Hơn hai tỷ độ! Phân tích bài viết của Malcom Haines (tháng 4 năm 2006)

Hơn hai tỷ độ! Phân tích bài báo của Malcolm Haines (tháng 4 năm 2006)

Hơn hai tỷ độ!
Bài viết của Malcolm Haines

Được đăng ngày 24 tháng 2 năm 2006 trên Physical Review Letters

Cập nhật ngày 16 tháng 7 năm 2006 (dữ liệu dưới đường cong tăng dòng điện trong máy Z)

****Cập nhật ngày 18 tháng 3 năm 2008. Sau khi một bài báo được công bố trên tạp chí Science et Avenir

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

Máy Z của Sandia

Đường cong tăng nhiệt độ

Mảng dây

Laplace

Cái lồng chim

Hình thành lớp vỏ

Nén nổ trên bi-côn

Sự thay đổi vận tốc trong lớp vỏ dây

Đối với người không chuyên

Người đọc hỏi liệu nhiệt độ ion vượt quá hai tỷ độ này có thực sự được đo đạc hay không. Câu trả lời là có. Tuy nhiên, một hiện tượng gây bối rối đã được ghi nhận từ năm 1998 trong các thí nghiệm nén plasma sử dụng máy Z. Các thí nghiệm này đã thử nhiều cấu hình khác nhau. Ví dụ, khi "lồng chim" bị nén lại, người ta phun một "bơm khí" (một "đợt khí") ngay chính giữa, nơi bị nén chặt. Phát xạ tia X cho phép đo nhiệt độ điện tử. Một plasma là hỗn hợp của "hai thành phần": các ion nặng và các electron nhẹ. Trong một "plasma sắt", tức là sắt đã bị ion hóa, các hạt nhân

(56 nuclon, 26 proton) nặng gấp 100.000 lần so với electron (các hạt nhân gồm các "nuclon" có khối lượng rất gần nhau: proton và electron. Một electron nhẹ hơn proton khoảng 1850 lần).

Một bóng đèn neon cũng chứa "hai thành phần này": electron và ion neon (dù trong trường hợp này, chúng chưa bị tách hoàn toàn khỏi "vỏ electron" của mình). Khi bóng đèn hoạt động, nó chứa một hỗn hợp "hai nhiệt độ" nơi mà khí gồm các nguyên tử, các ion neon vẫn lạnh. (bạn có thể chạm tay vào bóng đèn), nhưng "khí electron" lại rất nóng, đạt tới 10.000°C. Tại sao bạn không cảm thấy nóng khi chạm tay? Vì các electron, những kẻ bất hạnh, quá kén chọn để truyền năng lượng, nhiệt cho bạn. Tuy nhiên, chúng có đủ năng lượng để kích thích lớp phủ huỳnh quang bên trong bóng đèn thông qua va chạm. Đó là lý do tại sao chúng được gọi là

bóng đèn huỳnh quang.

Huỳnh quang là khả năng hấp thụ bức xạ và phát lại ở tần số khác. Ví dụ, fluorescein hấp thụ ánh sáng mặt trời và phát ra ánh sáng màu lục. Áo sơ mi bằng nylon có thể hấp thụ bức xạ tử ngoại và phát ra ánh sáng nhìn thấy được (đó là "ánh sáng đen" trong các quán bar sành điệu)... v.v. Lớp phủ trắng bên trong bóng đèn neon bị bắn phá bởi các electron có năng lượng tương ứng với vùng tia cực tím, nhưng khi va chạm với các chất cấu thành lớp phủ, chúng gây ra phát xạ ánh sáng nhìn thấy được. Lớp phủ được chế tạo sao cho ánh sáng phát ra gần nhất với ánh sáng nhìn thấy. Nhưng điều đó chưa hoàn toàn đúng. Đó là lý do vì sao ánh sáng từ đèn neon trông "lạ lẫm" đến vậy.

Điều cần ghi nhớ là có thể tồn tại các môi trường "hai nhiệt độ". Lý do cho tình trạng này là trường điện trong bóng đèn, liên quan đến việc đặt điện áp vào các điện cực, truyền năng lượng chủ yếu cho electron, những electron này lại truyền năng lượng cho ion thông qua va chạm. Tuy nhiên, do quá trình truyền năng lượng giữa khí electron và khí ion kém hiệu quả, nên có thể xảy ra sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn. Điều này đặc biệt do môi trường rất loãng. Nếu bóng đèn rò rỉ và áp suất tăng lên, "tình trạng không cân bằng" này sẽ biến mất ngay lập tức. Khí electron bị liên kết mạnh với ion, làm lạnh nhanh chóng. Khi đó, các electron, ít "xao động" hơn (nhiệt độ tuyệt đối trong khí tương ứng với chuyển động xao động nhiệt), trở về yên lặng trên các nguyên tử, chúng tái trung hòa.

Thí nghiệm trên máy Z đã dẫn đến một tình huống rất kỳ lạ. Có hai thành phần hiện diện:

Khí electron
Khí ion (trong thép không gỉ, chủ yếu là các hạt nhân sắt mang điện tích dương)

Khi con người, kể từ năm 1998, cố gắng giải thích các phép đo của họ, họ chỉ có thể tiếp cận nhiệt độ điện tử bằng cách đo bức xạ tia X phát ra. Tại sao khí electron lại là nguồn chính của bức xạ này trong các thí nghiệm này? Vì xung quanh plasma là một từ trường rất mạnh. Khi các electron, bay với vận tốc 40.000 km/s, đi vào vùng có từ trường mạnh này, chúng bị xoắn theo đường xoắn ốc. Khi đó chúng "la hét", phát ra "bức xạ hãm". Chính bằng cách đo bức xạ tia X phát ra này, các nhà thí nghiệm đã đo được nhiệt độ của khí electron: 35 triệu độ trong các thí nghiệm mà bài báo đang trình bày.

Tuy nhiên, bằng các công thức (mối quan hệ Bennett), nếu họ cố gắng đánh giá nhiệt độ mà các ion sắt phải có để cân bằng áp suất từ trường cực lớn bên ngoài plasma, họ buộc phải thừa nhận rằng nhiệt độ này phải rất cao. Ngay từ năm 1998, bất kể thí nghiệm nào được thực hiện, sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai thành phần này luôn hiển nhiên. Những giá trị cao như vậy là cần thiết để plasma không bị nén ngay lập tức bởi áp suất từ trường. Ta thấy rằng điều này gợi ý một trạng thái không cân bằng (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, mọi nhiệt độ của các thành phần trong hỗn hợp khí đều bằng nhau), một tình trạng hai nhiệt độ ngược lại với bóng đèn neon, nơi lần này chính khí ion lại nóng hơn khí electron.

Lưu ý đơn giản: điều gì tạo nên "cân bằng nhiệt động lực học"? Đó là sự trao đổi năng lượng giữa các hạt thông qua va chạm. Năng lượng ví dụ là năng lượng động

. Tại sao chỉ số i? Vì plasma là hỗn hợp của nhiều loại thành phần, v

là vận tốc xao động nhiệt và

là "vận tốc trung bình bình phương". Như vậy

là

năng lượng động trung bình

trong thành phần đang xét. Đây chính là định nghĩa của nhiệt độ tuyệt đối, đo lường năng lượng động trung bình (xao động nhiệt) của một thành phần nhất định, theo công thức:

trong đó k là hằng số Boltzmann, bằng 1,38 × 10

Trong va chạm, các hạt trao đổi năng lượng. Hiện tượng này hướng tới sự phân bố đều năng lượng. Khi nói đến năng lượng thuần túy động, các thành phần khác nhau có xu hướng đạt được năng lượng động xao động nhiệt bằng nhau. Do đó, các

nhiệt độ tuyệt đối

bằng nhau:

Giả sử hai hạt có khối lượng khác nhau m

và m

, và i là hạt nhẹ hơn.

Lý thuyết động học chất khí

cho biết tốc độ truyền năng lượng động trong va chạm sẽ tỷ lệ thuận với tỷ số

Nếu khối lượng rất khác biệt, ta nhận thấy rằng ở một nhiệt độ nhất định (đủ cao để môi trường bị ion hóa, có electron tự do), sự khác biệt về khối lượng khiến vận tốc xao động điện tử và ion rất khác nhau. Hãy xét plasma hydro-đơtêri-triti, với khối lượng nguyên tử trung bình là 2,5 (2 cho đơtêri, 3 cho triti). Giả sử khí ion ở nhiệt độ 100 triệu độ (trong tokamak). Vận tốc xao động nhiệt sẽ:

khoảng (3kT

Một proton nặng 1,6 × 10

Khối lượng trung bình của các ion hydro là 1,6 × 10

× 2,5 = 4 × 10

Vận tốc xao động nhiệt trung bình của các ion hydro trong tokamak là khoảng 10

m/s, tức là

một nghìn km mỗi giây.

Một con số đáng nhớ. Trong tokamak, trạng thái cân bằng nhiệt động lực học được duy trì. Nhiệt độ khí electron bằng với nhiệt độ các ion. Nhưng vận tốc xao động của electron cao hơn vận tốc ion, theo tỷ lệ nghịch căn bậc hai của tỷ số khối lượng.

Khối lượng một electron là

= 0,91 × 10

Trong plasma hydro nặng, tỷ số khối lượng là 4400, và tỷ số vận tốc xao động nhiệt bằng căn bậc hai của con số này, tức là 66. Do đó, vận tốc xao động nhiệt của electron trong tokamak cao gấp 66 lần so với ion, tức là 66.000 km/s, tương đương khoảng 20% vận tốc ánh sáng. Một nhận xét đơn giản.

Trong plasma sắt của máy Z, tỷ số khối lượng đạt tới 100.000. Trong plasma sắt ở trạng thái cân bằng, tỷ số vận tốc nhiệt giữa electron và ion sắt sẽ là 316. Nhưng như ta sẽ thấy sau này, plasma sắt trong máy Z rất lệch khỏi trạng thái cân bằng. Điểm khác biệt với bóng đèn huỳnh quang là lần này nhiệt độ điện tử thấp hơn 100 lần so với nhiệt độ ion. Do đó, đây là một loại plasma mới

ở trạng thái không cân bằng ngược

Một môi trường mới, chưa được hiểu rõ, cần khám phá. Thực sự là một "vùng đất hoang dã" cho các nhà thí nghiệm và lý thuyết. Một máy Z trước hết là một nguồn điện cực mạnh:

Máy Z của Sandia, trước năm 2007

(nó đã được cải tiến và chuyển thành ZR, Z "nâng cấp")

Nó cung cấp xung dòng điện 18 triệu ampe trong 100 nanosecond. Một nanosecond là một phần tỷ giây. Dòng điện tăng tuyến tính: Đường cong tăng dòng điện trong máy Z (tương tự trong ZR)

Máy ZR, hoạt động từ năm 2007, có thể đạt tới 26 triệu ampe, vẫn trong 100 nanosecond.

Máy Z truyền dòng điện này vào một "vỏ dây", một loại lồng chim cao 5 cm và đường kính 8 cm, gồm 240 sợi dây bằng thép không gỉ, mảnh hơn sợi tóc:

Cấu tạo của "vỏ dây"

Do đó, mỗi sợi dây đi qua:

75.000 ampe

Mỗi sợi dây tạo ra một từ trường, tương tác với các sợi dây lân cận theo lực Lorentz I B. Những lực này hướng tâm và có xu hướng kéo tất cả các sợi dây lại dọc theo trục hệ thống.

Lực Lorentz có xu hướng kéo các sợi dây lại dọc theo trục hệ thống

Bản vẽ này từng gây ấn tượng mạnh với Gerold Yonas, người phát minh ra máy

Khi hội tụ, các sợi kim loại dần bay hơi:

Hình thành lớp vỏ plasma

(luận án của Mathias Bavay)

Chính cấu trúc gồm nhiều sợi dây giữ tính đối xứng trục và ngăn ngừa sự xuất hiện của các bất ổn MHD. Có ý kiến trái chiều về hành vi của vỏ dây trong quá trình nén. Sợi dây được bao quanh bởi một lớp plasma sắt. Thí nghiệm cho thấy các sợi dây để lại phía sau một "đuôi sao chổi" chiếm khoảng 30% khối lượng.

Sơ đồ nén này có thể tính toán được (xem phần sau). Với bán kính lồng là 4 cm và thời gian 100 nanosecond, vận tốc hội tụ trung bình là 400 km/s. Thực tế có gia tốc ngay trước khi chạm. Vận tốc ion trước va chạm nằm trong khoảng 550–650 km/s. Việc duy trì tính đối xứng trục khiến plasma sắt cuối quá trình nén tạo thành một sợi dây đường kính 1,5 mm.

Ion và electron hội tụ cùng vận tốc về trục. Không thể tách biệt hai quần thể này do lực điện tĩnh mạnh giữa chúng. Khi các hạt này, ion sắt và electron, va chạm gần trục thì xảy ra quá trình cân bằng nhiệt (thermalization), tức là về nguyên lý, năng lượng động liên quan đến vận tốc hướng tâm được phân bố đều theo mọi hướng. Điều này đúng với cả ion và electron.

Bỏ qua electron trước, hãy tưởng tượng một quần thể vật thể có khối lượng bằng khối lượng ion sắt, tụ tập gần trục với vận tốc 650 km/s.

Khối lượng ion sắt là 9 × 10

Ta viết:

V = 600 km/s

Ta thu được nhiệt độ ion là 925 triệu độ. Chuyển đổi đơn giản vận tốc hướng tâm này thành vận tốc xao động nhiệt của các ion.

Thực hiện phép tính tương tự với electron, ta thu được nhiệt độ thấp hơn 100.000 lần, khoảng 9250 độ. Một trạng thái không cân bằng ngược mạnh mẽ. Khi đó, va chạm bắt đầu đóng vai trò. Đối với ion, Malcolm Haines đã tính toán thời gian phục hồi (thời gian cân bằng nhiệt của khí ion, thiết lập phân bố vận tốc) là 37 picosecond, tức là 3,7 × 10

giây. Thời gian này nhỏ hơn rất nhiều so với "thời gian ngừng" của plasma, dưới dạng một sợi dây siêu đặc và siêu nóng, kích thước bằng đầu bút chì.

Các phép đo (phát xạ tia X do "bức xạ hãm", tương tác electron-ion) cho thấy nhiệt độ là 30 triệu độ. Như vậy khí electron đã bị làm nóng. Ta sẽ phân tích điều này sau. Người ta thường biểu diễn nhiệt độ cao bằng đơn vị điện tử-vôn, theo công thức:

eV = kT

với e (điện tích đơn vị) = 1,6 × 10⁻¹⁹ coulomb

Nếu một môi trường có nhiệt độ được biểu diễn bằng "eV" là 1 eV, thì tương ứng với nhiệt độ

T = e/k = 11.600 K

Do thường làm việc theo cấp số nhân, người ta thường chuyển đổi điện tử-vôn sang Kelvin bằng cách đơn giản:

T = 10.000 V

Do đó, 1 keV (kilo điện tử-vôn) tương đương với 10.000 độ.

Các phép đo bức xạ phát ra (trong dải tia X) cho thấy nhiệt độ là 30 keV, được làm tròn thành 30 triệu độ.

Vấn đề khác: người ta thấy rằng khí ion nóng hơn từ 3 đến 4 lần so với giá trị thu được nếu chỉ có cân bằng nhiệt. Các phép đo nhiệt độ cho giá trị vượt quá 2 tỷ độ, thậm chí đạt tới giá trị tối đa là 3,7 tỷ độ. Vậy năng lượng đến từ đâu? Ta sẽ bàn thêm về điều này sau.

Các phép đo nhiệt độ đã được thực hiện bằng phương pháp cổ điển đánh giá sự mở rộng các vạch quang phổ do hiệu ứng Doppler. Các hạt nhân (giống như nguyên tử, phân tử) phát ra bức xạ theo một quang phổ nhất định, có các vạch đặc trưng.

Nếu môi trường tương đối lạnh, các vạch này rất mảnh.

Quang phổ phát xạ của thép không gỉ "tương đối lạnh", được làm nóng đến 100.000 K

Ta nhận diện các vạch của crom (những vạch đầu tiên bên trái), sau đó là mangan, sắt và niken.

Trong loại thép không gỉ này, cacbon chiếm 0,15% hỗn hợp, và các vạch của nó không nhìn thấy được.

Các vạch tương ứng với sự kích thích điện tử. Xung quanh hạt nhân là các electron quay trên các quỹ đạo xác định rõ ràng, do các nguyên lý cơ học lượng tử (lượng tử hóa các quỹ đạo). Một nguồn năng lượng nào đó có thể gây ra "chuyển tiếp", tức là thay đổi quỹ đạo của một electron. Chuyển tiếp này luôn xảy ra theo hướng electron di chuyển lên quỹ đạo xa hơn, tương ứng với năng lượng cao hơn. Không cần phải làm các phép tính phức tạp để hiểu ý tưởng này. Bạn biết rất rõ rằng để đưa các vật thể có khối lượng M vào quỹ đạo càng cao thì cần một tên lửa càng mạnh. Năng lượng cung cấp khiến electron di chuyển lên quỹ đạo "cao hơn", xa hạt nhân hơn. Chúng không ở lại lâu (có thời gian sống của các trạng thái kích thích), và nhanh chóng rơi xuống quỹ đạo gần hạt nhân hơn trong vài nanosecond. Khi đó, chúng mất năng lượng, phát ra photon có năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa hai mức quỹ đạo. Từ đó hình thành quang phổ dạng "vạch".

Nguyên tử sắt có 26 electron.

Tất cả đều có thể thay đổi quỹ đạo, rơi xuống, không nhất thiết về quỹ đạo ban đầu. Do đó, quang phổ gồm rất nhiều vạch. Một số vạch cao hơn những vạch khác. Điều gì xác định "độ cao của vạch"? Đó là công suất phát xạ theo tần số này. Một vạch đo lường đóng góp của một chuyển tiếp cụ thể; một số chuyển tiếp có khả năng xảy ra cao hơn các chuyển tiếp khác. Chính những chuyển tiếp có khả năng cao nhất, do đó thường xuyên xảy ra, sẽ tạo nên phần lớn bức xạ. Nhìn vào sơ đồ trên, ta thấy rằng với thép không gỉ có nhiệt độ từ 58.000 (5 điện tử-vôn) đến 116.000 K (10 điện tử-vôn), bức xạ mạnh nhất đến từ một vạch của crom. Vạch mangan "thấp hơn". Ở nhiệt độ này, các nguyên tử đã bị mất nhiều electron. Nhưng vẫn còn lại. Có bao nhiêu? Tôi không có sách nào để trả lời ngay lúc này. Sự mất electron diễn ra dần dần. Tôi không biết ở nhiệt độ nào thì sắt hoặc crom cần được làm nóng để đạt đến sự mất hoàn toàn electron, tức là electron cuối cùng bị tách khỏi hạt nhân. Điều này có thể tính toán được. Đó chính là năng lượng cần cung cấp để tách electron cuối cùng khỏi hạt nhân mang 26 điện tích dương.

Điều được đo trong các thí nghiệm của Sandia liên quan đến quang phổ kích thích - giải kích thích của các electron vẫn còn quanh các hạt nhân.

Sự mở rộng vạch liên quan đến hiệu ứng Doppler-Fizeau.

Quang phổ của vật liệu tương tự, được làm nóng đến hàng tỷ độ. Hiệu ứng Doppler đã gây ra sự mở rộng vạch

Tần số tương ứng với một bước nhảy quỹ đạo nhất định (một vạch) sẽ cao hơn nếu nguyên tử tiến lại gần người quan sát và thấp hơn nếu nó rời xa (khi đó là "dịch chuyển đỏ"). Do đó, xao động nhiệt

làm mở rộng các vạch

. Các phép đo đáng tin cậy đã được thực hiện và xác nhận các giá trị nhiệt độ ion cực cao, lên tới hàng tỷ độ (

từ 2,66 đến 3,7 tỷ độ

Kết quả tháng 5 năm 2005 trên máy Z của Sandia.

Đường đen: tăng nhiệt độ ion. Đường xanh: đường kính plasma.

Trục hoành: thời gian tính bằng nanosecond (1 nanosecond là một phần tỷ giây)

Sự nhảy vọt về nhiệt độ không phải là một sự kiện bình thường. Đây là một khám phá khoa học lớn, và rất có thể nó sẽ mang lại những hệ quả to lớn cho xã hội toàn cầu.

Các ion vì vậy trở nên nóng hơn electron tới 100 lần.

Trước đây, đó là giải thích duy nhất khả dĩ, nhưng lần này điều đó đã được đo đạc, trong các thí nghiệm hoàn toàn lặp lại được. Hơn nữa, nhiệt độ ion

tăng theo thời gian.

Cuối cùng, năng lượng phát ra từ khí electron dưới dạng bức xạ X đã chứng minh cao hơn 3 đến 4 lần so với năng lượng động mà các thanh thép không gỉ trong "vỏ dây" từng có khi chúng tập trung trên trục

Haines và các cộng sự đã cố gắng trong bài báo tiếp theo để làm sáng tỏ bí ẩn này. Năng lượng đó đến từ đâu?

Khi khởi động máy Z, năng lượng phân bố dưới nhiều dạng khác nhau. Có năng lượng nhiệt của plasma, tương ứng với tổng năng lượng động của các thành phần (chủ yếu là năng lượng động của ion sắt). Nhưng còn một dạng năng lượng khác, khó hiểu hơn:

năng lượng từ trường

, phân bố khắp không gian xung quanh sợi plasma mỏng hình thành trên trục. Do đó, Haines đã đề xuất rằng các "bất ổn MHD" có thể hình thành, cho phép plasma thu hồi một phần năng lượng này. Như được nêu trong bài báo, lý thuyết này rất sơ khai và chưa từng dẫn đến bất kỳ mô phỏng nào. Kết luận chỉ đơn giản là "không loại trừ khả năng làm nóng này do hiện tượng đó". Ông cũng chỉ ra sự liên kết va chạm giữa electron và ion rất yếu, giải thích cho việc phát tia X bị trễ trong thời gian. Hiện tượng này trước tiên làm nóng các ion, sau đó một phần năng lượng được truyền lại cho khí electron, khiến nó trở nên phát xạ (do bức xạ hãm). Tuy nhiên, các phép đo (bốn điểm)

cho thấy rằng khí ion sắt vẫn tiếp tục nóng lên

Đỉnh nhiệt độ rõ ràng chưa đạt được. Tuy nhiên, nhiệt độ (đo được) của ion sắt đã đạt tới 3,7 tỷ độ! Gấp 37 lần nhiệt độ mà ITER sẽ không bao giờ vượt qua: 100 triệu độ.

Deeney nói rằng trước kết quả này, ông đã lặp lại thí nghiệm và đo đạc nhiều lần để chắc chắn. Ta cần lưu ý rằng trong tiêu đề bài báo ghi: "hơn hai tỷ độ". Một cách hợp lý, các nhà nghiên cứu nên nêu rõ giá trị tối đa là 3,7 tỷ độ. Gọi đó là một cử chỉ... e ngại trước quy mô kết quả thu được.

Ta cần nhớ rằng với 500 triệu độ, ta có thể tổng hợp Lithium và Hydrogen, tạo ra Helium mà không sinh ra neutron. Với một tỷ độ, ta có một "phản ứng tổng hợp thuần khiết" kéo dài một giây, vẫn không phát sinh phóng xạ hay chất thải (chỉ sinh ra Helium): phản ứng Boron và Hydrogen. Với 3,7 tỷ độ, thậm chí cao hơn, ta có thể làm gì? Nếu nhiệt độ ion tiếp tục tăng, hợp lý là có thể đạt được nhiệt độ ion cao hơn nữa.

Một nhận xét. Trong các thí nghiệm này, cường độ dòng điện mà máy Z phát ra (từ 18 đến 20 triệu ampe) không thể duy trì vô hạn. Đây là một xung điện: cường độ tăng theo thời gian, đạt cực đại rồi giảm. Trong máy Z, xung kéo dài 100 phần tỷ giây. Một khía cạnh khác: nếu Haines đúng, môi trường từ trường quanh sợi plasma chứa một lượng năng lượng rất lớn. Do đó, nếu duy trì dòng điện, từ trường này sẽ tiếp tục "nuôi dưỡng" plasma, làm tăng nhiệt độ ion. Như vậy, 3,7 tỷ độ không phải là giới hạn, và không ai có thể nói chính xác nhiệt độ nào có thể đạt được với thiết bị này.

Hệ quả đầu tiên của những thí nghiệm như vậy có thể là "phản ứng tổng hợp thuần khiết, không gây ô nhiễm", sử dụng hỗn hợp Lithium và Hydrogen (lithium, có trong nước biển và nước mặn, hiện diện ở mọi nơi trên thế giới. Hiện nay giá của nó là 59 đô la mỗi kg, bao gồm thuế). Đây là Thời đại Vàng về năng lượng (với phần thưởng là bom H tổng hợp thuần khiết, rẻ tiền, cho mọi người). Nếu điều này được xác nhận, không quốc gia nào trên thế giới có thể tự hào "có trữ lượng lithium toàn cầu". Vì lithium có trong nước biển, trữ lượng toàn cầu trước đây dường như là vô hạn.

Vì nhiệt độ trong siêu tân tinh là mười tỷ độ, và nhờ các phản ứng tổng hợp, nó có thể tạo ra tất cả các nguyên tố trong bảng Mendeleev (cùng với các đồng vị phóng xạ có thời gian sống khác nhau), nếu một máy Z "nở rộng" một ngày nào đó đạt được 10 tỷ độ, ta sẽ thực hiện trong phòng thí nghiệm những nhiệt độ cao nhất mà tự nhiên có thể tạo ra trong vũ trụ. Bước tiến này do đó đại diện cho một thay đổi triệt để trong vật lý hạt nhân và vật lý nói chung.

Trước đây ta chỉ mới "đốt lò than". Bước đi này thực sự là việc phát minh ra lửa hạt nhân

chúng tôi nói rằng tỷ lệ chuyển năng lượng động trong một va chạm sẽ tỷ lệ thuận với tỷ số

Nếu khối lượng rất khác biệt, ta nhận thấy ngay rằng ở một nhiệt độ nhất định (đủ cao để môi trường bị ion hóa, có các electron tự do), sự khác biệt về khối lượng làm cho vận tốc dao động của electron và ion rất khác nhau. Hãy xét trường hợp plasma hydrogên deuterium-triti, với khối lượng nguyên tử trung bình là 2,5 (2 cho deuterium, 3 cho triti). Giả sử khí ion ở nhiệt độ 100.000.000 độ (trong một tokamak). Vận tốc dao động nhiệt sẽ:

khoảng mức độ (3kT

Một proton nặng 1,6 × 10

Khối lượng trung bình của các ion hydrogên là 1,6 × 10

× 2,5, tức là 4 × 10

Vận tốc dao động nhiệt trung bình của các ion hydrogên trong tokamak là khoảng 10

m/s, tức là

1.000 km/s

. Một con số đáng chú ý để ghi nhớ. Trong tokamak, trạng thái cân bằng nhiệt động lực học được duy trì. Nhiệt độ khí electron bằng với nhiệt độ của các ion. Nhưng vận tốc dao động của electron cao hơn nhiều so với các ion, theo tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của tỷ số khối lượng.

Khối lượng của một electron là

= 0,91 × 10

Trong plasma hydrogên nặng, tỷ số khối lượng đạt tới 4.400, và tỷ số vận tốc dao động nhiệt bằng căn bậc hai của con số này, tức là 66. Do đó, vận tốc dao động nhiệt của electron trong tokamak cao gấp 66 lần so với ion, tức là 66.000 km/s, tương đương khoảng 20% vận tốc ánh sáng. Một nhận xét đơn giản.

Trong plasma sắt của các máy Z, tỷ số khối lượng đạt tới 100.000. Trong plasma sắt ở trạng thái cân bằng, tỷ số vận tốc nhiệt giữa electron và ion sắt sẽ là 316. Nhưng như ta sẽ thấy sau này, plasma sắt trong máy Z rất lệch khỏi trạng thái cân bằng. Sự khác biệt với đèn huỳnh quang là lần này chính nhiệt độ electron thấp hơn 100 lần so với nhiệt độ ion. Do đó, đây là một loại plasma mới, ở trạng thái không cân bằng ngược.

Đây là một môi trường mới, chưa được hiểu rõ, cần được khám phá. Thực tế là một vùng đất hoang dã thực sự dành cho các nhà thí nghiệm và lý thuyết. Một máy Z trước hết là một nguồn điện cực mạnh:

Máy Z của Sandia, trước năm 2007

(nó đã được cải tiến và chuyển thành ZR, Z "nâng cấp")

Nó cung cấp xung dòng điện lên tới 18 triệu ampe trong vòng 100 nanosecond. Một nanosecond là một phần tỷ giây. Dòng điện tăng tuyến tính: Đồ thị tăng của dòng điện trong máy Z (tương tự như trong ZR)

Máy ZR, hoạt động từ năm 2007, có thể đạt tới 26 triệu ampe, vẫn trong thời gian 100 nanosecond.

Máy Z gửi dòng điện này vào một "vỏ dây dẫn" (liner), một loại lồng chim cao 5 cm và đường kính 8 cm, được tạo thành từ 240 sợi dây inox mảnh hơn sợi tóc:

Cấu tạo của "vỏ dây dẫn"

Do đó, trong mỗi sợi dây đi qua dòng điện:

75.000 ampe

Mỗi sợi dây tạo ra một từ trường, tương tác với các sợi lân cận theo lực Laplace I B. Những lực này là hướng tâm và có xu hướng kéo tất cả các sợi dây lại dọc theo trục hệ thống.

Lực Laplace có xu hướng kéo các sợi dây lại dọc theo trục hệ thống

Bản vẽ này từng được Gerold Yonas, người phát minh ra máy, đánh giá cao

Khi các sợi kim loại hội tụ, chúng dần bốc hơi:

Hình thành lớp vỏ plasma

( luận án của Mathias Bavay)

Chính cấu trúc gồm nhiều sợi dây giữ cho tính đối xứng trục và ngăn ngừa sự xuất hiện của các bất ổn MHD. Có những ý kiến khác nhau về hành vi của lớp vỏ dây dẫn trong quá trình nén. Sợi dây được bao quanh bởi một lớp plasma sắt. Thí nghiệm cho thấy các sợi dây để lại phía sau một "đuôi sao chổi" tương đương 30% khối lượng của chúng.

Sơ đồ nén này có thể tính toán được (xem phần sau). Với bán kính lồng là 4 cm và thời gian 100 nanosecond, vận tốc hội tụ trung bình là 400 km/s. Thực tế có gia tốc mạnh ngay trước khi tiếp xúc. Vận tốc ion trước va chạm dao động từ 550 đến 650 km/s. Việc duy trì tính đối xứng trục khiến plasma sắt cuối cùng tạo thành một sợi dây đường kính 1,5 mm.

Ion và electron hội tụ với cùng vận tốc về trục. Không thể tách biệt hai quần thể này do các lực điện tĩnh mạnh ràng buộc chúng lại với nhau. Khi các hạt này – ion sắt và electron – va chạm gần trục, xảy ra quá trình cân bằng nhiệt (thermalization), tức là về nguyên tắc, năng lượng động liên quan đến vận tốc hướng tâm được phân bố đều theo mọi hướng. Điều này đúng với cả ion lẫn electron.

Bỏ qua electron trong giai đoạn đầu, hãy tưởng tượng một quần thể vật thể có khối lượng bằng khối lượng ion sắt, tụ tập gần trục với vận tốc 650 km/s.

Khối lượng ion sắt là 9 × 10

Ta viết:

V = 600 km/s

Ta thu được nhiệt độ ion là 925 triệu độ. Chuyển đổi đơn giản vận tốc hướng tâm này thành vận tốc dao động nhiệt của ion.

Thực hiện cùng phép tính cho electron, ta thu được nhiệt độ thấp hơn tới 100.000 lần, khoảng 9.250 độ. Một trạng thái không cân bằng ngược cực mạnh. Khi đó các va chạm bắt đầu đóng vai trò. Với ion, Malcolm Haines đã tính toán thời gian phục hồi (thời gian cân bằng nhiệt của khí ion, thời gian thiết lập phân bố vận tốc) là 37 picosecond, tức là 3,7 × 10

giây. Thời gian này rất nhỏ so với "thời gian dừng" của plasma, khi nó tồn tại dưới dạng một sợi siêu đặc và siêu nóng, kích thước bằng đầu bút chì.

Các phép đo (phát xạ tia X do "bức xạ hãm", tương tác electron-ion) cho thấy nhiệt độ khoảng 30 triệu độ. Như vậy khí electron đã bị đốt nóng. Ta sẽ phân tích điều này sau. Người ta thường biểu diễn các nhiệt độ cao bằng đơn vị electron-volt, theo công thức:

eV = kT

với e (điện tích đơn vị) = 1,6 × 10⁻¹⁹ culông

Nếu một môi trường có nhiệt độ được biểu diễn bằng "electron-volt" là 1 eV, thì tương ứng với nhiệt độ

T = e/k = 11.600 K

Do thường làm việc theo cấp số mũ, người ta thường chuyển đổi electron-volt sang Kelvin bằng cách đơn giản:

T = 10.000 V

Do đó, 1 keV (kilo-electron-volt) tương đương 10.000 độ.

Các phép đo bức xạ phát ra (trong dải tia X) cho thấy nhiệt độ là 30 keV, làm tròn thành 30 triệu độ.

Vấn đề khác: người ta phát hiện khí ion nóng hơn từ 3 đến 4 lần so với giá trị thu được chỉ bằng quá trình cân bằng nhiệt đơn thuần. Các phép đo nhiệt độ cho giá trị lớn hơn 2 tỷ độ, thậm chí đạt tới mức tối đa là 3,7 tỷ độ. Vậy năng lượng đến từ đâu? Ta sẽ bàn kỹ vấn đề này sau.

Các phép đo nhiệt độ đã được thực hiện bằng phương pháp cổ điển là đánh giá sự mở rộng các vạch quang phổ do hiệu ứng Doppler. Các hạt nhân (như nguyên tử, phân tử) phát ra bức xạ theo một quang phổ nhất định có các vạch đặc trưng.

Nếu môi trường tương đối lạnh, các vạch này rất mảnh.

Quang phổ phát xạ của thép không gỉ "tương đối lạnh", được nung đến 100.000 K

Ta nhận diện các vạch của crom (những vạch đầu tiên bên trái), rồi đến mangan, sắt và niken.

Trong loại thép không gỉ này, carbon chiếm 0,15% hỗn hợp, nên các vạch của nó không nhìn thấy được.

Các vạch này tương ứng với sự kích thích electron. Xung quanh một hạt nhân, các electron quay trên các quỹ đạo xác định rõ ràng, do các nguyên nhân liên quan đến cơ học lượng tử (lượng tử hóa các quỹ đạo). Một nguồn năng lượng nào đó có thể gây ra "chuyển tiếp", tức là thay đổi quỹ đạo của một electron. Chuyển tiếp này luôn xảy ra theo hướng electron di chuyển sang quỹ đạo xa hơn, mang nhiều năng lượng hơn. Không cần phải tính toán phức tạp để hiểu ý tưởng này. Bạn hoàn toàn hiểu rằng để đưa các vật có khối lượng M vào quỹ đạo cao hơn thì cần một tên lửa mạnh hơn. Việc cung cấp năng lượng khiến electron chuyển lên quỹ đạo "cao hơn", xa hạt nhân hơn. Chúng không ở lại lâu (có thời gian sống cho các trạng thái kích thích), và nhanh chóng rơi trở lại quỹ đạo gần hạt nhân hơn trong vài nanosecond. Khi đó, chúng mất năng lượng, phát ra dưới dạng photon, năng lượng của photon bằng hiệu năng lượng giữa hai mức quỹ đạo. Do đó hình thành quang phổ "vạch".

Một nguyên tử như sắt có 26 electron.

Chúng đều có thể thực hiện chuyển đổi quỹ đạo, rơi xuống, không nhất thiết phải về quỹ đạo ban đầu. Do đó quang phổ gồm rất nhiều vạch. Một số vạch cao hơn những vạch khác. "Độ cao của vạch" tương ứng với công suất phát xạ theo tần số đó. Một vạch đo lường đóng góp của một chuyển tiếp cụ thể; một số chuyển tiếp có xác suất cao hơn các chuyển tiếp khác. Chính những chuyển tiếp có xác suất cao, do đó thường xuyên xảy ra, sẽ tạo nên phần lớn bức xạ. Nhìn vào sơ đồ trên, ta thấy với thép không gỉ ở nhiệt độ từ 58.000 (5 electron-volt) đến 116.000 K (10 electron-volt), bức xạ mạnh nhất đến từ một vạch của crom. Vạch mangan "kém nổi bật hơn". Ở nhiệt độ này, các nguyên tử đã bị mất rất nhiều electron. Nhưng vẫn còn lại một số. Có bao nhiêu? Tôi không có sách nào để trả lời ngay lúc này. Việc mất electron diễn ra dần dần. Tôi không biết ở nhiệt độ nào thì sắt hoặc crom phải được nung nóng để mất hoàn toàn electron, tức là electron cuối cùng bị tách khỏi hạt nhân. Điều này có thể tính toán được; đó chính là năng lượng cần cung cấp để tách electron cuối cùng khỏi hạt nhân mang 26 điện tích dương.

Điều được đo trong các thí nghiệm của Sandia liên quan đến quang phổ kích thích – giải kích thích của các electron còn lại quanh các hạt nhân.

Sự mở rộng vạch quang phổ liên quan đến hiệu ứng Doppler-Fizeau.

Quang phổ của vật liệu tương tự, được nung đến hàng tỷ độ. Hiệu ứng Doppler đã làm mở rộng các vạch

Tần số tương ứng với một chuyển tiếp quỹ đạo nhất định (một vạch) sẽ cao hơn nếu nguyên tử tiến lại gần người quan sát và thấp hơn nếu nó rời xa (khi đó là "dịch chuyển đỏ"). Do đó, dao động nhiệt

làm mở rộng các vạch

. Các phép đo đáng tin cậy đã được thực hiện và xác nhận các giá trị nhiệt độ ion rất cao, lên tới hàng tỷ độ (

từ 2,66 đến 3,7 tỷ độ

Kết quả tháng 5 năm 2005 trên máy Z của Sandia.

Đường đen: tăng nhiệt độ ion. Đường xanh: đường kính plasma.

Trục hoành: thời gian tính bằng nanosecond (1 nanosecond = 1 phần tỷ giây)

Các ion vì thế đạt đến nhiệt độ cao hơn electron tới 100 lần.

Trước đây, đây là giải thích duy nhất khả dĩ, nhưng lần này điều đó đã được đo đạc, trong các thí nghiệm hoàn toàn lặp lại được. Hơn nữa, nhiệt độ ion này

tăng theo thời gian.

Cuối cùng, năng lượng phát ra từ khí electron dưới dạng bức xạ X đã chứng minh là cao hơn 3 đến 4 lần so với năng lượng động mà các thanh thép không gỉ trong "vỏ dây dẫn" từng có khi chúng tập trung lại trên trục.

Haines và các cộng sự đã cố gắng trong bài báo sau đây làm sáng tỏ bí ẩn này. Năng lượng đó đến từ đâu?

Khi khởi động máy Z, năng lượng được phân bố dưới nhiều hình thức khác nhau. Có năng lượng nhiệt của plasma, tương ứng với tổng năng lượng động của các thành phần (chủ yếu là năng lượng động của ion sắt). Nhưng còn một dạng năng lượng khác, khó hiểu hơn:

năng lượng từ trường

, phân bố khắp không gian xung quanh sợi plasma mỏng được hình thành trên trục. Haines vì vậy đã đề xuất rằng các "bất ổn MHD" có thể hình thành, cho phép plasma thu hồi một phần năng lượng này. Như ông thừa nhận trong bài báo, lý thuyết này còn rất sơ khai và chưa từng dẫn đến bất kỳ mô phỏng nào. Kết luận chỉ đơn giản là "không loại trừ khả năng sự gia nhiệt này là do hiện tượng đó". Ông cũng cho thấy sự liên kết va chạm yếu giữa electron và ion, giải thích cho việc phát tia X bị trễ theo thời gian. Hiện tượng này trước tiên làm nóng các ion, sau đó chúng truyền một phần năng lượng này cho khí electron, khiến khí electron trở nên phát xạ (bức xạ hãm). Tuy nhiên, các phép đo (bốn điểm)

cho thấy khí ion sắt vẫn tiếp tục nóng lên

Đỉnh nhiệt độ rõ ràng chưa đạt được. Dù vậy, nhiệt độ (đo được) của ion sắt đã đạt tới 3,7 tỷ độ! Gấp 37 lần nhiệt độ mà ITER có thể đạt được: 100 triệu độ.

Deeney nói rằng trước kết quả này, ông đã lặp lại thí nghiệm và đo đạc hàng chục lần để chắc chắn. Ta cần lưu ý rằng trong tiêu đề bài báo ghi là "hơn hai tỷ độ". Một cách hợp lý, các nhà nghiên cứu nên nêu rõ giá trị tối đa là 3,7 tỷ độ. Gọi đó là một cử chỉ... e ngại trước quy mô khổng lồ của kết quả thu được.

Ta cần nhớ rằng với 500 triệu độ, ta có thể gây phản ứng tổng hợp giữa lithium và hydro, tạo ra heli mà không sinh ra neutron. Với một tỷ độ, ta có thể đạt được "phản ứng tổng hợp thuần túy" trong một giây, vẫn không phát sinh phóng xạ hay chất thải (chỉ tạo ra heli): đó là phản ứng giữa boron và hydro. Với 3,7 tỷ độ, hoặc cao hơn, ta có thể làm được gì? Nếu nhiệt độ ion tiếp tục tăng, điều hợp lý là các nhiệt độ ion cao hơn nữa có thể đạt được.

Một nhận xét: trong các thí nghiệm này, cường độ dòng điện mà máy Z tạo ra (từ 18 đến 20 triệu ampe) không thể duy trì vô hạn. Đây là một xung phóng điện: cường độ tăng dần theo thời gian, đạt cực đại rồi giảm. Trong máy Z, xung kéo dài 100 phần tỷ giây. Một khía cạnh khác: nếu Haines đúng, môi trường từ trường xung quanh sợi plasma chứa một lượng năng lượng rất lớn. Do đó, nếu duy trì dòng điện, từ trường này sẽ tiếp tục "nuôi dưỡng" plasma, làm tăng nhiệt độ ion. Như vậy, 3,7 tỷ độ không phải là giới hạn, và không ai có thể nói chính xác nhiệt độ nào có thể đạt được với thiết bị này.

Hệ quả đầu tiên của các thí nghiệm như vậy có thể là "phản ứng tổng hợp thuần túy, không gây ô nhiễm", sử dụng hỗn hợp lithium và hydro (lithium, có trong nước biển và nước mặn, hiện diện ở mọi nơi trên thế giới. Hiện nay giá khoảng 59 đô la mỗi kg, đã bao gồm thuế). Đây là thời đại Vàng về năng lượng (với món quà là bom H tổng hợp thuần túy, rẻ tiền, cho mọi người). Nếu điều này được xác nhận, không quốc gia nào trên thế giới có thể tự hào sở hữu "dự trữ lithium toàn cầu". Vì lithium có trong nước biển, các dự trữ toàn cầu về cơ bản là vô hạn.

Vì nhiệt độ trong siêu tân tinh là mười tỷ độ, và nhờ phản ứng tổng hợp, nó tạo ra tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendeleev (cùng với các đồng vị phóng xạ có thời gian sống khác nhau), nếu một máy Z "nâng cấp" một ngày nào đó đạt được 10 tỷ độ, ta sẽ thực hiện trong phòng thí nghiệm những nhiệt độ cao nhất mà tự nhiên từng tạo ra trong vũ trụ. Bước tiến này vì vậy đại diện cho một thay đổi triệt để trong vật lý hạt nhân và nói chung là trong vật lý của chúng ta.

Trước đây, ta chỉ mới có "những mồi lửa nhỏ". Bước đi này thực sự là việc phát minh ra lửa hạt nhân

Dưới đây là phần đầu bài báo của Haines, Deeney và các cộng sự:

**Dịch tiêu đề **:

**Nung nóng ion nhờ độ nhớt trong hiện tượng nén từ thủy động lực học không ổn định, nhiệt độ trên 2 × 10⁹ K

Rồi phần tóm tắt:

Các tập hợp gồm các sợi kim loại được nén mạnh dọc theo trục đối xứng của hệ thống hiện là nguồn phát tia X mạnh nhất trong phòng thí nghiệm cho đến nay. Ngoài ra, trong một số điều kiện, ta có thể quan sát được năng lượng dưới dạng tia X "mềm", phát ra trong một xung kéo dài 5 nanosecond, tại thời điểm nén cực đại (dừng lại), tương ứng với năng lượng vượt quá năng lượng ban đầu dưới dạng động năng từ 3 đến 4 lần. Một mô hình lý thuyết được phát triển để giải thích hiện tượng này bằng cách đề xuất rằng nó do chuyển hóa nhanh năng lượng từ trường, làm ion đạt nhiệt độ rất cao, thông qua các hiện tượng bất ổn MHD loại m = 0, tăng trưởng nhanh. Khi đó xảy ra bão hòa phi tuyến và nung nóng độ nhớt của khí ion. Năng lượng ban đầu chuyển cho ion sau đó được truyền cho electron nhờ sự phân bố đều đơn giản, va chạm ion-electron, và các electron này sau đó phát ra tia X mềm. Gần đây tại Sandia, người ta đã thu được quang phổ, với các phép đo kéo dài theo thời gian, xác nhận nhiệt độ ion là 200 keV (2 tỷ độ), phù hợp với lý thuyết này. Như vậy, ta đạt được kỷ lục nhiệt độ cho plasma bị giam giữ từ trường.

Haines và các đồng tác giả bắt đầu bằng việc nhắc lại cốt lõi của vấn đề. Ta chưa thể giải thích cách năng lượng phát ra từ plasma có thể đạt tới 3 hoặc 4 lần năng lượng động "ban đầu", tức là tổng các ½mV² của các nguyên tử kim loại được bắn vào nhau hướng về trục, nơi chúng kết thúc hành trình, năng lượng động này chuyển thành năng lượng nhiệt. Khi phân tích dữ liệu, số liệu không khớp. Năng lượng ra nhiều hơn năng lượng vào hệ thống, và phải có nguồn nào đó cung cấp. Haines vì vậy nghĩ đến năng lượng từ trường. Điều gì xảy ra?

Nếu ta xét một lớp vỏ gồm các sợi (240 sợi) và cho dòng điện chạy qua, ta có thể tính cường độ từ trường hướng tròn do các sợi khác tạo ra. Sợi này chịu lực Laplace J × B. Dễ dàng chứng minh rằng lực này bằng với lực do từ trường tạo ra bởi một dây dẫn thẳng dọc theo trục, trong đó dòng điện toàn bộ (trong thí nghiệm Sandia: 20 triệu ampe) chạy qua.

Đây cũng là cách để tính cường độ từ trường bên ngoài, trừ khi ta đưa ra giả thiết: có thể coi từ trường này do các sợi dài vô hạn tạo ra, điều này rõ ràng không đúng. Do đó, ta chỉ thu được các giá trị gần đúng. Từ trường này tương ứng với một áp suất từ trường, nếu biểu diễn bằng newton trên mét vuông thì cũng tương đương với joule trên mét khối. Áp suất từ trường là mật độ năng lượng thể tích. Ta ước tính năng lượng do một dây dẫn thẳng dài vô hạn tạo ra.

Ta có thể, gần vùng các sợi dây nơi ta có thể xấp xỉ tính toán từ trường theo cách này, tính năng lượng từ trường tập trung giữa một hình trụ bán kính r và một hình trụ bán kính dr

Gọi rmin là bán kính nhỏ nhất của plasma. Rõ ràng không hợp lý khi tích phân biểu thức này từ giá trị này đến vô cực, vì nó chỉ đúng với các dây dẫn thẳng dài vô hạn. Nhưng nếu viết:

ta thấy rằng càng khi gói nguyên tử kim loại tập trung gần trục hệ thống, năng lượng dưới dạng áp suất từ trường ở gần vật thể càng lớn. Haines vì vậy cho rằng đây là nguồn năng lượng có thể làm tăng nhiệt độ của các ion, vốn đã chuyển đổi năng lượng động thành năng lượng động dao động nhiệt. Nếu V là vận tốc hướng tâm của ion tại thời điểm va chạm, tại "trạng thái dừng", ta có thể ước tính vận tốc dao động nhiệt bằng cách đơn giản:

Việc sử dụng công thức này ngụ ý rằng "khí ion sắt" đã được "cân bằng nhiệt", tức là đạt phân bố vận tốc Maxwell-Boltzmann. Nhưng như Haines sẽ chứng minh sau, thời gian phục hồi trong môi trường này rất nhỏ.

tii, thời gian phục hồi trong môi trường ion: 37 picosecond (Haines)

Thêm vào đó, sự liên kết năng lượng với khí electron cũng rất yếu. Hơn nữa, năng lượng được phân bố lại chỉ có thể dưới dạng động năng (năng lượng dao động nhiệt của ion và electron). Do đó, công thức đơn giản này là hợp lệ. Cuối cùng, trong trường hợp ta giả sử rằng khí ion không được cung cấp năng lượng từ nguồn khác, và ta sẽ thấy sau rằng điều này đúng.

Tuy nhiên, với vận tốc 1.000 km/s, ta thực sự thu được 2 tỷ độ. Hệ thống chuyển từ trạng thái "các sợi riêng biệt" sang trạng thái "vòng plasma" khi nào? Bài báo không nói rõ. Với lớp vỏ bán kính 4 cm và thời gian nén 100 nanosecond, ta thu được vận tốc hướng tâm trung bình là 400 km/s, thấp nhất. Nguyên tử sắt nặng 9 × 10⁻²⁶ kg, nhưng nếu đó là vận tốc ion tại thời điểm va chạm, ta vẫn thu được 348 triệu độ. Đó chỉ là vận tốc trung bình. Khi viết phương trình vi phân chuyển động, ta thấy gia tốc rất lớn ở cuối quá trình. Ta cũng cần lưu ý rằng xung điện không phải là dòng điện không đổi. I tăng theo thời gian. Ta có:

M đại diện cho khối lượng lớp vỏ, tính trên mỗi mét. Ta thấy rằng ở cuối xung và cuối hành trình, gia tốc tăng. Vận tốc tăng vọt. Haines viết:

Có một vài khó khăn trong việc hiểu cách năng lượng bức xạ trong quá trình nén của hệ sợi Z có thể lên tới 4 lần năng lượng động [1–4], cũng như cách áp suất plasma có thể đủ lớn để cân bằng áp suất từ trường tại điểm dừng nếu nhiệt độ ion và electron bằng nhau. Thực tế, về mặt lý thuyết, áp suất từ trường dư thừa nên tiếp tục nén plasma dẫn đến sụp đổ bức xạ. Một số lý thuyết [5,6] đã được phát triển để giải thích sự gia nhiệt bổ sung, nhưng không lý thuyết nào giải thích được sự mất cân bằng áp suất.

Có một khó khăn trong việc giải thích cách năng lượng bức xạ từ quá trình nén của hệ sợi Z có thể đạt tới 4 lần năng lượng động [1–4], và cách áp suất plasma có thể đủ lớn để cân bằng áp suất từ trường tại điểm dừng nếu nhiệt độ ion và electron bằng nhau. Thực tế, về mặt lý thuyết, áp suất từ trường dư thừa nên tiếp tục nén plasma dẫn đến sụp đổ bức xạ. Một số lý thuyết [5,6] đã được phát triển để giải thích sự gia nhiệt bổ sung, nhưng không lý thuyết nào giải thích được sự mất cân bằng áp suất.

Nhìn vào các tài liệu tham khảo được trích dẫn:

[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,

Tài liệu tham khảo (1) đã xuất bản từ năm 1997. Do đó, ngay từ thời điểm đó hiện tượng chưa được giải thích này đã được ghi nhận. Deeney là người đứng đầu các thí nghiệm trên máy Z. Tôi chưa đọc các bài báo này. Nếu ai đó có thể gửi cho tôi bản PDF, tôi có thể đọc và đưa ra thêm bình luận.

Bỏ qua phần trung tâm, hãy đến kết luận của bài báo:

công suất tính toán

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	Kết luận, có vẻ như các bất ổn MHD bước sóng ngắn m = 0 tại trạng thái dừng trong các quá trình nén khối lượng thấp cung cấp sự gia nhiệt nhanh của ion đến nhiệt độ kỷ lục trên 200 keV. Những nhiệt độ này đã được đo, năng lượng đến từ việc chuyển hóa năng lượng từ trường trong khoảng thời gian 5 ns. Các ion làm nóng electron, và electron ngay lập tức phát bức xạ năng lượng. Hơn nữa, các vạch quang phổ mở rộng do nhiệt độ ion cao sẽ cho phép công suất bức xạ lớn hơn nhờ giảm độ che khuất. Cơ chế đề xuất cung cấp lời giải hợp lý cho một số hiện tượng cơ bản quan trọng đối với động lực học Z pinch, bao gồm cân bằng áp suất tại trạng thái dừng, sự vắng mặt của sụp đổ bức xạ, và sự vượt trội rõ rệt về bức xạ X.

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

Kết luận, có vẻ như các bất ổn MHD bước sóng ngắn m = 0 tại trạng thái dừng trong các quá trình nén khối lượng thấp cung cấp sự gia nhiệt nhanh của ion đến nhiệt độ kỷ lục trên 200 keV. Những nhiệt độ này đã được đo, năng lượng đến từ việc chuyển hóa năng lượng từ trường trong khoảng thời gian 5 ns. Các ion làm nóng electron, và electron ngay lập tức phát bức xạ năng lượng. Hơn nữa, các vạch quang phổ mở rộng do nhiệt độ ion cao sẽ cho phép công suất bức xạ lớn hơn nhờ giảm độ che khuất. Cơ chế đề xuất cung cấp lời giải hợp lý cho một số hiện tượng cơ bản quan trọng đối với động lực học Z pinch, bao gồm cân bằng áp suất tại trạng thái dừng, sự vắng mặt của sụp đổ bức xạ, và sự vượt trội rõ rệt về bức xạ X.

Tóm lại, có vẻ như các bất ổn MHD bước sóng ngắn m = 0 xảy ra ở trạng thái dừng trong các vụ nổ khối lượng thấp tạo ra sự gia nhiệt nhanh của ion đến nhiệt độ ghi nhận là trên 200 keV. Những nhiệt độ này đã được đo, năng lượng đến từ sự chuyển đổi năng lượng từ trường trong khoảng thời gian 5 ns. Các ion làm nóng các electron, những electron này tức thì bức xạ năng lượng. Ngoài ra, các đường phổ mở rộng do nhiệt độ ion cao sẽ cho phép công suất bức xạ lớn hơn do độ trong suốt giảm. Cơ chế đề xuất cung cấp một lời giải thích hợp lý cho một số hiện tượng quan trọng đối với động lực học Z-pinch, bao gồm sự cân bằng áp suất tại dừng, sự vắng mặt của sự sụp đổ bức xạ, và sự dư thừa đáng kể của bức xạ X.

Trong kết luận, có vẻ như các bất ổn m = 0 có bước sóng ngắn xảy ra trong điều kiện dừng, liên quan đến khối lượng nhỏ, tạo ra sự gia nhiệt nhanh của ion đến nhiệt độ kỷ lục là 200 keV (hai tỷ độ). Những nhiệt độ như vậy đã được đo, sự chuyển đổi năng lượng từ trường thành năng lượng động học xảy ra trong khoảng thời gian 5 nanosecond. Ngoài ra, hiện tượng mở rộng các vạch phổ, liên quan đến nhiệt độ ion cao, cho phép phát xạ bức xạ lớn hơn do sự giảm độ trong suốt. Cơ chế đề xuất cung cấp một lời giải thích hợp lý cho một số hiện tượng quan trọng đối với nghiên cứu động lực học Z-pinch, bao gồm sự cân bằng áp suất tại dừng, sự vắng mặt của sự sụp đổ bức xạ và sự dư thừa đáng kể của bức xạ X.

Phương trình (1) trong bài viết được trích dẫn là "mối quan hệ của Bennet", xuất bản năm 1934 (được đề cập trong tài liệu tham khảo (1)). Nó có thể được phục hồi mà không gặp nhiều khó khăn. Nó đơn giản biểu thị rằng áp suất từ trường bằng áp suất trong plasma. Áp suất từ trường đã được nêu trên. Áp suất tổng trong plasma được cho là tổng của các áp suất riêng phần tạo thành sự đóng góp:

của khí electron ne k Te
và của khí ion ni k Ti

trong đó k là hằng số Boltzmann.

Nếu Z là mức độ ion hóa

ne = Z ni

Nếu nhiệt độ tuyệt đối được biểu diễn bằng electron-vôn thay vì độ Kelvin, với

k T = e V

thì áp suất trong plasma được viết là:

ni e ( Ti + Z Te )

Chúng ta thấy xuất hiện vế phải của "mối quan hệ của Bennet". Ngoài ra, chúng ta đã thiết lập rằng:

r là bán kính nhỏ nhất của dây plasma bị nén dọc theo trục. Bennet sau đó đưa vào số lượng ion trên mét Ni.

Điều này cho ra (Bennet, 1934)

Biểu thức này đáng chú ý vì bán kính nhỏ nhất của dây plasma không xuất hiện. Tại sao?

Khi dây plasma co lại, áp suất từ trường tác động lên nó tăng theo nghịch đảo của bình phương bán kính của nó. Tuy nhiên, mật độ ion cũng tăng theo cùng cách. Điều này bù đắp cho nhau. Điều kỳ lạ là sự khác biệt lớn giữa nhiệt độ ion và nhiệt độ electron không phụ thuộc vào bán kính cuối cùng của dây plasma, có thể rất nhỏ. Chúng ta có một phương trình vi phân mô tả sự thay đổi của bán kính r của plasma theo thời gian:

Chúng ta có thể tính toán hình dạng của các đường cong (với điều kiện có luật tăng của dòng điện I(t), đó là "đầu vào" của bài toán. Theo nguyên tắc, trong các máy Z, sự gia tăng này gần như tuyến tính, trừ khi có sai lầm). Sự giảm của r trở nên rõ rệt hơn. Tôi muốn nói rằng tốc độ nén tăng dần khi r giảm. Nếu r trở thành 0, tốc độ nén sẽ trở nên vô hạn. Tuy nhiên, khi viết phương trình này, chúng ta đã quên một điều: lực áp suất chống lại sự nén. Chúng ta nên tính đến điều này. Như vậy, vấn đề trở nên phức tạp hơn so với vẻ ngoài. Áp suất chống lại sự nén phụ thuộc vào nhiệt độ ion. Tuy nhiên, chúng ta không thể mô hình hóa nó vì theo Haines, sự gia tăng của nó phụ thuộc vào một hiện tượng mà chúng ta không thể xử lý: gia nhiệt plasma bởi các bất ổn MHD vi mô.

Tóm lại: chúng ta nên biết dừng lại khi cố gắng mô hình hóa và ngừng tính đến tất cả các tham số. Chúng ta có công thức:

nhưng chúng ta không biết tốc độ V của ion ở cuối quá trình nén. Việc đưa ra tốc độ trung bình (bán kính của ống dẫn trên thời gian nén) không có nhiều ý nghĩa vì tốc độ tăng ở cuối quá trình nén.

Haines sau đó tham khảo một thử nghiệm cụ thể của máy Z, Z1141, trong đó khối lượng của ống dẫn trên mét là 450 mg dây thép không gỉ (4,5 10-5 kg/m), sắp xếp thành hai vòng tròn đồng tâm, vòng đầu tiên có đường kính 55 mm, có khối lượng gấp đôi vòng thứ hai có đường kính 27,5 mm.

Một chút sau, Haines sẽ sử dụng giá trị của Ni (số ion trên mét) là 3,41 1020. Khối lượng của một nguyên tử sắt là 9 10-26 kg, nếu tôi chia 4,5 10-5 kg/m cho khối lượng này, tôi nhận được 5 1020. Tuy nhiên, ông ấy nhấn mạnh rằng trong quá trình nén, 30% khối lượng "bị mất trên đường đi". Do đó, chúng ta gần đúng với con số của ông ấy.

Ông chỉ ra rằng các phép đo nhiệt độ electron cho thấy 3 keV vào thời điểm dừng, tức là 35 triệu độ. Ông nhấn mạnh rằng dòng điện được tăng lên đến 18 megampere trong 100 nanosecond. Ông ước tính rằng 30% khối lượng "bị mất trên đường đi", nhưng 70% đã đến đúng nơi. Thật vậy, điều này xuất hiện từ tất cả các nghiên cứu này với các ống dẫn dây (luận văn của Bavay). Trong quá trình sụp đổ, các dây "bốc hơi" như những ngôi sao chổi đang giải phóng khí. Chúng để lại "dấu vết" của plasma, khối lượng có thể chiếm 30 đến 50% khối lượng của dây.

Với Ni = 3,41 1020 ion trên mét và Z = 26 (sắt), áp dụng mối quan hệ của Bennet với điện tích đơn vị e = 1,6 10-19 (Coulomb)

mo = 4 p 10-7 MKSA

Tính toán (Ti + Z Te):

điều này tương ứng với 3,44 tỷ độ. Khi đường kính của dây plasma đi qua giá trị nhỏ nhất, nhiệt độ ion được đo là 270 keV, tức là 3,12 tỷ độ. Với phạm vi sai số, sự phù hợp này là đáng kinh ngạc.

26 tháng 6 năm 2006

Làm thế nào để đánh giá nhiệt độ ion trong một thiết lập (J.P.Petit 27 tháng 6 năm 2006)

Chúng ta hãy xem lại chi tiết việc thiết lập phương trình vi phân mô tả động lực học của một phần tử của ống dẫn chịu lực điện từ hướng tâm. Hãy xem lại toàn bộ. Chúng ta dễ dàng thiết lập rằng từ trường tạo ra bởi một dải dây được sắp xếp theo hình trụ tương đương với từ trường được tạo ra bởi một dây duy nhất được đặt dọc theo trục và đi qua toàn bộ dòng điện. Như sau:

Có n dây. Trong mỗi dây, dòng điện I/n đi qua. Dòng điện này chịu lực Laplace, theo đơn vị chiều dài:

Gọi M là khối lượng trên đơn vị chiều dài của ống dẫn. Trong khi dây chưa bị bốc hơi, phương trình vi phân được thiết lập bằng cách viết:

trong đó I phụ thuộc vào thời gian, ngoài ra. Nhưng đó là dữ liệu của phương trình vi phân.

Bây giờ thay thế dây bằng hơi kim loại. Cụ thể hơn, thay thế toàn bộ hệ thống dây bằng một khối plasma, một "pinch". Khối này vẫn được đi qua bởi dòng điện I. Trên bề mặt, chúng ta có thể tính toán từ trường B, luôn theo công thức tương tự. Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể đưa vào một lực áp suất, có xu hướng ngăn chặn sự nén này. Áp suất này là áp suất ion

Chúng ta không thể kiểm soát được vì nó phụ thuộc vào năng lượng được truyền cho ion theo một cách chưa rõ ràng, nhờ các bất ổn MHD, theo Haines. Chúng ta có lực Laplace tác động lên mỗi "dây" hoặc mỗi phần của plasma tương ứng với phần 2π/n mà nó chiếm giữ. Lực áp suất tác động lên phần này theo đơn vị chiều dài là:

Tôi có thể nhận được phương trình vi phân của chuyển động bằng cách viết:

Chúng ta có:

khi đưa vào phương trình:

Vì chúng ta không biết cách mô tả sự thay đổi của nhiệt độ ion theo thời gian, vì nó phụ thuộc vào nguồn năng lượng bên ngoài, chúng ta không thể đi xa hơn, trừ khi chúng ta cố gắng đánh giá giá trị của nhiệt độ ion khi gia tốc bằng không, trong "điều kiện dừng", khi gia tốc bằng không, r'' = 0. Khi đó, chúng ta nhận được:

Chúng ta thấy rằng nhiệt độ ion này (đây là một cấp độ gần đúng trong tính toán thô), tương ứng với "điều kiện dừng" phụ thuộc vào bình phương của cường độ điện tổng thể I và tăng khi số ion trên mét giảm. Do đó, với cùng một khối lượng và cùng một hình dạng của ống dẫn, chúng ta nên sử dụng các nguyên tử nặng hơn, như đề xuất bởi một cựu nhân viên của DAM (Phân khoa Ứng dụng Quân sự), ví dụ như vàng, dẻo, dễ gia công, nặng gấp bốn lần so với thép không gỉ. Với cấu hình của máy Z của Sandia, chúng ta có thể kỳ vọng đạt được nhiệt độ mười tỷ độ nếu sử dụng dây vàng.

Tuy nhiên, điều đó vẫn cần phải kiểm soát tất cả các tham số, tức là chúng ta phải biết "tại sao nó đã hoạt động". Tốc độ bốc hơi của vật liệu có thể đóng vai trò quan trọng. Càng thấp, càng lâu ống dẫn sẽ ở dạng dây riêng lẻ, duy trì tính đối xứng trục. Nếu tốc độ bốc hơi của vàng quá cao, việc thay thế thép không gỉ bằng vật liệu này có thể mang lại kết quả kém hơn. Tuy nhiên, dù sao cũng nên thử. Và thử với cường độ cao hơn. Những gì người Mỹ đạt được với ZR, có thể phát triển 28 triệu ampe thay vì 20? Theo lý thuyết, nhiệt độ ion nên đạt được các giá trị cao hơn. Có thể là năm tỷ độ.

Nếu chúng ta tin vào biểu thức này, cho thấy xu hướng của thí nghiệm, cách các tham số nên ảnh hưởng đến nhiệt độ ion ở cuối nén, điều này cho thấy rằng với cấu hình tương tự như máy Z của Sandia, máy phát Gramat không thể vượt quá 50 triệu độ. Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu hình khác. Xem thêm bên dưới.

26 tháng 6 năm 2006

Làm thế nào để đánh giá nhiệt độ ion trong một thiết lập (J.P.Petit 27 tháng 6 năm 2006)

Có n dây. Trong mỗi dây, dòng điện I/n đi qua. Dòng điện này chịu lực Laplace, theo đơn vị chiều dài:

Gọi M là khối lượng trên đơn vị chiều dài của ống dẫn. Trong khi dây chưa bị bốc hơi, phương trình vi phân được thiết lập bằng cách viết:

trong đó I phụ thuộc vào thời gian, ngoài ra. Nhưng đó là dữ liệu của phương trình vi phân.

= n

k T

Tôi có thể nhận được phương trình vi phân của chuyển động bằng cách viết:

Chúng ta có:

khi đưa vào phương trình:

Trở lại công thức của Bennet. Trong thí nghiệm của Sandia, nhiệt độ electron Te được đo (theo phát xạ tia X) là 3 keV. Với Z = 26, ta có:

Z Te = 78

Do đó, áp suất không đến từ khí electron! Còn lại để cân bằng áp suất từ trường (mối quan hệ của Bennet) là áp suất của ion. Nhưng chúng phải ở nhiệt độ 219 keV, tức là ... 2,54 tỷ độ! Thật vậy, ta cần:

Ti + 78 (đo được) = 296

Nhưng đó chưa phải là tất cả. Trước những thí nghiệm này, Sandia đã thực hiện các thí nghiệm với "gas puff" (bơm khí) được đưa vào trung tâm hệ thống và nén bằng ống dẫn dây.

Tuy nhiên, sự bất nhất về cân bằng áp suất cũng xảy ra trong các vụ nén Z-pinch với "gas puff" [9], trong đó các hồ sơ mật độ và nhiệt độ đã thực sự được đo tại thời điểm dừng, nhưng cũng có nhiệt độ ion được đo cao chưa từng thấy là 36 keV.

Dù sao, sự bất nhất về cân bằng áp suất cũng được tìm thấy trong các thí nghiệm Z-pinch sử dụng "gas puff" (9), trong đó các hồ sơ mật độ và nhiệt độ đã được đo tại thời điểm dừng, nhưng cũng có nhiệt độ ion là 36 keV (3 triệu độ) chưa được giải thích.

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

Một lần nữa, nếu một người đọc có thể gửi cho tôi tệp PDF của tài liệu tham khảo (9), tôi sẽ xem xét kỹ hơn.

Haines loại bỏ sự gia nhiệt do điện trở, hiệu ứng Joule mà Yonas đã hướng đến. Ví dụ, ông chỉ ra rằng để gia nhiệt một pinch có đường kính 2 mm đến 3 keV (chỉ 3 triệu độ) cần 8 microsecond!

Ông chỉ xem xét từ trường xung quanh như nguồn năng lượng có thể. Sau đó, ông đề xuất sử dụng sự gia nhiệt ion thông qua các bất ổn MHD ở bước sóng rất ngắn, sau đó là sự phân chia đều, sự gia nhiệt khí electron thông qua va chạm ion-electron, và cuối cùng điều này dẫn đến phát xạ năng lượng của chính các electron này (bức xạ chậm, hay bức xạ hãm, tức là tương tác với từ trường).

Phần tiếp theo nói về bản chất của các bất ổn MHD được đề cập. Chúng ta đi đến phương trình năng lượng được viết như sau:

k là hằng số Boltzmann và neq là tần số va chạm. CA là tốc độ Halfven, Cs là tốc độ âm thanh, a là đường kính nhỏ nhất của plasma. Tuy nhiên, Haines viết phương trình này theo cách khác bằng cách đặt nhiệt độ theo electron-vôn và thay thế tần số va chạm bằng nghịch đảo của nó, thời gian tự do trung bình teq.

So với các plasma không cân bằng như ví dụ như bóng đèn neon trong nhà bạn, bạn sẽ nhận thấy rằng lần này nhiệt độ ion cao hơn nhiệt độ electron (trong khi trong bóng đèn, ngược lại: khí electron nóng, neon lạnh). Dưới đây là phương trình cho môi trường không cân bằng như một bóng đèn neon đơn giản.

Thành phần bên trái biểu diễn sự gia nhiệt của khí electron do hiệu ứng Joule. J là vector mật độ dòng điện và s là độ dẫn điện. Thành phần bên phải, của phương trình trước, được đọc như sau. Chúng ta có ở mẫu số thời gian tự do trung bình của electron trong neon, nghịch đảo của nó là tần số va chạm. Khi các electron truyền năng lượng cho các ion, chúng làm điều đó một cách khó khăn và một hệ số, tỷ lệ khối lượng, xuất hiện trong phương trình.

Tuy nhiên, khi một ion va chạm với một electron, hiệu suất truyền năng lượng là đơn vị. Do đó, hệ số tỷ lệ khối lượng biến mất, hoặc nói đúng hơn, bằng ... đơn vị. Haines sau đó đưa ra công thức chuẩn để tính tần số va chạm electron-ion. Chúng ta ở trong "chế độ Coulomb". Chúng ta tìm thấy trong biểu thức tiết diện va chạm electron-ion. Những người biết lý thuyết động học của khí sẽ nhận ra biểu thức chuẩn này.

Phần liên quan đến sự hình thành các bất ổn MHD vẫn còn sơ sài, đặc biệt là vì tham số Hall của ion lớn hơn 1.

Điều ảnh hưởng đến tham số này là tần số va chạm ion-ion.

Yonas đã viết cho tôi rằng "lý thuyết của Haines giải thích tốt trạng thái không cân bằng này" nhưng tôi chỉ nửa tin. Nói cách khác, "giải thích" của Haines vẫn còn rất sơ khai và chỉ gồm khoảng hai mươi dòng. Ông giả định rằng các bất ổn này ảnh hưởng đến các ion và gây ra sự gia nhiệt nhớt trong môi trường này.

Người đọc có thể tự hỏi các bất ổn này trông như thế nào và làm thế nào chúng xuất hiện. Sự phân tán do hiệu ứng Joule, theo đơn vị thể tích:

Các bất ổn được xem xét tạo ra sự rối loạn của mật độ dòng điện. Các đường dòng điện thắt lại, mở rộng, thắt lại, theo các bước sóng dài mà Haines tính bằng micromet hoặc chục micromet. Đây là các bất ổn vi mô. Nếu mật độ dòng điện địa phương tăng, điều này đi kèm với sự tăng cường của từ trường, và ngược lại. Đây là sự rối loạn điện từ, đặc trưng cho các pinch. Chúng ta có thể tìm thấy các rối loạn này trong ... sấm sét. Một tia sét không kéo dài lâu, nhưng các hình ảnh bạn có thể chụp được khi tia sét đang tan rã cho thấy các giọt plasma, xếp hàng. Trong trường hợp này, khí (không khí) không được ion hóa hoàn toàn. Khi pinch xảy ra, mật độ dòng điện tăng, nhiệt độ electron cũng tăng. Tia sét là một tia điện. Các cơ chế xảy ra trong đó phức tạp. Sự gia tăng cường độ dòng điện gây ra sự gia tăng phát nhiệt do hiệu ứng Joule. Dây plasma giãn nở, v.v...

Các bất ổn vi mô được đề xuất bởi Haines là "cousins" của các bất ổn đó. Có các pinch vi mô xảy ra. Giá trị địa phương của mật độ dòng điện tăng, dẫn đến giá trị tăng của từ trường và áp suất từ trường xung quanh. Sự tăng này có xu hướng làm tăng thêm sự co lại. Đây là nền tảng của sự bất ổn tự phát của plasma, của sự rối loạn điện từ này. Sau đó, có thể xảy ra ... rất nhiều điều mà chỉ có tính toán mới có thể lý thuyết hóa, mà Haines không thực hiện. Ít nhất, ta có thể nói rằng môi trường rất phức tạp. Giả sử, trước khi các bất ổn bắt đầu làm nóng các ion trong plasma, nhiệt độ của cả hai, electron và ion, bằng nhau, ví dụ 20 triệu độ. Một pinch xảy ra. Điều này dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ electron. Điều này tạo ra sự thoát ra của các electron mới. Điều này phụ thuộc vào "thời gian đặc trưng của ion hóa". Một lần nữa, dữ liệu, tính toán. Tuy nhiên, khác với bất ổn của Vélikhov, bất ổn này ảnh hưởng đến khí ion, bằng "tính nhớt". Về mặt vật lý, các pinch "lắc" các ion theo hướng bán kính.

Tôi xin nhấn mạnh rằng trong các plasma này, dòng điện là dòng điện electron và không do dòng ion tạo ra. Plasma được nối với các điện cực kim loại. Khi pinch xảy ra, từ trường và lực Laplace tăng lên, mà đầu tiên chịu tác động là các electron, những electron này truyền xung lực này cho các ion thông qua va chạm. Sự thắt chặt của các đường dòng điện electron tạo ra một điện trường hướng tâm tác động lên các ion, kéo chúng lại. Trong bất ổn này, có một hiện tượng rối loạn vi mô ảnh hưởng đến khí electron, mà sau đó truyền các "sự rung động" này cho khí ion. Thời gian đặc trưng của nhiệt độ hóa trong khí ion rất ngắn (37 picosecond).

Sau đó, ông viết phương trình năng lượng, liên quan đến khí ion, bằng cách đưa vào thành phần đầu tiên sự cung cấp do gia nhiệt nhớt bởi các bất ổn;

Thời gian đặc trưng xuất hiện ở mẫu số của thành phần thứ hai là thời gian tự do trung bình của các ion dưới tác động của va chạm với các electron. Đó là "thời gian phân chia đều", thời gian đặc trưng để cân bằng nhiệt độ giữa khí ion và khí electron. Haines tính nó là "khoảng 5 ns".

Chúng ta lưu ý rằng thời gian phân chia đều này liên quan đến tỷ lệ (mi / me). Càng dài, khí ion và khí electron càng ít được liên kết. Đối với các ion sắt, tỷ lệ này là:

Chúng ta có thể tự hỏi liệu trong quá trình này, có thể xem xét phân bố vận tốc trong môi trường ion là phân bố Maxwell hay không. Haines giải thích điều này bằng cách đưa ra giá trị thời gian thư giãn nhiệt độ tii trong môi trường này mà ông tính là 37 picosecond. Vì thời gian này ngắn hơn đáng kể so với thời gian phân chia đều, Haines suy ra rằng khí ion được cân bằng nhiệt, theo phân bố Maxwell. Sau đó, ông sử dụng công thức trên với các giá trị mà ông chọn, điều này đưa ông đến các bước sóng của các bất ổn MHD vi mô từ một phần trăm đến một phần mười milimét.

Trong biểu thức này, A là khối lượng nguyên tử của sắt (55,8), a là đường kính nhỏ nhất của pinch, I là cường độ điện đi qua dây plasma (không còn nói về ống dẫn dây: những ống này đã chuyển thành plasma).

Câu nói quan trọng là:

Vì vậy, đối với các Z-pinch ở trạng thái dừng, nếu thời gian phân chia đều

dài hơn đáng kể so với tỷ lệ a / c

của đường kính pinch và tốc độ Alfvèn, nhiệt độ ion có thể lớn hơn đáng kể so với nhiệt độ electron.

Quay lại thí nghiệm được lấy làm tham khảo, Haines chọn đường kính của dây plasma là 3,6 mm. Với các giá trị này, ông nhận được "kết quả phù hợp với giá trị 219 keV cho nhiệt độ ion (2,5 tỷ độ Kelvin). Ông nhắc lại rằng trong thí nghiệm Saturn (tham khảo 3), tỷ lệ tương tự 3 đến 4 đã được tìm thấy cho tỷ lệ giữa năng lượng nhiệt của ion và năng lượng động của pinch, nhưng lúc đó không có phép đo nhiệt độ ion được thực hiện. Sự khác biệt duy nhất là ngày nay các nhà thí nghiệm có các phép đo này, sẽ được mô tả chi tiết hơn.

Điều này là đúng:

Thực tế, không có chương trình nào có thể mô phỏng các thí nghiệm này về thiết bị có đường kính lớn mà không có cách định nghĩa nhân tạo này. Các mô phỏng 2D và 3D của các vụ nén ống dẫn dây nói chung [9] yêu cầu, như các tham số đầu vào, biết được bước sóng và biên độ ban đầu của các chế độ, và giá trị của độ dẫn điện của "chân không", được xác định là nơi mật độ plasma giảm xuống dưới một giá trị nhất định. Ngoài ra, không có mô phỏng nào hiện tại bao gồm độ nhớt ion (chưa nói đến toàn bộ tensor ứng suất) hoặc lưới đủ tinh để mô hình hóa các bất ổn bước sóng ngắn được đề xuất ở đây. Thường thì một quy trình tùy tiện được sử dụng để ngăn ngừa sự sụp đổ bức xạ.

Các nhận định này làm giảm bớt lời giải thích về sự gia nhiệt ion thông qua tương tác với từ trường xung quanh.

Các phép đo nhiệt độ ion bằng cách mở rộng các vạch phổ, do hiệu ứng Doppler, đã được thực hiện, đồng thời theo thời gian và sử dụng một máy quang phổ tinh thể LiF ở cách 6,64 mét khỏi pinch. Xem bài viết để biết các chi tiết kỹ thuật liên quan đến máy quang phổ này. Dưới đây là quang phổ phát xạ:

Chúng ta thấy trong thép không gỉ này được sử dụng trong thí nghiệm Z1141, ngoài các vạch của crom và sắt chiếm ưu thế, còn có các vạch của mangan và niken. Chúng tôi đã dựa vào việc đánh giá nhiệt độ bằng cách lấy vạch của sắt ở 8,49 keV và vạch của mangan ở 6,18 keV. Các phép đo trên các vạch này, dù yếu hơn, ít bị ảnh hưởng bởi độ trong suốt.

Sau đó, bài viết chứng minh độ tin cậy của các phép đo nhiệt độ này, sai số được đánh giá là 35 keV. Dưới đây là sự thay đổi của nhiệt độ, công suất bức xạ và đường kính của pinch theo thời gian.

Chúng ta sẽ nhận thấy rằng các thanh lỗi liên quan đến (ba) phép đo nhiệt độ ion sắt không được hiển thị trên biểu đồ. Tuy nhiên, trong bài viết, chúng ta đọc:

Một sai số hệ thống 35 keV được gán cho các phép đo nhiệt độ do sự không chắc chắn trong việc xác định độ rộng vạch phổ.

Các tác giả đã đơn giản là quên mất việc ghi chú chúng. Đừng quên rằng họ có sáu người. Hoặc một người chịu trách nhiệm viết và các người còn lại ký tên, hoặc mỗi người góp một phần nhỏ, bài báo lúc đó sẽ mang vẻ ngoài như một mảnh ghép. Người đọc quyết định. Vì vậy, ta sẽ bổ sung thêm các đoạn sai số này.

Ta thấy rằng các điểm đo nhiệt độ của ion sắt nằm trong khoảng sai số của các điểm đo nhiệt độ ion mangan, và ngược lại. Trong biểu đồ, nhiệt độ đo được của ion sắt tăng từ 200 đến 300 keV, nhưng vì các phép đo này bị trộn lẫn, không xem xét sự khác biệt nhiệt độ (35 keV) giữa các quần thể ion sắt và ion mangan (có lẽ hoàn toàn đúng), các tác giả đưa ra các giá trị trung gian từ 230 keV (2,66 tỷ độ Kelvin) đến 320 keV (3,7 tỷ độ). Ta thực sự đang ở mức "vượt quá 2×10⁹ Kelvin", "vượt quá hai tỷ độ" và không chỉ một chút, vì giá trị cực đại đạt tới 3,7 tỷ độ. Hơn nữa, xét theo hình dạng đường cong, không loại trừ khả năng giá trị cao hơn có thể được đo nếu thử nghiệm được lặp lại giống hệt nhưng đặt bốn ảnh thu được sớm hơn 5 ns. Và nếu sự gia tăng nhiệt độ này, liên quan đến hiện tượng làm nóng các ion mà Haines cố gắng giải thích, được duy trì thì không phải là hai tỷ độ mà ta có thể nghĩ tới, mà là... bốn (ta nhắc lại rằng trong siêu tân tinh, nhiệt độ có thể lên tới mười tỷ độ).

Một cách hợp lý, xét đến độ tin cậy của các phép đo nhiệt độ, các tác giả lẽ ra nên đặt tiêu đề: "Nhiệt độ 3,7 tỷ độ đã được đạt tới", đồng thời ghi chú "giá trị kỷ lục", nhưng họ chỉ dừng lại ở việc nói "vượt quá hai tỷ độ". Tại sao lại có sự... e dè này? Ngoài ra, hãy lưu ý rằng:

Với 500 triệu độ, bingo cho phản ứng tổng hợp (không gây ô nhiễm) lithium-hydrogen
Với một tỷ độ, bingo cho phản ứng phân hạch (không gây ô nhiễm) boron-hydrogen
Với bốn tỷ độ thì sao? (xin các chuyên gia về hạt nhân trả lời giúp)
Nếu một ngày nào đó ta đạt được mười tỷ độ, thì tất cả các phản ứng tổng hợp hạt nhân tạo thành các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendeleev sẽ trở nên khả thi. Tức là toàn bộ dải sự kiện của "Ngày Sáng Thế".

Gọi tôi là Thượng Đế đi...

Cùng biểu đồ đó, vẽ sự thay đổi theo thời gian, đường trung bình màu đen, được giữ lại trong bài báo.

Ta thấy rằng đường kính plasma đạt cực tiểu ngay trước t = 110 ns. Ta có phát xạ tia X kéo dài khoảng 5 ns. Lưu ý các giá trị nhiệt độ cực đại được ghi nhận. 300 keV (3,48 tỷ độ) cho ion sắt và 340 keV (3,94 tỷ độ) cho ion mangan.

Ghi chú: Công thức Bennet:

mo I² = 8 p Ni ( Ti + Z Te )

cho ra (xem phần trên) 2,5 tỷ độ cho sắt. Tính toán này liên quan đến thử nghiệm Z1141 (18 triệu ampe, liner 450 mg), cũng như Hình 1. Nhưng các phân tích và dữ liệu trình bày trong bài báo này liên quan đến ba thử nghiệm (Z1141, Z1137 và Z1386).

Bình luận của tôi:

Hãy quay lại tiêu đề bài báo của Haines: "over 2 x 10⁹ Kelvin", có nghĩa là "vượt quá hai tỷ độ". Trong những năm trước, các hệ thống này chỉ đạt được một triệu rưỡi, hai triệu độ và hơn thế, đột nhiên máy móc bùng nổ. Người đọc có thể ngạc nhiên về sự vắng mặt của bức xạ từ carbon. Nhưng (theo Wikipedia) thép không gỉ austenit chứa rất ít carbon (dưới 0,15%). Xem khung bên.

Thép không gỉ austenit chiếm hơn 70% tổng sản lượng thép không gỉ. Chúng chứa tối đa 0,15% carbon, tối thiểu 16% crom và đủ niken và/hoặc mangan để duy trì cấu trúc austenit ở mọi nhiệt độ, từ vùng đông lạnh đến điểm nóng chảy của hợp kim.

Thép austenit (một cấu trúc tinh thể đặc biệt) chiếm 70% sản lượng. Chúng chứa tối đa 0,15% carbon (...), tối thiểu 16% crom và đủ niken và/hoặc mangan để duy trì cấu trúc austenit ở mọi nhiệt độ, từ nhiệt độ rất thấp (đông lạnh) đến điểm nóng chảy của hợp kim.

Ta đã đưa ra hai đường cong nhiệt độ cho khí ion sắt và khí ion mangan, dường như khác nhau. Nhưng về một mặt, khoảng sai số được chỉ ra cho mangan cho phép ta xem xét rằng hai nhiệt độ này thực tế có thể rất gần nhau. Về mặt khác, ion mangan, dù gần như có cùng điện tích với ion sắt (25 so với 26), lại nhẹ hơn gấp đôi (30 so với 58). Do đó, không loại trừ khả năng, dưới tác động của bất ổn MHD, hai khí này, liên kết chặt chẽ, có thể tạo ra một hiệu ứng lệch khỏi cân bằng nhẹ (12%) và sở hữu nhiệt độ khác nhau.

Haines: đường kính plasma đạt giá trị cực tiểu 1,5 mm, 2 nanosecond trước đỉnh phát xạ tia X. Ông ước tính rằng tại thời điểm đỉnh phát xạ được đạt tới, mật độ và "sự phân bố đều" phải đạt cực đại (tôi có xu hướng đọc là "xu hướng phân bố đều").

Hãy thử "làm nói" các đường cong này. Điều gì đang xảy ra?

Ta có bốn điểm đo nhiệt độ. Một điểm bị loại bỏ, đối với sắt, điểm thứ hai do vấn đề đo đạc. Số lượng nhỏ này tương ứng với toàn bộ những gì hệ thống ghi nhận được. Đã là điều kỳ diệu rồi, không chỉ có các phép đo nhiệt độ, mà còn có cái nhìn về sự thay đổi của chúng theo thời gian. Tuy nhiên, ta không thể tiếp cận các giá trị trước t = 105 ns và sau t = 115 ns.

Văn bản nói rằng vào thời điểm "dừng lại" (stagnation) của plasma, nhiệt độ điện tử đạt 3 keV, tức là 35 triệu độ. Điều này có nghĩa là tại thời điểm nhiệt độ này đạt cực đại, nó sẽ không tăng thêm quá 1/100 giá trị cực đại của nhiệt độ ion. Vì công suất phát ra tăng mạnh trong một xung rất ngắn, ta phải giả sử rằng trước t = 105 ns nó còn thấp hơn nhiều. Ta có cảm giác rằng nhiệt độ này sụp đổ, giảm đi 9 lần, vào khoảng t = 115 ns. Nhưng theo định luật Stefan, công suất bức xạ tỷ lệ với lũy thừa bốn của nhiệt độ. Do đó, sự giảm này thực tế nằm trong tỷ lệ căn bậc bốn của 9, tức là 1,73. Điều này đưa Te về khoảng 3 đến 1,68 keV. Tôi vẽ đường cong, gần đúng như sau:

Đường đen: sự thay đổi nhiệt độ điện tử. Đường đỏ: sự thay đổi công suất bức xạ (định luật Stefan)

Tại t = 105 ns, các ion đã nóng (T khoảng 200 keV). Do đó cơ chế làm nóng này, cần được làm rõ, phải xảy ra trước thời điểm dừng, khi trạng thái bức xạ của plasma đạt cực tiểu, nằm ở t = 110 ns.

Tóm tắt sơ lược: plasma nén lại. Không có hiện tượng bổ sung năng lượng này (cần làm rõ), nhưng Haines cho rằng nó đến từ chuyển hóa năng lượng từ trường thành nhiệt, thì plasma sẽ nén hoàn toàn, nếu nhiệt độ ion bằng nhiệt độ điện tử (dưới 20 triệu độ trước t = 105 giây).

Nhưng các ion được cung cấp năng lượng từ nguồn này. Nhiệt độ ion tăng lên. Sự liên kết giữa khí ion và khí điện tử xảy ra trong "thời gian đặc trưng phân bố đều" teq mà Haines ước tính là 5 ns. Thời gian tăng nhiệt độ điện tử vì vậy tương ứng với con số này (từ 107 đến 112 ns).

Haines nói rằng hiện tượng làm nóng khí ion này đủ để cân bằng áp suất từ trường, và "điều kiện dừng" thực sự đạt được vì vận tốc đặc trưng mà bán kính plasma thay đổi chỉ bằng 15% vận tốc nhiệt của các ion. Ta có thể ước lượng vận tốc dao động nhiệt của các ion sắt giữa giá trị cực tiểu và cực đại của nhiệt độ đo được.

Với nhiệt độ cực tiểu, 230 keV hay 2,66 tỷ độ: < Vi > = 1066 km/s
Với nhiệt độ cực đại, 320 keV hay 3,7 tỷ độ: < Vi > = 1258 km/s

Haines so sánh các giá trị này với "vận tốc mở rộng" của plasma và nói rằng nó chỉ bằng 15% giá trị đó. Bất kể cách đánh giá nào, lấy điểm trên đường cong, nó vẫn nhỏ hơn vận tốc nhiệt, điều này dường như thực sự cho thấy áp suất trong plasma đã cân bằng với áp suất từ trường.

Sau đó, đường kính plasma bắt đầu tăng trở lại. Tại sao? Vì quá trình làm nóng ion tiếp tục. Ta có thể thử tính toán sự mở rộng này.

Có một điều tôi chưa hiểu rõ lúc này: tại sao nhiệt độ điện tử lại giảm, khi khí điện tử vẫn tiếp tục được cung cấp năng lượng từ khí ion, vốn vẫn tiếp tục nóng lên, ít nhất trong khoảng thời gian mà ta có thể quan sát.

Chỉnh sửa: Vận tốc dao động nhiệt trong khí điện tử được làm nóng đến 3 keV (35 triệu độ) là bao nhiêu?

Giả sử ta có thể đưa dòng 18 triệu ampe qua một dây plasma đường kính 1,5 mm. Trường từ tại bề mặt tiếp xúc với plasma là bao nhiêu và áp suất từ trường tương ứng là bao nhiêu? (giả định dây dẫn là vô hạn, tất nhiên)

27 tháng 6 năm 2006: Một ý tưởng thú vị ở Pháp.

Trong một bài khác về các máy tích tụ từ trường, lấy cảm hứng từ các máy Nga những năm 1950, ta đã thấy nguyên lý của máy MK-1. Sau đó, người ta thử nghiệm với các liner không còn hình trụ mà là hình nón. Ta thu được "hiệu ứng đầu đạn rỗng". Khối lượng của liner khi tập trung dọc theo trục tạo ra một mũi tên phóng đi với vận tốc rất cao. Tôi nghĩ rằng họ đã đạt được vận tốc khoảng 80 km/s. Cần kiểm chứng. Dù sao, như Violent từng nhận xét với tôi, ta có thể hình dung các máy Z với liner dây không còn hình trụ mà là hình nón. Ta có thể hy vọng đạt được hiệu ứng đầu đạn rỗng tương tự. Các cấu hình khác có thể được tưởng tượng ra. MHD là nơi lý tưởng cho những giải pháp sáng tạo nhất. Dưới đây là một thiết bị gồm hai phần nón chung đáy. Nếu hai mũi tên plasma hình thành và va chạm vào nhau, ta có thể đạt được nhiệt độ cao hơn, ngay cả với một máy như ở Gramat.

Ta không thể làm gì hơn ngoài vẽ sơ đồ này. Có thể thực hiện các mô phỏng và, tất nhiên, các thí nghiệm.

Có một ý tưởng khác đang nổi lên: cho liner trượt trên một hình nón kép. Ý tưởng này không mới. Đây là sơ đồ tương ứng với một liner liên tục:

nén plasma trên nón kép

**Chỉ cần chuyển đổi, với một liner dây. **---

16 tháng 7 năm 2006. Giá trị tham số Hall bi = Wi tii đối với ion là bao nhiêu?

Trong bài báo của mình, Haines nói rằng nó lớn hơn đơn vị. Tham số này là tỷ số giữa tần số gyro và tần số va chạm. Theo Haines, tần số va chạm ion chủ yếu là tần số va chạm ion-ion. Nghịch đảo của nó, thời gian phục hồi tii, được đưa ra là 37 picosecond. Điều này cho ra tần số va chạm:

nii = 3 × 10¹⁰

Tần số gyro là:

tần số gyro của ion

Điều này cho giá trị bi = 0,258 Z cho tham số Hall của ion, Z là điện tích ion (tối đa 26 nếu ion bị mất hoàn toàn electron). Như vậy, như Haines nói, tham số Hall lớn hơn đơn vị. Một công việc đầy thách thức cho các nhà lý thuyết như chúng ta.

laplace

Dữ liệu phụ thêm (nguồn: http://www.sandia.gov/pulsedpower/prog_cap/pub_papers/023862p.pdf)

Hình dạng đặc trưng của quá trình phóng điện trong máy Z:

Chính độ ngắn gọn của quá trình tăng cường dòng điện (100 nanosecond) đã giúp đạt được kết quả này trên máy Sandia. Thật ra, người ta phát hiện ra rằng sự bốc hơi của dây dẫn diễn ra chậm hơn dự kiến. Do đó cấu trúc "liner dây" đã tồn tại trong suốt quá trình nén, duy trì tính đối xứng trục, điều mà mất ngay lập tức khi vật thể biến thành màn plasma và bắt đầu xoắn lại dưới tác động của bất ổn MHD. Khi cố gắng nén một liner bằng kim loại hình trụ, ta sẽ gần giống như cố gắng ép một ống giấy trong tay. Tôi tin rằng người Pháp (máy Sphinx http://www.sandia.gov/pulsedpower/prog_cap/pub_papers/023862p.pdf, bài báo trình bày tại hội thảo Tomsk, Siberia tháng 9 năm 2006 http://www.sandia.gov/pulsedpower/prog_cap/pub_papers/023862p.pdf, thời gian tăng ngắn nhất: 800 nanosecond) đã không hiểu rõ rằng khía cạnh này là then chốt, điều mà Yonas đã nói ngay lập tức qua email năm 2006.

17 tháng 2 năm 2008: Một chi tiết về các phản ứng phụ liên quan đến công thức B¹¹ + H¹

Boron có 5 điện tích, hydro có 1. Carbon có 6, nitơ có 7.

Làm nguội plasma xảy ra qua bức xạ hãm. Công suất phát ra tỷ lệ với bình phương điện tích. Công suất phát tia X của một electron quay quanh nguyên tử boron do đó cao gấp 25 lần so với khi nó quay quanh nguyên tử hydro (dù nhẹ hay nặng, điều quan trọng là điện tích).

B¹¹ + H¹ → C¹¹ + n + 2,8 MeV
Thời gian sống của carbon C¹¹: 20 phút. Ta có thể mở buồng an toàn sau 10 giờ kể từ khi ngừng hoạt động.

B¹¹ + He⁴ → N¹¹ + n + 157 keV
Bảo vệ: 20 cm boron-10 hoặc 1 mét nước.

Độ phóng xạ do tạo ra trong điện cực berili: 5 microcurie mỗi năm (dữ liệu: kết luận của Lerner)

Theo Lerner, trong phản ứng tổng hợp xung này ta sử dụng các bất ổn MHD. Mô tả cơ chế của ông như sau: phóng điện "dạng ô dù" trước tiên có xu hướng tạo ra những vùng tập trung plasma tương tự như "các thanh đỡ của chiếc ô". Sau đó, các sợi plasma này cuộn lại dọc theo trục để tạo thành một dây plasma. Dây này, do bất ổn Kink, tự cấu hình "như một dây điện thoại xoắn". Trong cấu trúc này, các "plasmoide tự giữ" (tự giới hạn) hình thành, là những điểm nóng nhỏ gọn, thể tích nhỏ hơn một micromét khối. Trong các plasmoide này, từ trường có cấu trúc toro. Nén lại theo trục của plasmoide-droplet. Và lúc đó, theo Lerner, các phản ứng tổng hợp xảy ra.

18 tháng 3 năm 2008: Nhận xét sau khi một bài báo được đăng trên tạp chí Science et Avenir.

Nhà báo David Larousserie đã viết một bài có tựa đề "Những thành tựu của máy Z" trong số tháng 3 năm 2008 của tạp chí mà ông làm việc: Science et Avenir. Ông gọi điện cho tôi, hỏi tôi đã đọc ở đâu rằng các thí nghiệm của Sandia vào năm 2005–2006 đã vượt qua, không phải hai tỷ độ, mà là ba tỷ độ. Tôi đã dẫn ông đến bài báo của Haines, ngày 24 tháng 2 năm 2006, Hình 3, nơi rõ ràng nói rằng nhiệt độ ion tăng từ 230 đến 320 keV. Nếu tôi không nhầm, 320 keV tương đương với nhiệt độ 3,68 tỷ độ.

Ông không đề cập trong bài báo đến khả năng tổng hợp boron-hydrogen không phát nơtron, chỉ nhắc qua kỹ thuật holraum. Thông thường, bước tiến về nhiệt độ này bị đánh giá thấp trong các cộng đồng liên quan, dù trực tiếp hay gián tiếp, với dự án ITER, nơi người ta thích im lặng về khía cạnh này, cho rằng máy Z nên bị giới hạn trong các ứng dụng quân sự. Thật vậy, nếu một ngày nào đó người ta phát hiện ra rằng tương lai của tổng hợp hạt nhân đi qua những nhiệt độ cực cao (một tỷ độ), thì công nghệ Tokamak sẽ hoàn toàn không thể theo kịp.

Trong bài báo, Larousserie trích lại những gì ông thu thập được từ các cuộc trò chuyện với Alexander Chuvatin, từ phòng thí nghiệm vật lý và công nghệ plasma (LPTP) của Trường Polytechnique. Ông trích dẫn những lời này, mà chúng tôi xin trích dẫn:

- Ta không nên vội vàng về những nhiệt độ này. Chúng chỉ tồn tại trong khoảng thời gian quá ngắn và bị giới hạn trong các vùng bất ổn. Điều này khiến việc tổng hợp trở nên bất khả thi, vì cần đồng thời mật độ vật chất cao, thời gian giữ kín đủ dài và năng lượng cao.

Theo Larousserie, Chuvatin nói rằng ông đã đề xuất một giải thích cho hiện tượng bất thường mà Haines nêu ra ở đầu bài báo. Tôi trích dẫn phần mà Haines nhấn mạnh:

Có một số khó khăn trong việc hiểu năng lượng bức xạ trong vụ nén Z của dây lưới có thể lên tới 4 lần năng lượng động học [1,4] (các năm tham khảo: 1997 đến 2002, cho thấy vấn đề này không phải mới), và cũng là làm thế nào áp suất plasma có thể đủ để cân bằng áp suất từ trường tại điểm dừng nếu nhiệt độ ion và điện tử bằng nhau. Thực tế, về mặt lý thuyết, áp suất từ trường dư thừa nên tiếp tục nén plasma dẫn đến sụp đổ bức xạ. Một số lý thuyết đã được phát triển để giải thích sự gia tăng nhiệt độ bổ sung, nhưng không lý thuyết nào giải quyết được sự mất cân bằng áp suất.

Tôi thành thật thú nhận là tôi không hiểu rõ nhận xét của Chuvatin. Điều quan trọng là điều được rút ra từ công thức Bennet, đơn giản nói rằng áp suất plasma cân bằng với áp suất từ trường. Công thức này được đưa ra trong bài báo của Haines, và tôi đã chi tiết hóa cách lập luận (rất rõ ràng) của nó:

công thức Bennet

Haines nhấn mạnh rõ ràng: để plasma không bị nén ép, nhiệt độ phải là 296 eV. Thực tế, điều mới mẻ trong bài báo năm 2006 là nhiệt độ ion này, trước đây suy ra từ công thức này, đã được đo bằng cách mở rộng vạch phổ và xác nhận. Về mặt này, bài báo của Haines rất rõ ràng.

Điều mà bình luận của Chuvatin ngụ ý là những nhiệt độ cực cao này "có thể chỉ quan trọng đối với những vùng rất nhỏ và rất bất ổn". Ta nghĩ đến các "điểm nóng" trong các thí nghiệm của Lerner, liên quan đến các plasmoide tự giữ kích thước vi mô. Nếu đó là ý tưởng, điều đó có nghĩa là chỉ những vùng thể tích rất nhỏ mới chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ cực cao như vậy. Nhưng ta không nên quên rằng nhiệt độ cũng là mật độ năng lượng, tính bằng joule trên mét khối. Nếu nhiệt độ này chỉ liên quan đến những phần rất nhỏ của plasma về thể tích và khối lượng, thì áp suất phải được suy ra từ đánh giá mật độ năng lượng trung bình. Và công thức Bennet sẽ không còn đúng.

Tôi thấy đơn giản hơn, xét rằng phép đo nhiệt độ bằng quang phổ phù hợp tốt với công thức Bennet, để kết luận rằng sự gia tăng nhiệt độ này có khả năng ảnh hưởng đến toàn bộ khối lượng dây plasma, chứ không phải chỉ những điểm nóng nhỏ bé.

Về khả năng thực hiện tổng hợp: chúng ta rõ ràng chưa đến mức đó, dù tổng hợp D-T đã được xem xét tại Mỹ. Nhưng không thể phủ nhận rằng các Z-pinches như máy Z đại diện cho một hướng đi cực kỳ hấp dẫn, so với các chương trình nặng nề và đầy rủi ro như ITER hay MEGAJOULE, đồng thời có chi phí thấp hơn hai bậc và độ linh hoạt đáng kinh ngạc. Thật đáng tiếc rằng hai năm đã trôi qua kể từ khi bài báo của Haines được công bố mà không có phản ứng nào ở Pháp, ngoại trừ việc tiếp tục thử nghiệm trên thiết bị Sphinx, mà theo chúng tôi, về cả mặt vật chất lẫn con người, đều không xứng tầm với tầm quan trọng của vấn đề: một tổng hợp không phát nơtron!

16 tháng 2 năm 2009: Sau nhiều trao đổi với các nhà vật lý plasma nóng và những người từng làm việc trên Z-pinches, ta rút ra những kết luận sau:

Các môi trường này vẫn còn rất ít được hiểu rõ. Theo ý kiến chung, các plasma này cực kỳ hỗn loạn, có thể là nơi xảy ra các rối loạn vi mô. Thật sự cần phải giải thích nguồn gốc của năng lượng phát ra dưới dạng tia X, một thứ thực tế, đo đạc được, và vượt quá 3 đến 5 lần năng lượng động học mà các ion kim loại thu được trong hành trình hướng về trục hệ thống. Như đã thấy, Malcom Haines viện dẫn các bất ổn MHD, nhưng không mô tả chi tiết. Người ta nhắc đến từ "spheromak", những phần tự giữ hình thành do bất ổn này, và liên quan đến việc đóng kín các đường sức từ trường lên chính nó theo hình dạng toro. Kích thước của các đối tượng này: suy đoán. Những người như Lerner (thí nghiệm Focus) dùng từ "điểm nóng". Các phép đo thực hiện chưa có độ phân giải không gian và thời gian đủ để phát hiện rõ các hiện tượng này.

Haines đã ước tính làm nóng do hiệu ứng Joule và kết luận rằng nó không đủ để giải thích sự gia tăng nhiệt độ đo được. Nhưng làm thế nào để hiểu được sự trao đổi năng lượng bí ẩn giữa dây plasma và môi trường xung quanh, nơi áp suất từ trường lên tới 90 megabar, tương ứng với từ trường 4800 tesla? Khi Haines tính toán tổn thất do hiệu ứng Joule, ông dựa trên giả định plasma đồng nhất. Trường điện làm các điện tích chuyển động. Sự di chuyển của các điện tích này bị cản trở bởi các va chạm với mọi thứ trong plasma có thể gây cản trở. Trong tính toán của Haines, đó là các ion của các loại khác nhau, tiết diện va chạm tăng theo bình phương điện tích.

Turbulence làm cho môi trường không đồng nhất ở nhiều quy mô khác nhau. Trong cơ học chất lỏng, khuếch tán turbulents tiêu tán năng lượng mạnh hơn so với tiêu tán tầng. Hãy lấy ví dụ về hình dạng cánh máy bay. Khi turbulence xảy ra, lực cản ma sát tại bề mặt tăng lên. Lớp biên dày lên. Bên trong các hiện tượng tiêu tán phát sinh nhiều nhiệt hơn. Và tất cả điều này xảy ra thông qua các hiện tượng vi turbulents, không thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Có một sự tương tự khi nghĩ đến plasma. Dòng điện, giả định trong tính toán của Haines là chảy đồng đều (giả thiết đơn giản!), mất đi tính tầng. Các vùng bất ổn vi mô MHD trở thành những chướng ngại vật đối với dòng điện. Có sự gia tăng trở kháng ban đầu được Christian Nazet chỉ ra. Hơn nữa, sự hình thành các spheromak này đi kèm với sự phân bố nhiệt độ hỗn loạn. Đó là ý tưởng của Lerner. Trong một plasma mà nhiệt độ tổng thể thấp hơn nhiệt độ tới hạn của tổng hợp và điều kiện Lawson chưa được thỏa mãn (ở cấp độ vĩ mô), các điều kiện này có thể xuất hiện tạm thời trong những vật thể nhỏ bé mà ta không biết trước thời gian sống.

Thật tình, tôi đã dành cả một ngày trên thuyền, cách đây khoảng ba mươi năm, cùng nhà thiên văn học Fritz Zwicky, người phát minh ra khái niệm siêu tân tinh vào năm 1931. Bỗng nhiên tôi nhớ lại giả thuyết của ông về "lũ tinh nhỏ hạt nhân", spheromak trước khi có từ này, mà ông tưởng tượng hình thành ở trung tâm Mặt Trời do bất ổn MHD, và ông đã nói với tôi trong chuyến đi biển đó.

Quay lại các Z-pinches. Ta phải lấy năng lượng từ đâu đó. Năng lượng sẵn có là năng lượng từ trường xung quanh dây plasma. Hãy nhớ rằng áp suất (ở đây là áp suất từ trường) là mật độ năng lượng trên đơn vị thể tích. Nếu có chuyển giao năng lượng này sang dây plasma, điều đó sẽ làm giảm năng lượng điện từ hiện diện. Ta không nên thấy ở đây điều gì kỳ diệu. Các bất ổn vi mô hình thành trong plasma làm tăng điện trở của nó, tạo thêm tổn thất và, làm giảm cường độ dòng điện, đồng thời làm giảm giá trị từ trường bên ngoài dây. Hệ thống thông nhau.

Tôi hiểu rõ bất ổn điện nhiệt (của Vélikhov). Đây là một loại rối loạn plasma hai nhiệt độ, thể hiện qua những biến động lớn về nhiệt độ điện tử. Một mặt, bằng cách cấu trúc plasma như một lớp bánh mì nhiều lớp, xen kẽ các vùng ion hóa mạnh và yếu, điều này phá hủy hiệu suất của các máy phát MHD. Nhưng mặt khác, nó cho thấy cách một bất ổn MHD có thể tạo ra những vùng nóng hơn, ion hóa hơn (hiện tượng cực kỳ phi tuyến tính) tại những lớp phẳng. Giả thuyết về sự hình thành điểm nóng gợi lên một mô hình khác về sự hình thành các bất ổn vi mô, lần này theo chiều 3D. Trong những hiện tượng rất phi tuyến này, các dao động về nhiệt độ và mật độ có thể rất lớn. Từ đó, các phản ứng "tổng hợp vi mô" có thể xảy ra.

Do đó, còn quá sớm để kết luận rằng với các hệ thống như máy Z, ta "rất xa mới thực hiện được tổng hợp". Nếu ta lập luận với plasma đồng nhất: đúng.

Hãy chuyển sang câu hỏi đo nhiệt độ. Trước tiên, ta đo cái gì? Trong lý thuyết động học khí, đó là đo năng lượng động học trung bình cho một loại hạt cụ thể. Một môi trường có thể gồm nhiều loại khác nhau, mỗi loại có nhiệt độ riêng. Các nhiệt độ này có thể khác biệt rất lớn. Trong ống huỳnh quang, nhiệt độ điện tử cao hơn nhiều so với nhiệt độ ion và trung tính. Ta nói đến sự ion hóa không nhiệt (năng lượng được cung cấp bởi trường điện làm tăng tốc electron). Nếu ta tắt trường đó, electron mất năng lượng qua va chạm: khí điện tử nguội đi và sự ion hóa biến mất.

Ta phải tính tần số va chạm electron-khí. Nghịch đảo của nó trở thành thời gian phục hồi. Thật vậy, nếu ta để một môi trường hai nhiệt độ tự do, sự phân bố đều sẽ xảy ra theo tốc độ va chạm.

Cân bằng nhiệt động lực học hoàn toàn là khi mọi nhiệt độ bằng nhau tại một giá trị chung, và các phân bố vận tốc của từng loại hạt có dạng phân bố Maxwell-Boltzmann (đường cong hình chuông). Plasma trong máy Z đang ở trạng thái không cân bằng ngược, vì khí điện tử lạnh hơn khí ion. Nếu ta bỏ qua nguồn năng lượng liên quan đến bất ổn MHD cần mô hình hóa (rối loạn vi mô của plasma), năng lượng cần xử lý là dạng động học. Lực Laplace tác dụng lên các dây inox, ném chúng vào nhau với vận tốc cuối cùng 400 km/s. Lực này tác dụng lên electron. Dòng điện chạy qua dây là dòng điện tử, không phải ion. Electron kéo theo các ion. Thực tế, ta không thể tách rời hai quần thể này, như những cặp vợ chồng quá gắn bó, nếu khoảng cách vượt quá khoảng cách Debye. Kết quả là các ion và electron tập trung gần trục đối xứng với cùng một vận tốc. Nhưng năng lượng động học là khác nhau. Các hạt nhẹ mang ít năng lượng hơn.

Haines sau đó ước tính các thời gian phục hồi khác nhau, liên quan đến các loại va chạm có thể xảy ra.

- Có va chạm electron-electron

- Va chạm ion-ion

- Va chạm electron-ion

Sự chuyển giao năng lượng giữa hai hạt có khối lượng khác nhau tỷ lệ thuận với tỷ số khối lượng của hạt nhẹ hơn chia cho khối lượng của hạt nặng hơn. Trong cùng một loài, các trao đổi năng lượng này là tối đa, vì tỷ số này bằng một. Haines ước tính thời gian tương tác là 37 picosecond. Các đường cong cho thấy thời gian giam giữ plasma là vài nanosecond (khoảng năm). Tôi không biết thời gian đo nhiệt độ bằng sự giãn nở của vạch quang phổ là bao lâu. Điều này phải được nói ở đâu đó trong bài báo của Haines. Nếu so sánh thời gian thư giãn bên trong cùng một loài (electron-electron hoặc ion-ion), thời gian này lớn hơn một bậc so với thời gian thư giãn. Điều này đủ để khẳng định rằng các loài ion có thể được mô tả bằng hàm phân bố Maxwell-Boltzmann.

Phép đo bằng sự giãn nở của vạch trung bình hiệu ứng Doppler-Fizeau theo "hướng nhìn" như các nhà thiên văn học nói, tức là theo phân bố bán kính. Và đây là một cách khác để rời khỏi cân bằng nhiệt động lực học: độ bất đồng hướng. Nhưng, bạn sẽ nói, một môi trường khí có thể có "dạng nhiệt" khác nhau tùy theo góc độ mà ta nhìn vào không? Đó là điều xảy ra sau sóng xung kích mạnh, một "cú đập" thực sự, truyền cho nguyên tử một xung ban đầu vuông góc với sóng, sau đó nhanh chóng "được làm nóng", sự tăng tốc này được phân bố lại theo mọi hướng trong vài va chạm. Một lần nữa, ta có thể xem xét thời gian thư giãn. Theo tôi, tôi có xu hướng nói rằng độ bất đồng hướng này có thể bỏ qua. Nhưng một lần nữa, mọi kết luận đều dựa trên các giả định về bản chất của môi trường được nghiên cứu, ở quy mô vi mô. Nó còn thêm vào từ trường và các dao động địa phương và thời gian, chào mừng!

Tính đáng tin cậy của các phép đo nhiệt độ bằng sự giãn nở của vạch là bao nhiêu? Liệu chúng ta có đo nhiệt độ của một tập hợp con: những điểm nóng? Người ta biết rằng công suất bức xạ tuân theo định luật Stephan, tăng theo lũy thừa bốn của nhiệt độ nguồn. Vấn đề.

Đây là lúc ta phải quay về phương trình Bennet, sự không bùng nổ của dây plasma. Bán kính của nó đi qua một giá trị tối thiểu. Tại thời điểm chính xác đó, áp suất ion phải cân bằng với áp suất từ trường, điều này ủng hộ nhiệt độ 300 keV. Lấy một ống đo áp suất. Nó cung cấp cho chúng ta giá trị của áp suất, bằng cách tích hợp một số rất lớn các va chạm của các hạt trên bề mặt của nó. Ở đây, không còn nói đến định luật Stephan. Áp suất trong một hỗn hợp là tổng của các áp suất riêng phần. Và áp suất cũng là mật độ năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích. Nếu phương trình Bennet cung cấp 300 keV, điều đó cho ta giá trị trung bình của năng lượng các hạt. Và giá trị này tương ứng với hơn ba tỷ độ Kelvin, dù có những điểm nóng hay không.

Tôi biết rằng mọi thứ này khá gây nhầm lẫn. Hãy lấy ví dụ về một ống huỳnh quang. Khí lạnh, electron nóng. Thực hiện phép đo nhiệt độ bằng quang phổ (trong ống huỳnh quang, ánh sáng được phát ra không phải bởi khí mà bởi lớp phủ huỳnh quang bao quanh bên trong ống). Phát xạ của khí nằm trong vùng tử ngoại. Liệu chúng ta có thể kết luận rằng khí đó có nhiệt độ 10.000 độ? Không, chính các electron là có nhiệt độ như vậy. Nếu không có phương trình Bennet, chúng ta có thể bị hấp dẫn bởi suy nghĩ rằng phép đo nhiệt độ bằng sự giãn nở của vạch bị sai lệch.

Tất cả điều này khiến chúng ta kết luận rằng có rất nhiều việc phải làm. Tôi đã đề xuất (vox clamat in deserto) việc phát triển một dự án châu Âu về Z-pinch. Nếu LMJ không mang lại kết quả mong đợi, chúng ta sẽ phải nhanh chóng chuyển sang một thứ gì đó, cụ thể là rẻ hơn.

Một nhận xét cuối cùng.

Khi tôi tham dự hội nghị về Công suất xung cao tại Vilnius, Litva, vào tháng 9 năm 2008 (nơi tôi đã trình bày ba bài báo, xem http://www.mhdprospects.com), tôi đã gặp ngay ngày đầu tiên đối mặt với hai người Mỹ là Matzen và Mac Kee, người đầu tiên là người phụ trách thiết bị ZR tại Sandia và người thứ hai là phó của ông. Tôi rất ngạc nhiên khi thấy họ cười ngay lập tức khi tôi hỏi họ về ZR và nói ngay:

- Bài báo của Haines năm 2006? Ông ấy đã sai, nhiệt độ thấp hơn ít nhất một bậc! - Nhưng, vẫn có những sự giãn nở mạnh của các vạch quang phổ .... - Một người Israel, Yitziak Maron, đã xem xét lại tất cả và kết luận rằng Haines đã hiểu sai các phổ này. - Điều này có được công bố không? - Không, chúng tôi không làm như vậy, để không làm tổn thương Malcom (...)

Buổi tối, khi tôi kiên trì, Mac Kee đứng trước một máy tính và nói:

*- Tôi sẽ gửi một email cho Maron, ngay trước mặt bạn, và ngày mai chúng ta sẽ có lời giải thích của ông ấy. *

Ngày hôm sau, tôi gặp Mac Kee:

- Vậy, lời giải thích của Maron? - Hmmm... chúng tôi muốn không công bố điều này ngay bây giờ; - Nhưng ít nhất bạn sẽ cho tôi đọc email của ông ấy ..... - Đó là bởi vì ... ông ấy đã trả lời bằng điện thoại (....)

Sau đó là những lời giải thích mâu thuẫn và không thuyết phục.

Hai ngày sau, Matzen trình bày, trên sân khấu, tiến bộ của ZR, tập trung vào các khía cạnh công nghệ lớn, với những bức ảnh đẹp. Đó là lúc tôi biết rằng các thí nghiệm tạo ra băng VII không được thực hiện bằng nén nổ mà bằng nén nổ, với một thiết kế thí nghiệm khác, trong đó dòng điện vòng quanh như một "cái ô", tức là được đưa theo một cột trục lớn và quay lại bằng một lớp lót dây, tiếp xúc với môi trường cần nén, ở bên ngoài. Không liên quan gì đến các thí nghiệm trước đó. Kết thúc bài thuyết trình, tôi xin micro và nói:

Chúng ta đã có một cuộc thảo luận trong những ngày gần đây, nơi bạn đã nghi ngờ phân tích của Haines về các phép đo nhiệt độ trên máy Z, bằng quang phổ và được công bố năm 2006 trong Physical Review D. Theo bạn, nhiệt độ của các ion có thể thấp hơn ít nhất một bậc. Bạn đã nói rằng Yitziak Maron, từ viện Weisman ở Jerusalem, đã đạt được kết luận đó. Vì đây là một vấn đề quan trọng, bạn có thể làm sáng tỏ cho chúng tôi không?

Matzen:

- Hmmm.... this is a good question

Sau đó một phút im lặng, bị phá vỡ bởi chủ tịch buổi hội thảo.

Trở lại Brussels, tôi gửi một email cho người Israel Maron, người đã trả lời một cách mơ hồ, không trả lời các câu hỏi của tôi, nói hết lời tốt đẹp về Haines. Ông ấy nói với tôi rằng ông ấy sẽ gia nhập Sandia trong vài ngày tới.

Tôi gửi một email khác cho Gerold Yonas, giám đốc khoa học của Sandia, người đã trả lời tôi một cách ngắn gọn nhất.

*- Vâng, đây cũng là một bí ẩn đối với tôi. Tôi sẽ yêu cầu Matzen làm rõ chuyện này. *

Từ cuối tháng 10 năm 2008, im lặng hoàn toàn.

18 tháng 2 năm 2008: Về phản ứng nhiệt hạch không phát nơ-tron

Trong một phản ứng nhiệt hạch, hai hạt nhân phải được đưa đến khoảng cách đủ nhỏ để phản ứng hạt nhân có thể xảy ra. Vật lý hạt nhân giống như thế này với thế giới hóa học. Sự phóng xạ, tự nhiên hoặc được kích thích, đơn giản có nghĩa là các hạt nhân không ổn định. Phân hạch là một phản ứng phân tách tự phát tạo ra các hạt nhân có khối lượng nhỏ hơn hạt ban đầu. Trong các phản ứng phân hạch của Uranium 235 hoặc Plutonium 239, các sản phẩm của phản ứng phân tách này có khối lượng gần bằng một nửa khối lượng của hạt ban đầu.

Có phát ra nơ-tron, những nơ-tron này có thể, khi va chạm với các hạt nhân U235 hoặc Pu 239 khác, kích thích các phản ứng phân hạch, được gọi là phân hạch do va chạm. Chúng ta có thể nói về một phản ứng phân hạch tự xúc tác. Các hạt nhân có một tiết diện hiệu dụng để hấp thụ. Biết được tiết diện này, ta có thể tính được khối lượng tới hạn. Đó là khối lượng của một khối cầu có bán kính bằng, nói chung, quãng đường tự do trung bình của một nơ-tron, so với va chạm với một hạt nhân phân hạch.

Ta có thể giảm khối lượng tới hạn bằng cách tăng mật độ hạt nhân, bằng cách nén, mà trong các quả bom, được đảm bảo bởi một chất nổ hóa học.

Giả sử một khí ở nhiệt độ tuyệt đối T. Nếu môi trường này có tính va chạm mạnh (nghĩa là môi trường ở trạng thái gần cân bằng nhiệt động lực học với phân bố Maxwell-Boltzmann), thì giá trị trung bình của tốc độ dao động nhiệt của các phần tử sẽ được cho bởi công thức dưới đây. Một vài hình vẽ và công thức giúp hiểu, theo cách sơ lược, khái niệm về tiết diện va chạm hiệu dụng (dẫn đến phản ứng hạt nhân) và tần số va chạm (của phản ứng hạt nhân được xem xét). Ở đây, ta giảm tốc độ của các ion có khối lượng m xuống giá trị trung bình . Ta xem xét rằng tất cả những gì được quét trong một "lưới" được tạo bởi tiết diện hiệu dụng dẫn đến xác suất phản ứng bằng 1, và đối với những gì ở ngoài, xác suất này là 0.

tần số va chạm

**Tần số va chạm, thời gian đặc trưng của phản ứng **( nhiệt hạch )

Nhưng không đủ để tần số va chạm đủ lớn, thời gian đặc trưng của phản ứng nhỏ hơn thời gian giam giữ. Cần phải có nhiệt độ của các ion đủ lớn để chúng, di chuyển với tốc độ trung bình , có thể vượt qua rào cản Coulomb, lực đẩy, cản trở sự tiếp cận của hai ion tích điện dương. Điều này dẫn đến nhiệt độ cho hỗn hợp deuterium-tritium D-T nằm giữa 100 và 200 triệu độ, nhiệt độ mà các nhà vật lý thường đánh giá theo kilo-electron-vôn, keV, theo công thức

e V = k T

e là điện tích của electron, bằng 1.6 10-19 coulomb

k là hằng số Boltzmann = 1.38 10-23

Do đó, một electron-vôn tương đương với (e/k) độ Kelvin, tức là 11.600 ° K

Vì ta đang suy luận theo các bậc số, ta xem 1 eV, một electron-vôn, tương đương với nhiệt độ 10.000°K. Do đó, nhiệt độ ion phải nằm giữa 10 và 20 keV.

Để phản ứng nhiệt hạch có thể bắt đầu, các điều kiện Lawson phải được đáp ứng.

tính toán Lawson

Hàm L phụ thuộc vào nhiệt độ của plasma. Tiết diện hiệu dụng Q(V) phụ thuộc vào tốc độ tương đối của các hạt nhân và do đó, tốc độ trung bình , tức là nhiệt độ của các ion.

Đường cong Lawson

Đường cong Lawson

Phản ứng deuterium-tritium phát ra nơ-tron. Người ta đã biết các phản ứng không phát ra nơ-tron. Xem Nhiệt hạch không phát nơ-tron.

Chỉ có một số ít phản ứng nhiệt hạch xảy ra mà không phát ra nơ-tron. Đây là những phản ứng có tiết diện hiệu dụng lớn nhất.

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

Hai phản ứng đầu tiên sử dụng deuterium làm nhiên liệu, nhưng một số phản ứng phụ 2D-2D tạo ra một số nơ-tron. Dù tỷ lệ năng lượng do nơ-tron có thể được giới hạn bằng cách chọn tham số phản ứng, tỷ lệ này vẫn có thể vượt quá ngưỡng 1%. Do đó, khó có thể xem các phản ứng này là không phát nơ-tron.

Điều tập trung vào phản ứng cuối cùng. Nếu phản ứng được nêu không phát ra nơ-tron, các phản ứng phụ vẫn phát ra nơ-tron. Nếu dựa trên thời gian thư giãn được tính bởi Haines, nếu có sự khác biệt nhiệt độ một trăm lần giữa khí electron và khí ion (ion ở trạng thái "không cân bằng ngược", nóng hơn), ta vẫn có thể xem rằng quần thể ion ở trạng thái gần cân bằng nhiệt động lực học, quanh nhiệt độ riêng của nó, đó là một plasma nhiệt. Khi đó, các phản ứng phát nơ-tron sau đây xảy ra:

11B + alpha → 14N + n0 + 157 keV (tỏa năng lượng)

11B + p+ → 11C + n0 - 2,8 Mev (tỏa năng lượng)

Isotope của carbon này có thời gian bán rã là 20 phút.

Một số người đã đánh giá năng lượng giải phóng bởi các phản ứng này là 0,1% tổng số.

Có một phản ứng tạo ra các tia gamma:

11B + p+ → 12C + n0 + γ 16 MeV

Phản ứng này có xác suất chỉ 10-4 so với phản ứng tạo ra alpha.

Cuối cùng, có các phản ứng phát nơ-tron boron-deuterium hoặc deuterium-deuterium:

11B + 2D → 12C + n0 + 13,7 MeV

2D + 2D → 3He + n0 + 3,27 MeV

, mà ta có thể loại bỏ bằng cách sử dụng nhiên liệu đồng vị tinh khiết.

Thành phần chính của lớp bảo vệ là nước để làm chậm các neutron nhanh, boron để hấp thụ chúng, và kim loại để hấp thụ bức xạ X với độ dày tổng cộng khoảng một mét;

Nhiệt độ cần thiết để bắt đầu các phản ứng boron-hydrogen là mười lần cao hơn nhiệt độ của hỗn hợp deuterium-tritium. Ngoài ra, còn có vấn đề về tính phản ứng tối ưu. Đối với hỗn hợp này, nó nằm khoảng 66 keV (730 triệu độ). Đối với boron-hydrogen, nó đưa chúng ta đến 600 keV (6 tỷ độ). Tuy nhiên, chúng ta đã thấy rằng việc đạt được nhiệt độ rất cao là có thể với một máy Z, lưu ý rằng nhiệt độ tối đa đạt được tăng theo bình phương cường độ dòng điện. Theo logic này, nhiệt độ mà ZR có thể đạt được là 9 tỷ độ.

Không có thông tin nào có sẵn về hiệu suất đạt được bởi máy này kể từ khi nó bắt đầu hoạt động

Tại thời điểm này, cần tránh đi quá xa, cả hai phía. Plasma nóng của máy Z không phải là plasma của Tokamak. Thêm vào đó, giả thuyết về "các điểm nóng" hiện tại vẫn chưa có mô tả lý thuyết. Ý kiến cá nhân của tôi là thay vì tranh luận mãi, sẽ tốt hơn nếu để Thiên Nhiên nói, tức là thực hiện thí nghiệm. Rõ ràng, chi phí của một máy Z là hai bậc so với một "gã khổng lồ" nhiệt hạch như ITER. Ngoài ra, thiết bị này có tính linh hoạt mà không có cái nào khác. Đầu năm 2008, tôi đã gặp tại Bộ Nghiên cứu và Công nghiệp Edouard de Pirey, một sinh viên trường École Normale Supérieure, cố vấn khoa học của Valerie Pécresse. Khi tôi gặp ông ấy, ông thừa nhận ngay rằng ông chưa có thời gian để đọc báo cáo, dù ngắn gọn và rõ ràng, mà tôi đã gửi cho ông. Tôi đã trao cho ông bản sao của lá thư mà Smirnov đã đề xuất gửi, với điều kiện có tên người nhận. Vì vậy, tôi yêu cầu de Pirey liên hệ với người chủ của ông để xem liệu bà ấy có đồng ý để tên của bà ấy xuất hiện trên lá thư đó, với tư cách là người nhận.

Hành động này không có phản hồi. Cũng vậy với một yêu cầu về việc tài trợ cho sự tham gia của tôi vào hội nghị quốc tế Vilnius, Lithuania, về Công suất xung cao, nơi tôi cuối cùng phải tự chi trả vào tháng 9 năm 2008.

Người ta nhận thấy rằng cách tiếp cận Z-pinch không có trong kế hoạch gần đây được Bộ trưởng công bố. Tôi để người đọc tự đưa ra các giả định của riêng họ về thất bại của hành động của tôi.

Tôi nghĩ rằng người châu Âu nên nhanh chóng thành lập một nhóm nghiên cứu, hợp tác chặt chẽ với người Nga, những người có kinh nghiệm. Thật hợp lý và thậm chí cấp thiết để bỏ ra một số tiền và xây dựng một máy có mục đích dân sự, có thể tiếp cận bởi tất cả, được đặt ở một quốc gia "trung lập" (theo nghĩa kỹ thuật và khoa học). Máy Z Pháp, thiết bị Sphinx, được đặt tại Gramat, ở Lot, không thể cải thiện. Với thời gian xả 800 nanosecond, máy này quá chậm. Tôi cũng nghĩ rằng sẽ là sai lầm lớn khi đặt dự án này dưới sự quản lý của an ninh quốc gia, vì nhiều lý do. Tất nhiên, thông qua cách tiếp cận này, sự xuất hiện của các quả bom nhiệt hạch tinh khiết trở nên "không không thể". Người Nga đã thành thạo trong việc điều khiển Công suất xung cao, khi năng lượng ban đầu là một chất nổ. Thường xuyên, người phương Tây phát hiện ra, thường với sự kinh ngạc, một ý tưởng mới nảy sinh bên kia sông Ural, thay đổi hoàn toàn tình hình, như các máy phát điện đĩa.

Việc tạo ra dòng điện rất mạnh được thực hiện bằng cách nén, bằng cách sử dụng một chất nổ, một khoang mà đã tạo ra một trường từ mạnh. Tuy nhiên, các chất nổ hóa học gây ra tốc độ nén giới hạn. Nếu chia kích thước đặc trưng của khoang cho tốc độ này, ta được các thời gian có thể khó giảm xuống dưới vài microsecond. Đó là quá chậm cho một thiết bị được lấy cảm hứng từ máy Z, trong đó thời gian không thể vượt quá 100 nanosecond. Trong hệ thống truyền thống, công suất của xung tăng theo thể tích của khoang. Người Nga đã vượt qua vấn đề bằng cách đơn giản cho khoang có dạng một ... chiếc đàn accordion. Hãy tưởng tượng một chiếc đàn accordion mà bên ngoài được bao quanh bởi một chất nổ, được đổ vào bên trong khoang. Thể tích tổng có thể lớn, trong khi độ dày cần nén vẫn còn nhỏ trong mỗi tế bào. Khía cạnh này được đề cập trong phiên bản tiếng Anh của Wikipedia.

Người quân sự lo ngại về các khía cạnh "lan truyền" của công nghệ này, nơi việc kích hoạt phản ứng nhiệt hạch không còn đi qua giai đoạn nặng nề về công nghệ là làm giàu đồng vị. Nhưng phải làm gì? Không làm gì? Hành tinh của chúng ta đang ở bờ vực sụp đổ do thiếu tài nguyên năng lượng. Hãy nói với người Trung Quốc và Ấn Độ rằng họ phải tiết kiệm!

Lựa chọn là chính trị, ở quy mô toàn cầu. Một nhận xét cuối cùng về ITER và Mégajoule:

Gilles de Gennes, trước khi qua đời, là một trong những người đã chỉ ra nhiều lý do khiến dự án ITER trở nên đáng ngờ, trừ khi người ta xem xét nó như một kế hoạch xã hội hoặc một cách để hàng nghìn nhà khoa học, kỹ sư và nhân viên kỹ thuật có thể có một sự nghiệp hoàn chỉnh trong một trong những khu vực đẹp nhất thế giới, được đặt tốt nhất. De Gennes rất hoài nghi về khả năng nam châm siêu dẫn của ITER, đặt gần nhất với vòng plasma, có thể chịu được một lượng lớn bức xạ neutron trong thời gian dài. Ông đã chỉ ra rằng không có nghiên cứu nào được thực hiện về mặt này, điều này có thể dễ dàng thực hiện ở quy mô mô hình đặt trong dòng neutron. Nhưng kết quả có thể dẫn đến việc dừng ngay lập tức việc xây dựng một công trình thực sự như một nhà thờ dành cho kỹ sư.

Điểm thứ hai: các plasma nhiệt hạch là các plasma va chạm, tức là các plasma nhiệt, gần với cân bằng nhiệt động lực học. Phân bố tốc độ của các ion do đó là kiểu Maxwell-Boltzmann, với đuôi phân bố Boltzmann, được lấp đầy bởi các ion nhanh:

đuôi phân bố Boltzmann

**Các ion nhanh trong đuôi phân bố Boltzmann **

Những ion này sẽ chắc chắn vượt qua rào cản từ trường. Khi va chạm vào thành và các vật thể khác trong khoang, chúng sẽ bong ra các nguyên tử nặng.

ô nhiễm plasma của ITER

**Ô nhiễm plasma nhiệt hạch của tokamak, liên quan đến việc bong ra các ion nặng từ thành **

Những ion này, ngay lập tức bị ion hóa và có điện tích Z, đồng thời chịu ảnh hưởng của gradient áp suất từ trường, sẽ trở lại tâm của plasma và ô nhiễm nó. Tuy nhiên, các tổn thất bức xạ liên quan đến tương tác giữa các electron plasma và các ion (bức xạ hãm hoặc Bremstrahlung) tăng theo bình phương của điện tích của ion Z.

Tổn thất do bức xạ hãm

**Tổn thất bức xạ do tương tác electron-ion **(bức xạ hãm)

Không ai biết cách ngăn chặn ô nhiễm plasma bởi các ion nặng này, hay làm sạch nó. Sự gia tăng tổn thất bức xạ sẽ làm giảm nhiệt độ và lò hơi của thế kỷ thứ ba sẽ bị nghẹt thở. Khi tôi nêu câu hỏi này trong các cuộc họp công khai với người của ITER, phản ứng duy nhất của họ là:

*- Đây là một câu hỏi tốt..... *

Nếu bạn hỏi liệu máy ITER có thể đạt được phản ứng nhiệt hạch ở tốc độ đáng kể và liên tục hay không, có thể câu trả lời là tích cực, trên quy mô thời gian ngắn. Nhưng nếu câu hỏi là "loại máy này có thể, cuối cùng, dẫn đến một lò phản ứng hoạt động và giải quyết các vấn đề về năng lượng của nhân loại không?" thì tôi nghĩ câu trả lời phải là phủ định.

Tôi sẽ có một nhận xét khác, liên quan đến nhiệt hạch xung. Nó phù hợp với chuyển đổi trực tiếp. Plasma nhiệt hạch mở rộng. Nếu điều này xảy ra trong một trường từ, vì số Reynolds từ rất cao, có "nén dòng" và dòng cảm ứng. Hiệu suất: 70%. Không có bộ phận chuyển động. Tại sao lại làm phức tạp cuộc sống với một bộ trao đổi nhiệt, tuabin hơi nước? Tại sao không có một bánh xe cánh quạt, trong khi đang nói đến? Tôi tin vào "hai giai đoạn nhiệt hạch", cuối cùng. Có những giải pháp khác ngoài Z-pinch cho nhiệt hạch xung. Chúng tôi chỉ mới chạm đến vấn đề.

Trong tự nhiên, có những hệ thống thực hiện nhiệt hạch xung. Đó là các quasar. Tôi không nghĩ rằng năng lượng đến từ "sự tích tụ bởi một lỗ đen khổng lồ". Các dao động đồng thời của các metric của hai vũ trụ song sinh tạo ra một sóng xung hướng tâm trong khí giữa các thiên hà. Tôi đã mô tả điều này trong "Chúng ta đã mất một nửa vũ trụ", xuất bản năm 1997 bởi Albin Michel. Không có phản hồi truyền thông. Khí bị nén khi đi qua, không ổn định. Các ngôi sao trẻ hình thành, phun ra tia tử ngoại, ion hóa khí giữa các thiên hà. Số Reynolds từ tăng lên và sóng khí kéo theo các đường sức từ của thiên hà (frozen in), giống như một nông dân bóp các bông lúa mì. Sự sụp đổ kết thúc bằng một khối plasma nhỏ ở quy mô thiên hà, nhưng ở đó các điều kiện Lawson được đạt được trong khối lượng và không ở tâm, giống như một ngôi sao. Từ đó, các vật thể "nhỏ như sao, phát ra bằng một thiên hà". Plasma sau đó được phóng ra theo hai lobe, theo hướng của từ trường dipole. Gradient từ trường gia tốc các hạt mang điện trên khoảng cách hàng trăm nghìn năm ánh sáng. Như vậy, các "tia vũ trụ" được hình thành trong các máy gia tốc hạt tự nhiên lớn.

Khi các dao động đồng thời của các metric dẫn đến sự suy giảm của sự giam giữ, thiên hà... nổ tung. Đó là các "thiên hà không đều", mà nhà thiên văn học Anh nổi tiếng sir James Jeans (người khám phá bất ổn định mà ông gắn tên và phương trình mô tả nó) nói:

*- Các hình dạng đôi khi kỳ lạ đến mức không thể tin được của một số thiên hà khiến người ta nghĩ rằng chúng là nơi của các lực khổng lồ mà chúng ta không biết gì. *

Về cơ sở LMJ (Laser Mégajoule), không bao giờ được nói đến ở đâu ngoài việc lặp lại các bài ca quen thuộc ("mặt trời trong ống nghiệm", "một lĩnh vực nghiên cứu cho các nhà thiên văn học") rằng công cụ này dành cho các kỹ sư quân sự là một nỗ lực để giải quyết vấn đề năng lượng của hành tinh.

Quay lại Hướng dẫn Quay lại Trang chủ

Hơn hai tỷ độ! Phân tích bài viết của Malcom Haines (tháng 4 năm 2006)

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

Mots-clés