температуры были измерены, преобразование магнитной энергии в кинетическую происходит в течение 5 наносекунд. Кроме того, явление расширения линий, связанных с высокой температурой ионов, позволяет большему излучению из-за уменьшения оптической плотности. Предложенный механизм дает правдоподобное объяснение различных явлений фундаментальной важности для изучения динамики Z-пинчей, включая баланс давления при остановке, отсутствие радиационного коллапса и значительный избыток рентгеновского излучения.

Уравнение (1) статьи цитируется как "соотношение Беннета", датируемое 1934 годом (упомянутое как представленное в ссылке (1)). Его можно восстановить без особого труда. Оно просто выражает, что магнитное давление равно давлению в плазме. Магнитное давление указано выше. Общее давление в плазме задается как сумма частичных давлений, составляющих вклад:

газа электронов ne k Te
и газа ионов ni k Ti

где k - постоянная Больцмана.

Если Z - степень ионизации

ne = Z ni

Если, кроме того, эти абсолютные температуры выражены в электрон-вольтах, а не в градусах Кельвина, с

k T = e V

то давление в плазме записывается как:

ni e ( Ti + Z Te )

Мы видим появление второго члена "соотношения Беннета". Более того, было установлено, что:

r - это минимальный радиус плазменного стержня, закрепленного вдоль оси. Беннет вводит тогда количество ионов на метр Ni.

Это дает (Беннет, 1934):

Это выражение замечательно тем, что минимальный радиус плазменного стержня не входит. Почему?

Когда плазменный стержень сжимается, магнитное давление, действующее на него, растет как обратный квадрат его радиуса. Но плотность ионов также растет тем же образом. Это компенсирует. То, что странно, это то, что значительная разница между ионной и электронной температурами не зависит от конечного радиуса плазменного стержня, который может быть таким маленьким, каким угодно. Есть дифференциальное уравнение, которое дает эволюцию радиуса r плазмы в зависимости от времени:

Можно рассчитать вид кривых (при условии, что известен закон роста тока I(t), который является "входом" проблемы. В принципе, в Z-машинах этот рост почти линейный, если не ошибаюсь). Снижение r усиливается. Я имею в виду, что скорость сжатия растет по мере уменьшения r. Если r станет нулевым, скорость сжатия станет бесконечной. Но, написав это уравнение, мы что-то забыли: давление, противодействующее сжатию. Нужно было это учесть. Это делает проблему сложнее, чем кажется. Это давление, противодействующее сжатию, зависит от ионной температуры. Однако мы не можем его моделировать, потому что, по словам Хейнс, его рост зависит от явления, которое мы не можем учесть: нагрев плазмы микропоисками МГД.

Вывод: нужно знать, когда остановиться при моделировании и прекратить учитывать все параметры. У нас есть формула:

но мы не знаем скорости V ионов в конце сжатия. Введение средней скорости (радиуса стержня на время сжатия) не имеет особого смысла, поскольку скорость растет в конце сжатия.

Хейнс ссылается на конкретный эксперимент Z-машины, Z1141, где масса стержня на метр составляла 450 мг проволоки из нержавеющей стали (4,5 10-5 кг/м), расположенной в двух концентрических коронах, первая с диаметром 55 мм, имеющая вдвое большую массу, чем вторая с диаметром 27,5 мм.

Позже Хейнс будет использовать значение Ni (количество ионов на метр) 3,41 1020. Масса атома железа составляет 9 10-26 кг, если я разделю 4,5 10-5 кг/м на эту массу, я получу 5 1020. Но он указывает, что во время сжатия 30% массы "потеряны в пути". Таким образом, мы получаем примерно его число.

Он указывает, что измерения электронной температуры показывают 3 кэВ в момент остановки, то есть 35 миллионов градусов. Он указывает, что ток был поднят до 18 мегаампер за 100 наносекунд. Он оценивает, что 30% массы "потеряны в пути", но 70% достигли цели. Действительно, это вытекает из всех этих исследований с проволочными стержнями (диссертация Бавея). Во время коллапса эти проволоки "испаряются", как кометы, испаряющиеся. Они оставляют "в своем следе" поток плазмы, масса которого может составлять от 30 до 50% массы проволок.

С Ni = 3,41 1020 ионов на метр и Z = 26 (железо), применим соотношение Беннета с единичным электрическим зарядом e = 1,6 10-19 (Кулон)

mo = 4 p 10-7 MKSA

Рассчитаем (Ti + Z Te):

что соответствует 3,44 миллиарда градусов. Когда диаметр плазменного стержня проходит через минимум, измерение ионной температуры составляет 270 кэВ, то есть 3,12 миллиарда градусов. С учетом диапазона ошибок это просто поразительно.

26 июня 2006

Как оценить ионную температуру в установке (J.P.Petit 27 июня 2006)

Вернемся к деталям вывода дифференциального уравнения, описывающего динамику элемента стержня, подверженного радиальной электромагнитной силе. Восстановим все это. Легко установить, что магнитное поле, созданное рядом проволок, расположенных в цилиндре, эквивалентно полю, создаваемому единственной проволокой, расположенной вдоль оси и через которую проходит весь ток. То есть:

Есть n проволок. В каждой проволоке проходит ток I/n. Эта проволока подвергается силе Лоренца, на единицу длины:

Обозначим M массу на единицу длины стержня. Пока проволока не испарена, дифференциальное уравнение получается, записывая:

где I зависит от времени, конечно. Но это данные уравнения.

Теперь заменим проволоку металлической парой. Более точно, заменим всю систему проволок цилиндром плазмы, "пинч". Этот цилиндр все еще проходит ток I. На поверхности мы можем рассчитать поле B, по той же формуле. Но мы также можем ввести силу давления, которая стремится остановить это сжатие. Это давление - ионное давление

Мы не можем контролировать это, потому что оно зависит от энергии, переданной ионам, в неясной форме, благодаря МГД-неустойчивостям, по словам Хейнса. У нас есть сила Лоренца, действующая на каждую "проволоку" или каждый сектор плазмы, который соответствовал сектору 2

/ n, который он занимал. Сила давления, действующая на этот сектор на единицу длины, составляет:

Я могу получить дифференциальное уравнение движения, записывая:

Мы имеем:

вводя в уравнение:

Поскольку мы не знаем, как эволюционирует ионная температура со временем, поскольку она зависит от этого внешнего источника энергии, мы не можем идти дальше, за исключением поиска значения ионной температуры, когда ускорение равно нулю, в "условии остановки", когда ускорение равно нулю, r" = 0. Тогда мы получаем:

Мы видим, что эта ионная температура (это порядок величины в грубом расчете), соответствующая "условию остановки", зависит от квадрата общей электрической интенсивности I и растет, когда количество ионов на метр уменьшается. Таким образом, при одинаковой массе и геометрии стержня, было бы выгодно использовать более тяжелые атомы, например, золото, как предложил бывший сотрудник DAM (отдел военных приложений), мягкое, легко обрабатываемое, в четыре раза тяжелее нержавеющей стали. С конфигурацией Z-машины Сандии можно было бы надеяться достичь температуры в десять миллиардов градусов с использованием золотой проволоки.

Но все же нужно, чтобы все параметры были контролируемыми, то есть чтобы мы знали "почему это сработало". Скорость сублимации материала может играть ключевую роль. Чем она ниже, тем дольше стержень останется в виде отдельных проволок, сохраняя осевую симметрию. Если скорость сублимации золота слишком высока, замена нержавеющей стали этим материалом может дать в противоположность плохие результаты. Но в любом случае, нужно попробовать. И, конечно, попробовать с повышенной интенсивностью. Что получат американцы с ZR, которая будет развивать 28 миллионов ампер вместо 20? Логично, что ионная температура тогда достигнет более высоких значений. Возможно, пять миллиардов градусов.

Если доверять этому выражению, которое дает тенденцию эксперимента, как параметры должны влиять на ионную температуру в конце сжатия, это указывает на то, что с установкой, идентичной Z-машине Сандии, генератор Грамата не сможет превзойти 50 миллионов градусов. Но другие установки могут быть рассмотрены. См. ниже.

26 июня 2006

Как оценить ионную температуру в установке (J.P.Petit 27 июня 2006)

где I зависит от времени, конечно. Но это данные уравнения.

= n

k T

/ n, который он занимал. Сила давления, действующая на этот сектор на единицу длины, составляет:

Я могу получить дифференциальное уравнение движения, записывая:

Мы имеем:

вводя в уравнение:

Вернемся к формуле Беннета. В эксперименте Сандии измеренная электронная температура Te (по излучению рентгеновских лучей) составляет 3 кэВ. С Z = 26 мы имеем:

Z Te = 78

Следовательно, давление не вызвано газом электронов! Остается уравновесить магнитное давление (соотношение Беннета) давлением ионов. Но им нужно быть при температуре 219 кэВ, то есть ... 2,54 миллиарда градусов! Действительно, нужно, чтобы:

Ti + 78 (измерено) = 296

Но это не все. До этих экспериментов Сандия проводила эксперименты с "газовыми пинчами", то есть "вдуванием газа" в центр системы и сжатием с помощью проволочного стержня.

Однако, в экспериментах с газовыми пинчами Z-пинч [9], в которых профили плотности и температуры были измерены при остановке, также наблюдается несоответствие в балансе давления, но с пока необъясненной высокой измеренной ионной температурой 36 кэВ.

Во всяком случае, то же несоответствие в балансе давления было найдено в экспериментах Z-пинч с газовыми пинчами (9), в которых профили плотности и температуры были измерены при остановке, но также с измеренной ионной температурой 36 кэВ (3 миллиона градусов), также необъясненной.

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

Еще раз, если бы читатель мог прислать мне pdf ссылки (9), я бы внимательнее рассмотрел это.

Хейнс исключает нагрев от сопротивления, простой эффект Джоуля, к которому обратился Йонас. Например, он указывает, что для нагрева пинча диаметром 2 мм до 3 кэВ (только 3 миллиона градусов) требуется 8 микросекунд!

Он видит только окружающее магнитное поле как возможный источник энергии. Тогда он предлагает привлечь нагрев ионов через МГД-неустойчивости с очень короткими длинами волн, которые затем приводят к равнораспределению, нагреву газа электронов в результате столкновений ион-электрон, и, в конечном итоге, это приводит к излучению энергии этими же электронами (через классическое тормозное излучение, или излучение торможения, то есть взаимодействие с магнитным полем).

Далее описывается природа этих упомянутых МГД-неустойчивостей. Это приводит к уравнению энергии, которое выглядит так:

k - это постоянная Больцмана, neq - частота столкновений. CA - это скорость Халфвена, Cs - скорость звука, a - минимальный диаметр плазмы. Но Хейнс пишет это уравнение иначе, помещая температуры в электрон-вольтах и заменяя эту частоту столкновений на ее обратную, среднее время свободного пробега teq.

Сравнивая с несбалансированными плазмами, например, с неоновой лампой в вашей кухне, вы заметите, что на этот раз температура ионов выше, чем температура электронов (в то время как в неоновой лампе наоборот: горячий газ электронов, холодный неон). Ниже уравнение для среды, не находящейся в равновесии, например, для простой неоновой лампы.

Первый член представляет нагрев газа электронов в результате эффекта Джоуля. J - это вектор плотности тока, а s - электрическая проводимость. Правая часть, из предыдущего уравнения, читается следующим образом. В знаменателе - среднее время свободного пробега электрона в неоне, обратное значение которого - частота столкновений. Когда электроны передают энергию ионам, они делают это с трудом, и в уравнение входит коэффициент, отношение масс.

Но когда ион ударяет электрон, эффективность передачи энергии равна единице. Таким образом, этот коэффициент отношения масс исчезает, или, точнее, равен ... единице. Хейнс затем выводит классическую формулу для расчета частоты столкновений электрон-ион. Мы находимся в "кулоновском режиме". В выражении присутствует эффективное сечение столкновений электрон-ион. Те, кто знаком с теорией газа, узнают это классическое выражение.

Часть, касающаяся возникновения МГД-неустойчивостей, довольно поверхностна, особенно потому, что параметр Холла ионов превышает единицу.

В этот параметр входит частота столкновений ион-ион.

Йонас написал мне, что "теория Хейнса хорошо объясняет это неравновесное состояние", но я в этом не уверен на 50%. Давайте скажем, что "объяснение" Хейнса остается очень начальным и сводится к двадцати строкам. Он предполагает, что эти неустойчивости влияют на ионы и вызывают в этом веществе вязкий нагрев.

Читатель, вероятно, задается вопросом, как выглядят эти неустойчивости и как они возникают. Диссипация в результате эффекта Джоуля, на единицу объема:

Рассматриваемые неустойчивости создают турбулентность плотности тока. Линии тока сжимаются, расширяются, снова сжимаются, по длинам волн, которые Хейнс оценивает в микронах или десятках микрон. Это микропоиски. Если локально плотность тока увеличивается, это сопровождается усилением магнитного поля, и наоборот. Это электромагнитная турбулентность, характерная для пинчей. Например, такая турбулентность наблюдается в ... молнии. Гроза длится недолго, но фотографии, сделанные во время рассеивания молнии, показывают капли плазмы, одна за другой. В этом случае газ (воздух) не полностью ионизирован. Когда происходит сжатие разряда, плотность тока увеличивается, температура электронов тоже. Разряд молнии - это электрическая дуга. Механизмы, происходящие в ней, сложны. Увеличение силы электрического тока приводит к увеличению выделения тепла в результате эффекта Джоуля. Плазменный filament расширяется и т.д.

Микропоиски, предложенные Хейнсом, являются "родственниками" этих неустойчивостей. Происходят микропинчи. Локальное значение плотности тока увеличивается, что, в свою очередь, увеличивает значение магнитного поля и магнитного давления вблизи. Это увеличение стремится усилить пинч. Это основа самопроизвольной неустойчивости плазмы, этой электромагнитной турбулентности. Тогда могут произойти ... множество вещей, которые можно теоретизировать только с помощью расчетов, которые Хейнс не проводил. Самое меньшее, что можно сказать, это то, что среда сложна. Допустим, до того, как неустойчивости начнут нагревать ионы плазмы, две температуры, электронная и ионная, равны, например, 20 миллионам градусов. Происходит пинч. Это приводит к увеличению электронной температуры. Это вызывает ли новые утечки электронов. Это зависит от "времени характерной ионизации". Опять же, данные, расчеты. Но, в отличие от неустойчивости Велихова, эта неустойчивость влияет на газ ионов, через "вязкость". Физически эти пинчи "встряхивают" ионы радиально.

Я уточняю, что в этих плазмах электрический ток - это электронный ток и не вызван током ионов. Эта плазма связана с металлическими электродами. Когда происходит пинч, магнитное поле усиливается и сила Лоренца, которая испытывается в первую очередь электронами, передает эту импульс ионам через столкновения. Это сужение пучка электронных линий тока создает радиальное электрическое поле, которое действует на ионы, тянув их в свою очередь. В этой неустойчивости наблюдается явление микротурбулентности, влияющее на газ электронов, который в свою очередь передает эти "тряски" газу ионов. Характерное время термализации в газе ионов очень мало (37 пикосекунд).

Затем он пишет уравнение энергии, касающееся газа ионов, включая в первый член вклад, связанный с вязким нагревом из-за неустойчивостей;

Характерное время, которое фигурирует в знаменателе второго члена, - это среднее время свободного пробега ионов под действием столкновений с электронами. Это "время равнораспределения", характерное время выравнивания двух температур, ионной и электронной. Хейнс оценивает его как "примерно 5 нс".

Обратите внимание, что это время равнораспределения включает отношение (mi / me). Чем оно длиннее, тем меньше связаны газ ионов и газ электронов. Для железных ионов это отношение составляет:

Очевидно, можно было бы задаться вопросом, можно ли считать, что в ходе этого процесса функция распределения скоростей в ионной среде является максвелловской. Хейнс обосновывает это, приводя значение времени релаксации термализации tii в этой среде, которое он оценивает как 37 пикосекунд. Поскольку это время мало по сравнению с временем равнораспределения, Хейнс делает вывод, что газ ионов термализован, максвелловский. Затем он использует вышеуказанную формулу с выбранными значениями, что приводит к длинам волн этих микропоисков МГД, составляющим от сотой до десятой доли миллиметра.

В этом выражении A - атомная масса железа (55,8), a - минимальный диаметр пинча, I - электрический ток, проходящий через плазменный стержень (не говорится больше о проволочном стержне: те, которые были, превратились в плазму).

Ключевое предложение:

Таким образом, для пинчей Z в состоянии остановки, если время равнораспределения

значительно больше, чем a / c

температура ионов значительно превысит температуру электронов.

Вернемся к эксперименту, взятому в качестве эталона. Хейнс принимает для диаметра плазменного стержня значение 3,6 мм. С этими значениями он получает "результат, который согласуется со значением 219 кэВ для ионной температуры (2,5 миллиарда градусов Кельвина)". Он напоминает, что в эксперименте Saturn (ссылка 3) этот же коэффициент в 3-4 раза был найден для соотношения между тепловой энергией ионов и кинетической энергией пинча, но тогда измерения ионных температур не проводились. Разница в том, что сегодня экспериментаторы имеют такие измерения, которые будут подробно рассмотрены позже.

Действительно, без этой искусственной настройки ни одна программа не смогла смоделировать эти эксперименты с такими большими диаметрами. 2D и 3D моделирование имплозий проволочных стержней в общем случае [9] требует, как входные параметры, знания длины волны и начальной амплитуды мод и значения сопротивления "вакуума", определяемого как место, где плотность плазмы падает ниже определенного значения. Кроме того, ни одна из текущих моделей не включает ионную вязкость (и тем более тензор напряжений) или достаточно мелкую сетку для моделирования коротковолновых неустойчивостей, предложенных здесь. Часто используется эвристический метод для предотвращения радиационного коллапса.

Эти слова смягчают это объяснение нагрева ионов за счет взаимодействия с окружающим магнитным полем.

Измерения ионной температуры по расширению линий, вызванному эффектом Доплера, были выполнены, а также во времени с использованием спектрометра с кристаллом LiF, расположенного на расстоянии 6,64 метра от пинча. См. статью для технических деталей по этому спектру. Ниже приведен спектр излучения:

В этом эксперименте, используя нержавеющую сталь, помимо линий хрома и железа, которые доминируют, также присутствуют линии марганца и никеля. Оценка температуры основывалась на линии железа при 8,49 кэВ и линии марганца при 6,18 кэВ. Измерения по этим линиям, хотя и слабее, менее подвержены влиянию оптической плотности.

Последующий текст обосновывает надежность этих измерений температуры, разница оценивалась в 35 кэВ. Ниже приведено изменение температуры, излучаемой мощности и диаметра пинча во времени.

Обратите внимание, что ошибки, связанные с тремя измерениями температуры ионов железа, не указаны на графике. Однако в статье указано:

Ошибка в 35 кэВ присваивается измерениям температуры из-за неопределенности в измерении ширины линий.

Систематическая ошибка в 35 кэВ присваивается измерениям температуры, из-за неопределенности в оценке ширин линий.

Авторы просто забыли их указать. Не стоит забывать, что их шестеро. Либо один занимается написанием, а остальные подписывают, либо каждый пишет свой кусок, и тогда статья получается как будто собранная кусками. Читателю решать. Поэтому мы добавим эти ошибки.

Видно, что точки измерения ионов железа находятся в ошибке измерения ионов марганца, и наоборот. На графике измерение температуры ионов железа возрастает с 200 до 300 кэВ, но так как эти измерения смешаны, не учитывая разницу температуры (35 кэВ) между популяциями ионов железа и ионов марганца (наверное, по правильному), авторы дают промежуточные значения от 230 кэВ (2,66 миллиарда градусов Кельвина) до 320 кэВ (3,7 миллиарда градусов). Мы действительно "более 2 * 109 Кельвинов", "более двух миллиардов градусов", и не просто немного, так как максимальное значение достигает 3,7 миллиарда градусов. Кроме того, учитывая форму кривой, возможно, что можно измерить более высокую температуру, если бы при повторном испытании, точно таком же, четыре доступных изображения были бы расположены на 5 нс позже. И если бы этот рост температуры, связанный с нагревом ионов, который пытается оправдать Хейнс, сохранился, то мы не говорили бы о двух миллиардах градусов, а о ... четырех (напомним, что в сверхновых температура достигает десяти миллиардов градусов).

Логично, учитывая надежность измерений температуры, авторы должны были назвать: "Была достигнута температура 3,7 миллиарда градусов", указав "рекордное значение", но они ограничились словами "более двух миллиардов градусов". Почему эта ... осторожность? Кроме того, заметим, что:

С 500 миллионами градусов, bingo для нейтральной (без загрязнения) литий-водородной фузии
С миллиардом градусов, bingo для нейтральной (без загрязнения) бор-водородной фузии
С четырьмя миллиардами, что? (специалистам по ядерной энергетике ответить)
Если однажды будет достигнута температура в десять миллиардов, то все реакции синтеза, приводящие к атомам из таблицы Менделеева, станут возможными. То есть весь спектр Генезиса.

Позвоните мне Богом...

Тот же график, отображающий эволюцию во времени, черная кривая средняя, выбранная в статье.

Видно, что диаметр плазмы проходит через минимум сразу перед t = 110 нс. Наблюдается излучение рентгеновских лучей в течение примерно 5 нс. Обратите внимание на максимальные значения температур, зарегистрированные. 300 кэВ (3,48 миллиарда градусов) для ионов железа и 340 кэВ (3,94 миллиарда градусов) для ионов марганца.

Примечание: Формула Беннета:

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

дает (см. выше) 2,5 миллиарда градусов для железа. Этот расчет относится к испытанию Z1141 (18 миллионов ампер. Линер 450 мг), а также к рисунку 1. Однако анализ и данные, представленные в этой статье, относятся к трем испытаниям (Z1141, Z1137 и Z 1386).

Мой комментарий:

Вернитесь к заголовку статьи Хейнса: " over 2 x 109 Kelvin ", что означает " более двух миллиардов градусов ". Тогда как в предыдущие годы эти системы достигали миллиона и половины, двух миллионов градусов и выше, вдруг машина ускоряется. Читатели могут удивляться отсутствию излучения от углерода. Но (Википедия) нержавеющая сталь аустенитного типа содержит мало (менее 0,15 %). См. рамку.

Аустенитные нержавеющие стали составляют более 70% общего производства нержавеющей стали. Они содержат максимум 0,15% углерода, минимум 16% хрома и достаточно никеля и/или марганца, чтобы сохранить аустенитную структуру при всех температурах от криогенной области до температуры плавления сплава.

Аустенитные стали (особая кристаллическая структура) составляют 70% производства. Они содержат максимум 0,15% углерода (...), минимум 16% хрома и достаточно никеля и/или марганца, чтобы сохранить аустенитную структуру при всех температурах, от очень низких, криогенных, до температуры плавления сплава

На графике представлены две кривые температуры для газа ионов железа и газа ионов марганца, которые, кажется, различаются. Но с одной стороны, диапазон ошибки, указанный для марганца, позволяет считать, что эти две температуры могут на самом деле быть очень близкими. С другой стороны, ион марганца, у которого практически та же заряд, что и ион железа (25 против 26), в два раза легче (30 против 58). Поэтому не исключено, что, подвергнутые МГД-неустойчивости, эти два газа, тесно связанные, могут между собой иметь (слегка: 12%) эффект неравновесия и иметь разные температуры.

Хейнс: диаметр плазмы достигает минимального значения 1,5 мм за 2 нс до максимального излучения рентгеновских лучей. Он оценивает, что в момент достижения этого максимума плотность и "равновесие" должны быть максимальными (я склонен читать "тенденцию к равновесию")

Попробуем "сказать" эти кривые. Что происходит?

У нас есть четыре точки измерения температуры. Одна исключена, для железа, вторая, из-за проблемы измерения. Это низкое число соответствует тому, что может захватить система записи. Это уже удивительно, не только иметь измерения температуры, но и иметь представление о их изменении во времени. Тем не менее, мы не имеем доступа к значениям до t = 105 нс и после t = 115 нс.

Текст говорит, что в момент "остановки" (стагнации) плазмы электронная температура достигла 3 кэВ, то есть 35 миллионов градусов. Это означает, что в момент, когда эта температура максимальна, она не будет больше, чем в сотую часть значения, достигнутого максимальной ионной температурой. Поскольку мощность излучения резко возрастает, нужно предположить, что до t = 105 нс она была гораздо ниже. Кажется, что эта температура резко падает в 9 раз к 115 нс. Но закон Стефана говорит, что излучаемая мощность изменяется как четвертая степень температуры. Поэтому уменьшение на самом деле составляет корень четвертой степени из 9, то есть 1,73. Это приводит к Te от 3 до 1,68 кэВ. Я рисую кривую, примерно так:

Черная кривая изменения электронной температуры. Красная кривая изменения излучаемой мощности (закон Стефана)

В t = 105 нс ионы уже горячие (температура порядка 200 кэВ). Поэтому этот механизм нагрева, который нужно разобрать, действует до остановки состояния плазмы, когда радиус минимальный, что происходит в t = 110 нс.

Схематически: плазма сжимается. Без этого дополнительного источника энергии, который нужно разобрать, но который Хейнс считает происходящим от преобразования магнитной энергии в тепло, плазма сожмется полностью, если температура ионов будет равна температуре электронов (менее 20 миллионов градусов до t = 105 секунд).

Но ионы получают это дополнение. Температура ионов увеличивается. Связь между газом ионов и газом электронов происходит в "характерное время равновесия" teq, которое Хейнс оценил в 5 нс. Поэтому время роста электронной температуры соответствует этому числу (от 107 до 112 нс).

Хейнс говорит, что этот процесс нагрева газа ионов достаточно, чтобы компенсировать магнитное давление, и что "условия остановки" действительно достигнуты, потому что характерная скорость, с которой радиус плазмы меняется, составляет только 15% от термической скорости ионов. Мы можем оценить термическую скорость ионов железа между минимальной и максимальной измеренными температурами.

Для минимальной температуры, 230 кэВ или 2,66 миллиарда градусов: < Vi > = 1066 км/с - Для максимальной температуры, 320 кэВ или 3,7 миллиарда градусов: < Vi > = 1258 км/с

Хейнс сравнивает эти значения со "скоростью расширения" плазмы и говорит, что она составляет 15% от этой величины. Каким бы образом мы ни оценивали, взяв точки на кривой, она остается ниже термической скорости, что, кажется, действительно указывает на то, что давление в плазме уравновесило магнитное давление.

После этого диаметр плазмы снова начинает расти. Почему? Потому что нагрев ионов продолжается. Мы можем попытаться рассчитать это расширение.

Есть одна вещь, которую я пока не понимаю: почему электронная температура падает, если газ электронов должен продолжать получать энергию от газа ионов, которые, в свою очередь, продолжают нагреваться, по крайней мере, в доступном временно-пространственном диапазоне.

Уточнение: какова термическая скорость в газе электронов, нагретом до 3 кэВ (35 миллионов градусов).

Предположим, что мы сможем пропустить 18 миллионов ампер через плазменный провод диаметром в полтора миллиметра. Какова величина магнитного поля на границе плазмы и соответствующее значение магнитного давления? (при условии, что мы рассматриваем провод как бесконечный, конечно)

27 июня 2006: **Во Франции, интересная идея. **

В другом разделе, посвященном машинам магнитокумуляции, вдохновленным машинами советских времен 50-х годов, мы видели принцип машины MK-1. Позже люди экспериментировали с нецилиндрическими, а коническими оболочками. Получается "эффект полой нагрузки". Масса оболочки, собираясь на ось, создает снаряд, летящий с большой скоростью. Я думаю, что были получены скорости 80 км/с. Нужно проверить. В любом случае, как мне заметил Виолент, можно рассмотреть Z-машины с проволочными оболочками, не цилиндрическими, а коническими. Тогда можно надеяться получить аналогичным образом эффект полой нагрузки. Можно придумать различные конфигурации. МГД - это поле для самых изобретательных решений. Ниже представлено устройство, состоящее из двух усеченных конусов с общей основой. Если оба плазменных снаряда образуются и вступают в столкновение, можно получить более высокие температуры, даже с машиной, такой как Грамат.

Нам остается только нарисовать это. Можно провести моделирование и, конечно, эксперименты.

Есть еще одна идея, которая появляется: скользить оболочкой по бикону. Идея не нова. Вот рисунок, соответствующий непрерывной оболочке:

имплюзия на бикон

**Достаточно просто перенести, с проволочной оболочкой. ** ---

**16 июля 2006. Какова величина параметра Холла bi = Wi tii для ионов? **

Хейнс, в своей статье, говорит, что она больше единицы. Этот параметр - отношение гирочастоты к частоте столкновений. Согласно Хейнсу, эта частота столкновений ионов в основном является частотой столкновений ион-ион. Ее обратная величина, время релаксации tii, задается как 37 пикосекунд. Это дает частоту столкновений:

nii = 3 1010

Гирочастота:

гироскопическая частота ионов

Это дает значение bi = 0,258 Z для параметра Холла для ионов, Z - это заряд иона (максимум 26, если ион полностью обнажен). Таким образом, как говорит Хейнс, параметр Холла больше единицы. Много работы для теоретиков, как мы.

laplace

Дополнительная информация (источник: http://www.sandia.gov/pulsedpower/prog_cap/pub_papers/023862p.pdf)

Характерный профиль тока в Z-машине:

Краткость этого роста тока (100 нс) позволила получить эти результаты на машине Sandia. Оказалось, что испарение проволоки происходило медленнее, чем ожидалось. Таким образом, эта структура "проволочной оболочки" могла сохраняться во время импульса, сохраняя осевую симметрию, которая исчезает сразу, когда объект, превращенный в плазменный занавес, начинает изгибаться под действием МГД-неустойчивостей. Когда пытаются сжать оболочку, состоящую из металлического цилиндра, получается примерно то же самое, что и если попытаться сжать цилиндр из бумаги в руке. Я думаю, что французы (машина Sphinx, статья, представленная в сентябре 21006 на конференции в Томске, Сибирь, минимальное время нарастания: 800 нс) не до конца поняли, что эта сторона вопроса критически важна, что сразу сказал мне Йонас по электронной почте в 2006 году.

17 февраля 2008: Уточнение по побочным реакциям, связанным с формулой B11 + H1

Бор имеет 5 электрических зарядов, водород - один. Углерод 6, азот 7.

Радиативное охлаждение плазмы происходит за счет тормозного излучения. Мощность излучения изменяется как квадрат электрического заряда. Мощность рентгеновского излучения, излучаемая электроном, вращающимся вокруг атома бора, поэтому в 25 раз выше, чем мощность, теряемая при вращении вокруг атома водорода (тяжелого или легкого, важна только заряд).

B11 + H1 дает C11 + n + 2,8 МэВ

Срок жизни углерода C11: 20 минут. Можно безопасно открыть камеру через 10 часов после остановки работы

B11 + He4 дает N11 + n + 157 кэВ

Защита: 20 см B10 или 1 м воды.

Радиоактивность, индуцированная в электроде из бериллия: 5 микрокюри в год (данные: конденсация Лернера)

Согласно Лернеру, в этой импульсной фузии используются МГД-неустойчивости. Его описание механизмов следующее. Электрический разряд "в виде зонтика" сначала стремится создать конденсации плазмы, похожие на "бульон зонтика". Затем эти нити свиваются вдоль оси, образуя плазменный жгут. Этот жгут, из-за неустойчивости Кинка, конфигурируется "как телефонный кабель". Затем в этой структуре формируются "самоограниченные плазмоиды" - горячие точки объемом менее кубического микрона. В этих плазмоидах магнитное поле имеет тороидальную топологию. Новое сжатие вдоль оси этого плазмоида-капли. И тогда, как говорит Лернер, происходят реакции синтеза.

18 марта 2008: Комментарий после публикации статьи в журнале Science et Avenir.

Журналист Давид Ларуссери опубликовал статью под названием "Достижения Z-машины" в выпуске марта 2008 года журнала, в котором он работает: Science et Avenirs. Он позвонил мне, спрашивая, где я мог прочитать, что эксперименты Sandia в 2005-2006 годах позволили превзойти, не два миллиарда градусов, а три. Я направил его к статье Хейнса от 24 февраля 2006 года, рисунок 3, где явно указано, что ионная температура выросла с 230 до 320 кэВ. Если я не ошибаюсь, 320 кэВ соответствуют температуре 3,68 миллиарда градусов.

Он не затрагивает в своей статье возможность нейтронной фузии бор-водорода, ограничившись упоминанием техники голограммы. В общем, этот прорыв в температуре плохо воспринимается в кругах, связанных, ближе или дальше, с проектом ИТЕР, где предпочитают молчать об этом, чтобы ограничить Z-машину преимущественно военными применениями. Действительно, если в будущем окажется, что будущее синтеза проходит через эти очень высокие температуры (миллиард градусов), то технологии Токамак не смогут следовать.

В своей статье Ларуссери передает, что он мог услышать из разговоров с Александром Чуватиным, из лаборатории физики и технологии плазмы (LPTP) Политехнической школы. Он передает эти слова, которые мы цитируем:

*- Не стоит торопиться с этими температурами. Они существуют только в течение слишком короткого времени и локализованы в нестабильных зонах. Это делает невозможным синтез, который требует одновременно высокой плотности вещества, достаточного времени удержания и высокой энергии. *

Согласно Ларуссери, Чуватин предложил объяснение аномалии, отмеченной Хейнсом в начале его статьи. Я цитирую, что подчеркивает Хейнс:

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] (даты ссылок: 1997-2002, показывают, что эта проблема не нова),* 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. *

Я признаю, что не могу понять замечание Чуватина. Важно то, что вытекает из формулы Беннета, которая просто говорит, что давление плазмы уравновешивает магнитное давление. Она приведена в статье Хейнса, и я подробно описал способ ее получения (очень ясный):

формула Беннета

Хейнс ясно указывает, что для того, чтобы плазма не была сжата, температура должна быть 296 эВ. Это новое, в статье 2006 года, это температура ионов, ранее вычисленная по этой формуле, измеренная по расширению линий и подтвержденная. Статья Хейнса в этом плане очень ясна.

Что подразумевает комментарий Чуватина, это то, что эти очень высокие температуры "могут интересовать только очень маленькие, и очень нестабильные зоны". Тогда мы думаем о "горячих точках" экспериментов Лернера, связанных с самоконфайнедными плазмоидами микрометрового размера. Если это идея, это означает, что только очень маленькие объемы будут затронуты такими высокими температурами. Но не стоит забывать, что температура - это также плотность энергии, в джоулях на кубический метр. Если эта температура касается только очень малых долей плазмы, по объему и массе, то давление должно быть вычислено на основе средней плотности энергии. И формула Беннета не будет удовлетворена.

Мне кажется проще, учитывая, что измерение температуры спектроскопией хорошо согласуется с формулой Беннета, заключить, что это повышение температуры имеет большие шансы затрагивать всю массу плазменного жгута, а не миниатюрные горячие точки.

Что касается осуществимости синтеза: мы, конечно, еще не на этом этапе, хотя синтез D-T уже рассматривается в США. Но несомненно, что Z-зажимы, такие как Z-машина, представляют собой очень интересный путь по сравнению с такими тяжелыми и проблемными направлениями, как ИТЕР или МЕГАДЖОУЛЬ, при этом имея стоимость на два порядка меньше и очень высокую гибкость. Жаль, что с момента публикации статьи Хейнса прошло две года, и в Франции не было никакой реакции, если не считать продолжения испытаний на эксперименте Sphinx, который нам кажется не соответствующим, как по техническим, так и по человеческим меркам, важности задачи: нейтронная фузия!

16 февраля 2009: После множества обменов с физиками горячей плазмы и людьми, работавшими над Z-зажимами, выделяются следующие выводы :

Эти среды остаются плохо изученными. По общему мнению, эти плазмы будут чрезвычайно турбулентными, возможно, местом микротурбулентности. Действительно, необходимо объяснить, откуда берется энергия, излучаемая в виде рентгеновских лучей, которая представляет собой что-то конкретное, измеренное, и превышающее в 3-5 раз кинетическую энергию, накопленную ионами металлов во время их движения к оси системы. Как мы видели, Малкольм Хейнс ссылается на МГД-неустойчивости, не описывая их. Затем упоминается слово "сферомаки", самоконфайнедные элементы, которые образуются в результате этой неустойчивости, и включающие замыкание магнитных линий на самих себе, по тороидальной геометрии. Размеры этих объектов: гипотетические. Люди, такие как Лернер (эксперименты Focus), используют слово "горячие точки". Измерения не показали достаточной пространственной и временной разрешающей способности для выявления этих явлений.

Хейнс оценил нагрев по эффекту Джоуля и пришел к выводу, что он недостаточен для объяснения измеренного повышения температуры. Но как понять это загадочное обменное взаимодействие между плазменным жгутом и тем, что его окружает, где давление магнитного поля составляет 90 гигабар, соответствующее магнитному полю в 4800 тесла? Когда Хейнс оценивает рассеяние по эффекту Джоуля, он предполагает, что плазма однородна. Электрическое поле приводит заряды в движение. Движение этих зарядов препятствует столкновениям с тем, что в плазме может быть препятствием. В вычислениях Хейнса это ионы различных видов, их эффективное сечение столкновения растет как квадрат их электрического заряда.

Турбулентность делает среду неоднородной на разных масштабах. В гидродинамике турбулентное рассеяние более диссипативно, чем ламинарное рассеяние. Возьмем пример профиля крыла самолета. Когда возникает турбулентность, сопротивление трения на стенке увеличивается. Пограничный слой становится толще. Внутри него диссипативные явления выделяют больше тепла. И все это происходит через явления микротурбулентности, незаметные невооруженным глазом.

Есть аналогия, когда думаешь о плазме. Ток, предполагаемый в оценке Хейнса, протекает однородно (простая рабочая гипотеза!), перестает быть ламинарным. Области микронеустойчивостей МГД становятся препятствием для тока. Есть увеличение сопротивления, первоначально отмеченное Кристианом Назетом. Кроме того, формирование таких сферомаков связано с хаотическим распределением температурного поля. Это идея Лернера. В плазме, температура которой в целом ниже критической температуры синтеза и условия Лоуизона не установлены (на макроскопическом уровне), эти условия могут временно присутствовать в этих малых объектах, о которых заранее неизвестно время жизни.

Оказывается, я провел целый день на лодке, около тридцати лет назад, с астрофизиком Фритцом Цвикки, изобретателем концепции сверхновой в 1931 году. Я вспомнил вдруг его гипотезу о "ядерных гномах", сферомаках до букв, которые он представлял себе, образующимися в центре Солнца, из-за МГД-неустойчивостей, о которых он говорил мне во время этой морской прогулки.

Вернемся к Z-зажимам. Нужно извлечь энергию где-то. У нас есть магнитная энергия, присутствующая вокруг плазменного жгута. Напомним, что давление (в данном случае магнитное давление) - это плотность энергии на единицу объема. Если происходит передача этой энергии в плазменный жгут, это будет происходить за счет этой электромагнитной окружающей энергии. Нет здесь никакой "магии". Микронеустойчивости, возникающие в плазме, увеличивают ее проводимость, создают дополнительное рассеяние и, уменьшая силу тока, уменьшают значение магнитного поля, существующего вне жгута. Взаимосвязь.

Я хорошо знаю электротермическую неустойчивость (Велихов). Это тип битемпературной плазменной турбулентности, проявляющийся в значительных колебаниях электронной температуры. С одной стороны, структурируя плазму как слоистую, с чередованием сильно и слабо ионизированных зон, это разрушает характеристики МГД-генераторов. Но с другой стороны, это показывает, как МГД-неустойчивость может создавать локально (здесь в плоских слоях) более горячие, более ионизированные зоны (явление сильно нелинейное). Гипотеза о возникновении горячих точек подразумевает другой сценарий возникновения микронеустойчивостей, теперь в 3D. В таких явлениях, очень нелинейных, колебания температуры и плотности могут быть значительными. Отсюда возможны "микро-синтезы".

Поэтому преждевременно заключать, что с системами, такими как Z-машина, мы "очень далеко от возможности реализовать синтез". Если рассуждать с однородной плазмой: да.

Перейдем к вопросу измерения температуры. Во-первых, что такое температура? В теории кинетики газа это измерение средней кинетической энергии для определенного вида. Среда может состоять из нескольких разных видов, каждый из которых имеет свою собственную температуру. Эти температуры могут сильно различаться. В люминесцентной трубке это электронная температура, которая значительно выше температуры ионов и нейтралов. Говорят о не-термической ионизации (где энергия поступает от электрического поля, ускоряющего электроны. Если это поле отключить, электроны теряют свою энергию в столкновениях: газ электронов охлаждается, и ионизация исчезает.

Нужно тогда рассчитать частоту столкновений электрон-газ. Обратная величина становится временем релаксации. Действительно, если оставить двухтемпературную среду саму себя, равновесие происходит со скоростью столкновений.

Полное термодинамическое равновесие - это равенство всех температур одной общей величине, и то, что распределения скоростей каждой частицы принимают форму распределения Максвелла-Больцмана (кривая Гаусса). Плазма Z-машины находится в состоянии обратного неравновесия, поскольку газ электронов холоднее, чем газ ионов. Если игнорировать энергию, связанную с МГД-неустойчивостями (микротурбулентность плазмы), энергия, которую нужно учитывать, является кинетической. Сила Лоренца действует на проволоки из нержавеющей стали, заставляя их сталкиваться друг с другом, в конечном итоге со скоростью 400 км/с. Эта сила действует на электроны. Ток, текущий по проволокам, электронный, а не ионный. Электроны тянут за собой ионы. Невозможно разделить эти популяции, как супругов, слишком хорошо связанных, на расстоянии, превышающем расстояние Дебая. Результат в том, что ионы и электроны собираются около оси симметрии с одинаковой скоростью. Но кинетические энергии различны. Легкие частицы несут меньше энергии.

Хейнс оценивает различные времена релаксации, связанные с различными типами возможных столкновений.

- Есть столкновения электрон-электрон

- Столкновения ион-ион

- Столкновения электрон-ион

Передача энергии между двумя частицами разной массы пропорциональна отношению массы более легкой частицы, деленному на массу более тяжелой. Внутри одного и того же вида эти обмены энергией максимальны, поскольку это отношение равно единице. Хейнс оценивает время взаимодействия в 37 пикосекунд. Кривые показывают время удержания плазмы в несколько наносекунд (около пяти). Я не знаю, какое время измерения температуры по расширению спектральной линии. Это, должно быть, указано где-то в статье Хейнса. Если сравнить время релаксации внутри одного и того же вида (электрон-электрон или ион-ион), то это время более чем на порядок больше времени релаксации. Это достаточно, чтобы утверждать, что ионные виды могут быть описаны функцией Максвелла-Больцмана.

Измерение по расширению спектральной линии усредняет эффект Доплера-Физо в "направлении взгляда", как говорят астрономы, то есть по радиальному распределению. И вот еще один способ отклонения от термодинамического равновесия: анизотропия. Но, скажете вы, может ли газовый среда иметь "термический вид", отличающийся в зависимости от угла, под которым ее рассматривают? Это происходит за волной ударной волны, настоящим "ударом молота", который передает атомам импульс сначала перпендикулярно волне, а затем быстро "термализуется", этот прирост скорости распределяется во всех направлениях в результате нескольких столкновений. Здесь также можно рассмотреть время релаксации. Судя по всему, я склонен считать, что эта анизотропия должна быть пренебрежимо мала. Но и здесь, любые выводы основаны на предположениях о природе изучаемой среды на микроскопическом уровне. Он добавляет также магнитное поле и его локальные и временные флуктуации, привет!

Какую надежность можно придать измерениям температуры по расширению спектральных линий? Не измеряется ли температура подмножества: тех... горячих точек? Известно, что излучаемая мощность следует закону Стефана, пропорциональной четвертой степени температуры источника. Дилемма.

Вот здесь нужно обратиться к уравнению Беннета, к неимплозии плазменного шнура. Его радиус проходит через минимум. В этот момент давление ионов должно уравновешивать магнитное давление, что говорит о температуре 300 кэВ. Возьмем манометрическую капсулу. Она дает нам значение давления, интегрируя очень большое количество столкновений частиц с ее поверхностью. Здесь уже не речь о законе Стефана. Давление в смеси — это сумма частных давлений. И давление также является плотностью энергии на единицу объема. Если уравнение Беннета дает нам 300 кэВ, это дает среднее значение энергии частиц. И это соответствует более чем трем миллиардам градусов Кельвина, горячие точки или не горячие точки.

Я знаю, что все это довольно запутано. Возьмем пример люминесцентной трубки. Холодный газ, горячие электроны. Выполним измерение температуры по спектроскопии (в люминесцентной трубке свет излучается не газом, а люминесцентным покрытием, покрывающим внутреннюю часть оболочки). Излучение газа находится в УФ. Можем ли мы заключить, что этот газ имеет температуру 10 000°? Нет, это электроны, которые находятся при этой температуре. Если бы не уравнение Беннета, мы могли бы подумать, что наше измерение температуры по расширению спектральных линий смещено.

Все это заставляет нас сделать вывод, что есть много зерна для помола. Я рекомендовал (vox clamans in deserto) разработку европейского проекта Z-pinch. Если LMJ не даст ожидаемых результатов, придется быстро перейти к чему-то более дешевому.

**Последнее замечание. **

Когда я был на конференции по импульсной высокой мощности в Вильнюсе, Литва, в сентябре 2008 года (где я представил три сообщения, см. http://www.mhdprospects.com), я сразу же, с первого дня, оказался лицом к лицу с американцами Матценом и Маки, первый из которых отвечал за эксперимент ZR в Sandia, а второй — его помощник. Я был очень удивлен, когда они сразу улыбнулись, когда я спросил их о ZR и сразу сказал:

- Статья Хейнса 2006 года? Он ошибся, температура была ниже на порядок! - Но все же есть эти сильные расширения спектральных линий .... - Израильтянин Йитзиак Марон пересмотрел все это и пришел к выводу, что Хейнс неправильно интерпретировал эти спектрограммы. - Это было опубликовано? - Нет, мы не сделали этого, чтобы не обидеть этого добродушного Малкома (...)

Вечером, когда я настаивал, Маки встал перед консолью и сказал:

*- Я отправлю Марону электронное письмо, перед вами, и завтра мы получим его объяснения. *

На следующий день я встретил Маки:

- Так, эти объяснения Марона? - Хмм... мы предпочли бы не публиковать это сейчас; - Но вы хотя бы дадите мне прочитать его письмо ..... - Это то, что ... он ответил по телефону (....)

Последовали неясные и малоубедительные объяснения.

Два дня спустя Матцен представлял, на сцене, прогресс ZR, акцентируя внимание на простых аспектах крупной технологии, с красивыми фотографиями. Именно тогда я узнал, что эксперименты по получению льда VII не были получены имплюзионной компрессией, а были получены взрывной компрессией, с другим экспериментальным сценарием, где ток проходит как "зонтик", то есть с подачей по массивному осевому столбу и возвратом по оболочке из проводов, к которой прикреплен материал для сжатия, снаружи. Ничего общего с предыдущими экспериментами. В конце своего выступления я попросил микрофон и сказал:

Мы имели, в предыдущие дни, обсуждение, где вы оспорили анализ Хейнса измерений температуры, выполненных на Z-машине, по спектроскопии и опубликованных в 2006 году в Physical Review D. По вашему мнению, температура ионов была как минимум на порядок ниже. Вы сказали, что Йитзиак Марон, из Института Вейсмана в Иерусалиме, пришел к этому выводу. Поскольку это важно, вы можете прояснить наши сомнения?

Матцен:

- Хмм... это хороший вопрос

Потом минута молчания, которая была прервана председателем сессии.

Вернувшись в Брюссель, я отправил электронное письмо израильтянину Марону, который ответил мне неясно, не ответив на мои вопросы, говоря самое высокое о Хейнсе. Он сказал мне, что должен присоединиться к Sandia в ближайшие дни.

Я отправил другое письмо Герольду Йонасу, научному директору Sandia, который сразу же ответил мне очень кратко.

*- Да, это тоже загадка для меня. Я попрошу Матзена прояснить эту историю. *

С конца октября 2008 года — полная тишина.

18 февраля 2008: О нейтронно-свободном термоядерном синтезе

В реакции синтеза два ядра должны быть приближены на достаточно малое расстояние, чтобы могла произойти ядерная реакция. Ядерная физика в этом аспекте аналогична миру химии. Радиоактивность, естественная или вызванная, означает просто, что ядра нестабильны. Деление — это самопроизвольная реакция расщепления, дающая ядра с меньшими массами, чем исходное. В распадах урана-235 или плутония-239 продукты этой самопроизвольной деградации имеют массы, близкие к половине массы исходного ядра.

Излучаются нейтроны, которые могут, вступая в столкновение с другими ядрами урана-235 или плутония-239, вызывать новые расщепления, индуцированные этими столкновениями. Тогда можно говорить о самокаталитическом расщеплении. Ядра имеют эффективное сечение захвата. Зная его, можно вычислить критическую массу. Это масса сферы, радиус которой приблизительно равен среднему свободному пробегу нейтрона относительно его столкновения с ядром делящегося вещества.

Можно уменьшить эту критическую массу, увеличивая плотность ядер, при сжатии, которое в бомбах обеспечивается химическим взрывом.

Пусть у нас есть газ при абсолютной температуре Т. Если это среда сильно столкновительная (то есть, если среда находится в состоянии очень близком к термодинамическому равновесию со статистикой Максвелла-Больцмана), среднее значение скорости теплового движения этих элементов будет определяться формулой, указанной ниже. Несколько рисунков и формул позволяют понять, в схематичной форме, понятие эффективного сечения столкновения (приводящего здесь к ядерной реакции) и частоты столкновения (ядерной реакции, рассматриваемой). Здесь мы уменьшаем скорость ионов массы m до среднего значения . Рассматривается, что все, что сметается в "сетке", состоящей из эффективного сечения, приводит к вероятности реакции, равной единице, и что для того, что вне, эта вероятность равна нулю.

частота столкновения

**Частота столкновения, характерное время реакции **( синтез )

Но недостаточно, чтобы частота столкновения была достаточной, чтобы характерное время реакции было меньше времени удержания. Также необходимо, чтобы температура ионов была достаточно высокой, чтобы они, двигаясь со скоростью, центрированной на средней скорости , могли преодолеть кулоновский барьер, притягивающий, который противостоит приближению двух положительно заряженных ионов. Это приводит, для смеси дейтерий-тритий D-T, к температуре, находящейся между 100 и 200 миллионами градусов, температуре, которую физики обычно оценивают в килоэлектронвольтах, кэВ, по формуле

eV = kT

e — электрический заряд электрона, 1.6 10-19 кулон

k — постоянная Больцмана = 1.38 10-23

Таким образом, один электрон-вольт соответствует (e/k) градусам Кельвина, то есть 11.600 ° K

Поскольку мы рассуждаем, манипулируя порядками величин, мы приравниваем электрон-вольт к температуре 10.000°K. Таким образом, эта ионная температура должна находиться между 10 и 20 кэВ.

Чтобы реакции синтеза могли начаться, необходимо, чтобы были выполнены условия Лоуизона.

расчет Лоуизона

Эта функция L зависит от температуры плазмы. Эффективное сечение Q(V) зависит от относительной скорости ядер и, следовательно, от средней скорости , то есть от температуры ионов.

Кривая Лоуизона

Кривая Лоуизона

Реакция дейтерий-тритий является нейтронной. Давно известны реакции, которые не являются такими. См. Нейтронно-свободный синтез.

Только небольшое количество реакций синтеза происходит без излучения нейтронов. Вот те, которые имеют наибольшее эффективное сечение.

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

Первые две используют дейтерий как топливо, но некоторые вторичные реакции 2D-2D производят несколько нейтронов. Хотя доля энергии, переносимой нейтронами, может быть ограничена выбором параметров реакции, эта доля, вероятно, останется выше порога 1%. Поэтому трудно рассматривать эти реакции как нейтронно-свободные.

На последней реакции сосредоточены усилия. Если упомянутая реакция не производит нейтронов, вторичные реакции, тем не менее, являются нейтронными. Если мы основываемся на времени релаксации, рассчитанном Хейнсом, если существует разница температуры в 100 раз между газом электронов и газом ионов (этот был в состоянии "неправильного равновесия", более горячий), мы все равно можем считать, что ионная популяция находится в состоянии, близком к термодинамическому равновесию, вокруг своей собственной температуры, что является термической плазмой. Тогда у нас есть следующие нейтронные реакции:

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

11B + p+ → 11C + n0 - 2,8 Mev (экзотермическая)

Этот изотоп углерода имеет период полураспада 20 минут.

Некоторые оценили энергию, выделяемую этими реакциями, в 0,1 % от общего.

Также есть реакция, производящая гамма-лучи:

11B + p+ → 12C + n0 + γ 16 MeV

Эта реакция имеет вероятность 10-4 по сравнению с реакцией, дающей альфа-частицы

Наконец, есть нейтронные реакции бор-дейтерий или дейтерий-дейтерий:

11B + 2D → 12C + n0 + 13,7 MeV

2D + 2D → 3He + n0 + 3,27 MeV

, которые можно устранить, используя изотопически чистое топливо.

Основным компонентом защиты будет вода для замедления быстрых нейтронов, бор для поглощения этих нейтронов, и металл для поглощения рентгеновского излучения с общей толщиной порядка метра;

Температура, необходимая для запуска реакций бор-водород, в десять раз выше, чем у смеси дейтерий-тритий. Кроме того, есть вопрос о оптимальной реактивности. Для последней смеси она находится около 66 кэВ (730 миллионов градусов). Для бор-водорода это приводит к 600 кэВ (6 миллиардов градусов). Однако мы видели, что достижение очень высоких температур возможно с помощью Z-машины, отмечая, что максимальная температура, достигнутая, растет как квадрат тока. Согласно этой логике, температура, которую могла бы достичь ZR, составляет 9 миллиардов градусов.

Нет никакой информации о производительности этой машины с момента ее ввода в эксплуатацию

На этом этапе следует избегать чрезмерных утверждений, в любом направлении. Горячая плазма Z-машины не является плазмой Токамака. Добавим, что эта гипотеза "горячих точек" в настоящее время не поддается теоретическому описанию. Мое личное мнение: вместо бесконечных аргументов, было бы лучше оставить слово природе, то есть провести эксперименты. Уточнение, что стоимость Z-машины в два порядка величины ниже, чем у гиганта термоядерного синтеза, такого как ИТЕР. Кроме того, машина обладает гибкостью, которой не обладает последний. В начале 2008 года я встретился в Министерстве науки и промышленности с Эдуардом де Пире, молодым нормандцем, научным советником Валерии Пекрес. Когда я его встретил, он сразу признался, что не имел времени ознакомиться с отчетом, хотя он был кратким и ясным, который я ему отправил. Я передал копию письма, которое Смирнов предложил отправить, при условии наличия имени получателя. Я просил де Пире обратиться к своей начальнице, чтобы узнать, примет ли она имя на этом письме, как получателя.

Это предложение осталось без ответа. То же самое для запроса на финансирование моего участия в международной конференции по импульсной высокой мощности в Вильнюсе, Литва, где я в конечном итоге пришлось платить за поездку в сентябре 2008 года.

Следует отметить, что подход Z-pinches не указан в недавно опубликованном маршруте, который министр представила. Я оставляю читателю возможность выразить свои собственные гипотезы относительно неудачи моей инициативы.

Я думаю, что европейцы должны как можно скорее создать исследовательскую группу, тесно сотрудничая с русскими, которые являются мастерами в этом деле. Было бы уместно, и даже срочно, вложить немного денег и построить машину с гражданскими целями, доступную всем, установленную в каком-либо "нейтральном" стране (в техническом и научном смысле, разумеется). Z-машина Франции, машина Сфинкс, установленная в Грамате, в департаменте Лот, не улучшаема. С временем разряда 800 наносекунд эта машина слишком медленная. Я также думаю, что было бы большой ошибкой поместить этот проект под покровительство военной безопасности, по различным причинам. Конечно, через такой подход появление чистых термоядерных бомб становится "неправдоподобным". Русские мастерски управляют импульсной высокой мощностью, когда начальная энергия — взрывчатка. Периодически западные страны обнаруживают, часто с удивлением, новую идею, рожденную за Уралом, которая полностью меняет ситуацию, как, например, генераторы дисков.

Производство очень сильных токов осуществляется за счет сжатия, с помощью взрывчатки, полости, в которой создано сильное магнитное поле. Но химические взрывчатые вещества вызывают ограниченные скорости импульсного сжатия. Если разделить характерный размер камеры на эту скорость, мы получаем времена, которые трудно снизить ниже нескольких микросекунд. Это слишком медленно для формулы, вдохновленной Z-машиной, где это время не может превышать 100 наносекунд. В классической системе мощность разряда растет с объемом камеры. Русские обойшли проблему, просто придав ей форму ... гармоники. Представьте гармонику, внешняя часть которой погружена в взрывчатку, залитую прямо в камеру. Общий объем может быть значительным, в то время как толщина, которую нужно сжать, остается небольшой в каждой из этих ячеек. Этот аспект упомянут в английской версии Википедии.

Военные страшно боятся "распространяющегося" аспекта такой технологии, где запуск реакций синтеза больше не проходит через технологически тяжелый этап обогащения изотопов. Но что делать? Ничего? Наша планета на грани краха из-за нехватки энергетических ресурсов. Скажите китайцам и индусам, что они должны экономить!

Выбор политический, на глобальном уровне. Последнее замечание относительно ИТЕР и Мегаджоуля:

Жиль де Женн, до своей смерти, был одним из тех, кто указал на множество аргументов, делающих проект ИТЕР проблематичным, если не считать его социальной программой или способом для тысяч исследователей, инженеров и техников, чтобы провести всю свою карьеру в одной из самых красивых регионов мира, наиболее удобно расположенных. Де Женн был очень скептичен по поводу того, сможет ли сверхпроводящий магнит ИТЕР, расположенный ближе всего к плазменному кольцу, выдержать длительное воздействие нейтронного облучения. Он указал, что никаких предварительных исследований не было проведено в этом отношении, что было бы легко сделать, на масштабе моделей, размещённых в потоке нейтронов. Но результат мог бы привести к немедленному прекращению строительства этой настоящей католической церкви для инженеров.

Второй момент: плазмы синтеза столкновительны, это термические плазмы, близкие к термодинамическому равновесию. Распределение скоростей ионов поэтому имеет вид Максвелла-Больцмана, с хвостом распределения Больцмана, заполненным быстрыми ионами:

хвост распределения Больцмана

**Быстрые ионы в хвосте распределения Больцмана **

Эти ионы неизбежно преодолеют магнитное поле конфайнмента. Ударяясь в стенки и различные объекты, составляющие камеру, они оторвут тяжелые атомы.

загрязнение плазмы ИТЕР

**Загрязнение плазмы термоядерного реактора токамака, связанное с отрывом тяжелых ионов от стенки **

Эти, сразу ионизируясь, и приобретая заряд Z, подвергаясь также эффектам градиента магнитного давления, присоединятся к ядру плазмы, загрязняя ее. Однако потери излучения, связанные с взаимодействием электронов плазмы и ионов (тормозное излучение или брэмстрахлунг), растут как квадрат электрического заряда ионов Z.

Потери из-за тормозного излучения

**Радиационные потери при взаимодействии электронов-ионов **( тормозное излучение )

Ни у кого нет представления, как предотвратить загрязнение плазмы этими тяжелыми ионами, или как очистить ее. Рост радиационных потерь снизит температуру и паровая машина третьего тысячелетия задохнется. Когда я поднимал этот вопрос на публичных встречах с людьми ИТЕР, их единственная реакция была:

*- Это хороший вопрос..... *

Если спросить, позволит ли машина ИТЕР получить реакции синтеза с высокой и устойчивой скоростью, возможно, ответ будет положительным, на коротких временных масштабах. Но если вопрос в том, "этот тип машины в конечном итоге сможет ли привести к рабочему реактору и решить проблемы энергетических потребностей человечества?" , я думаю, что ответ должен быть отрицательным.

Я сделаю еще одно замечание, касающееся этой импульсной фузии. Она подходит для прямого преобразования. Плазма синтеза расширяется. Если это происходит в магнитном поле, как число Рейнольдса очень велико, происходит "сжатие потока" и индуцированный ток. КПД: 70%. Нет подвижных частей. Почему усложнять жизнь с теплообменником, паровой турбиной. Почему не использовать лопастную турбину, пока мы на этом? Я верю в "два такта с синтезом", в конечном итоге. Есть другие решения, чем Z-пинч для этой импульсной фузии. Мы коснулись только вопроса.

В природе существуют системы, реализующие импульсную фузию. Это квазары. Я не думаю, что энергия приходит "от аккреции в гигантскую черную дыру". Совместные колебания метрик двух двойных вселенных создают ударную волну, направленную внутрь, в межзвездном газе галактики. Я уже описал это в "Мы потеряли половину вселенной", опубликованной в 1997 году в Albin Michel. Строгое медиа-отклик. Газ сжимается на своем пути, становится нестабильным. Формируются молодые звезды, которые, излучая в УФ, ионизируют этот межзвездный газ. Число Рейнольдса магнитного поля растет, и газовая волна приводит к линиям магнитного поля галактики (замороженным), как фермер сжимает колосья пшеницы. Коллапс заканчивается маленькой плазменной сферой в масштабе галактики, где условия Лоуизона достигаются в массе, а не в ядре, как в звезде. Отсюда эти объекты, "такие маленькие, как звезды, излучающие столько, сколько галактика". Плазма затем выбрасывается в двух лобах, следуя направлению магнитного дипольного поля. Градиент магнитного поля ускоряет заряженные частицы на расстоянии в сто тысяч световых лет. Таким образом, формируются "космические лучи" в этих природных ускорителях частиц большого размера.

Когда совместные колебания метрик приводят к ослаблению конфайнмента, галактика... взрывается. Это "неправильные галактики", о которых знаменитый английский астрофизик сэр Джеймс Джинс (открывший нестабильность, к которой он привязал свое имя, а также уравнение, описывающее ее) сказал:

*- Формы, часто невероятно изуродованные, некоторых галактик заставляют думать, что они являются местом колоссальных сил, о которых мы ничего не знаем. *

Касательно установки LMJ (Лазер Мегаджоуль), никогда не говорилось нигде, кроме повторения привычных фраз ("солнце в колбе", "область исследований для астрофизиков"), что это инструмент для военных инженеров, вписывающийся в попытку решить проблему энергетических потребностей планеты.

Вернуться к Гиду Вернуться на главную страницу

Более двух миллиардов градусов! Анализ статьи Малкольма Хейнса (апрель 2006 г.)

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

Mots-clés