Ядерная и углеводородная энергетики
4,022,670
11,934
|
slavae ( Слушатель ) |
| 27 янв 2019 10:27:29 |
И ещё раз про открытые ловушки
новая дискуссия Дискуссия 185
Часть 1
Отсюда
Как и зачем работают открытые ловушки
Хочу поделиться с вами, если еще не читали, популяризаторскими постами Антона Судникова - физика-экспериментатора из ИЯФ, который занимается открытыми ловушками, одним из вновь многообещающих подходов к термоядерному синтезу. Enjoy!
==
Итак, мы хотим удерживать плазму температурой 100 миллионов градусов (10 кэВ) достаточно долго для того, чтобы термоядерное топливо успело прореагировать. Мы знаем, что плазма состоит из заряженных частиц, которые в магнитном поле движутся по спирали, навитой на силовую линию. Движение выглядит примерно так (направление магнитного поля показано стрелкой с буквой B, здесь ещё добавлено электрическое поле E):
Сила, действующая на заряженную частицу, перпендикулярна направлению магнитного поля и направлению движения частицы. Там, где поле усиливается, силовые линии сближаются, поэтому перпендикуляр к ним слегка наклонён в сторону более слабого поля. То есть, приближение к области сильного поля тормозит частицу. Торможение тем сильнее, чем выше компонента скорости, направленная поперёк магнитного поля.
В итоге области сильного поля отражает частицы с достаточно высокой поперечной и достаточно низкой продольной скоростью. Частицы, летящие под небольшим углом к магнитному полю, вылетают наружу и теряются.
Схема проста, как бабушкин топор, в предельном случае требует двух круглых катушек с током.
После столкновений частицы летят в среднем куда придётся; в том числе и вдоль силовых линий. Чтобы рассеяние случалось пореже, и частиц терялось поменьше, исходно предлагалось удерживать достаточно редкую плазму.
Такая (и только такая!) конфигурация называется пробкотроном (или простым пробкотроном, или пробкотроном Будкера-Поста по фамилиям тех, кто её исходно предложил); области сильного магнитного поля — пробками; соотношение самого слабого и самого сильного магнитного поля — пробочным отношением; область в пространстве скоростей, в которой частицы не удерживаются — конусом потерь.
Идея пробкотрона родом из 50-х годов, и тогда же в первый раз была проверена (прим.: работает). Найти в доступных источниках фотографию первой советской установки, на которой была показана работоспособность пробкотрона (ловушки Родионова, [5]), не получается. Поэтому пусть здесь будут фотографии установок ОГРА (1959 год, Институт атомной энергии, сегодня — Курчатовский) и Ц-1 (1963 год, Институт ядерной физики, сегодня — имени Будкера).
NB: примерно в это же время эксперименты с пробкотроном провернули в Ливерморской лаборатории. Фотография есть тут. Авторы друг о друге не знали, об этом есть замечательная приписка от редакции в конце статьи:
Как нам стало известно, аналогичные эксперименты проводились Гибсоном и Лауэром. Подробности работы не опубликованы.
В простом пробкотроне, впрочем, был обнаружен ряд проблем. Во-первых, хорошо удерживаются в нём одиночные частицы. Плазма из большого числа частиц ведёт себя в нём подобно леммингам из легенд о леммингах: перестаёт быть круглой в сечении, выбрасывается на стенку и погибает. Эту проблему потребовала небольшого усложнения в духе подобной конфигурации (на рисунке катушки с геометрией «инь-ян»). Плазма не будет искривляться, если она заранее искривлена нужным образом:
Вторая проблема: пустой конус потерь вызывает в плазме раскачку волн, которые рассеивают частицы и помогают им потеряться.
А самое неприятное — нельзя одновременно потребовать, чтобы частицы сталкивались достаточно редко (и не рассеивались) и достаточно часто (для термоядерной реакции). Даже в идеальном простом пробкотроне мощность термоядерной реакции оказывается всего вдвое больше, чем требуемая мощность нагрева. Кроме того, стабильные геометрии (инь-ян и ему подобные) приводили к повышенным поперечным потерям.
Все эти проблемы накопились как раз к тому моменту, когда на токамаках показали температуру 1 кэВ (10 млн градусов).
Рисунок исторический: британские учёные по приглашению (тогда ещё не академика, а член-корреспондента) Б. Б. Кадомцева едут в Москву измерять электронную температуру плазмы в токамаке Т-3 [6]:
Модными стали токамаки. Кто-то забросил открытоловушечную деятельность, кто-то остался придумывать, как поправить эти проблемы.
Базовые методы улучшенного удержания были придуманы в 70-х и проверены в районе 80-х. Они проиллюстрированы на следующем рисунке [7] (да простят меня модераторы):
Что забавно, на этой картинке уже забыт один из методов. Суть его в том, чтобы раскрутить плазменный шнур до скоростей выше тепловой скорости частиц и скорости распространения возмущений магнитного поля. В этом случае центробежная «сила» не даёт плазме ни потерять круглую форму (возмущение растёт медленнее, чем замазывается вращением), ни уйти к пробкам (радиус плазменного шнура в них меньше!).
На фотографии — установка ПСП-2, на которой более или менее было показано центробежное удержание.
Следующий вариант был чертовски изящен. Электроны легче ионов, и поэтому из плазмы теряются быстрее. Любая плазма, если с ней ничего специально не делают, заряжается положительно; и потенциал (называемый амбиполярным) тем выше, чем горячее электроны. Можно построить одну длинную линейную ловушку, с каждой стороны к ней пристыковать по маленькому пробкотрону, а электроны в концевых пробкотронах перегреть. Концевые секции зарядятся положительно, ионы не смогут в них залететь, а значит, и не потеряются.
Образно говоря, по краям плазмы бульдозером нагребаются две больших кучи снега, через которые ничего потеряться не может. Чем больше соотношение длин центральной секции и концевых пробкотронов, тем сильнее нам наплевать на потери перегретых электронов из них.
В качестве примера — кажется, первая амбиполярная ловушка Gamma-6 (г. Цукуба, Япония):
Единственная проблема амбиполярных ловушек — феерическая невезучесть. Нагляднее всего будет пример установки MFTF-B, которая была построена (330 миллионов долларов в ценах 80-х годов, на минуточку), сдана и на следующий день по политическим мотивам закрыта. На установке произведено 0 (ноль) экспериментальных выстрелов, что даёт абсолютный рекорд удельной стоимости секунды эксперимента.
На этом фоне установка АМБАЛ (не достроена до конца и не доведена до ума из-за 90-х) требует упоминания исключительно за стильность названия.
Конец 1 части. Продолжение.
Отсюда
Как и зачем работают открытые ловушки
Хочу поделиться с вами, если еще не читали, популяризаторскими постами Антона Судникова - физика-экспериментатора из ИЯФ, который занимается открытыми ловушками, одним из вновь многообещающих подходов к термоядерному синтезу. Enjoy!
==
Итак, мы хотим удерживать плазму температурой 100 миллионов градусов (10 кэВ) достаточно долго для того, чтобы термоядерное топливо успело прореагировать. Мы знаем, что плазма состоит из заряженных частиц, которые в магнитном поле движутся по спирали, навитой на силовую линию. Движение выглядит примерно так (направление магнитного поля показано стрелкой с буквой B, здесь ещё добавлено электрическое поле E):
Сила, действующая на заряженную частицу, перпендикулярна направлению магнитного поля и направлению движения частицы. Там, где поле усиливается, силовые линии сближаются, поэтому перпендикуляр к ним слегка наклонён в сторону более слабого поля. То есть, приближение к области сильного поля тормозит частицу. Торможение тем сильнее, чем выше компонента скорости, направленная поперёк магнитного поля.
В итоге области сильного поля отражает частицы с достаточно высокой поперечной и достаточно низкой продольной скоростью. Частицы, летящие под небольшим углом к магнитному полю, вылетают наружу и теряются.
Схема проста, как бабушкин топор, в предельном случае требует двух круглых катушек с током.
После столкновений частицы летят в среднем куда придётся; в том числе и вдоль силовых линий. Чтобы рассеяние случалось пореже, и частиц терялось поменьше, исходно предлагалось удерживать достаточно редкую плазму.
Такая (и только такая!) конфигурация называется пробкотроном (или простым пробкотроном, или пробкотроном Будкера-Поста по фамилиям тех, кто её исходно предложил); области сильного магнитного поля — пробками; соотношение самого слабого и самого сильного магнитного поля — пробочным отношением; область в пространстве скоростей, в которой частицы не удерживаются — конусом потерь.
Идея пробкотрона родом из 50-х годов, и тогда же в первый раз была проверена (прим.: работает). Найти в доступных источниках фотографию первой советской установки, на которой была показана работоспособность пробкотрона (ловушки Родионова, [5]), не получается. Поэтому пусть здесь будут фотографии установок ОГРА (1959 год, Институт атомной энергии, сегодня — Курчатовский) и Ц-1 (1963 год, Институт ядерной физики, сегодня — имени Будкера).
NB: примерно в это же время эксперименты с пробкотроном провернули в Ливерморской лаборатории. Фотография есть тут. Авторы друг о друге не знали, об этом есть замечательная приписка от редакции в конце статьи:
Как нам стало известно, аналогичные эксперименты проводились Гибсоном и Лауэром. Подробности работы не опубликованы.
В простом пробкотроне, впрочем, был обнаружен ряд проблем. Во-первых, хорошо удерживаются в нём одиночные частицы. Плазма из большого числа частиц ведёт себя в нём подобно леммингам из легенд о леммингах: перестаёт быть круглой в сечении, выбрасывается на стенку и погибает. Эту проблему потребовала небольшого усложнения в духе подобной конфигурации (на рисунке катушки с геометрией «инь-ян»). Плазма не будет искривляться, если она заранее искривлена нужным образом:
Вторая проблема: пустой конус потерь вызывает в плазме раскачку волн, которые рассеивают частицы и помогают им потеряться.
А самое неприятное — нельзя одновременно потребовать, чтобы частицы сталкивались достаточно редко (и не рассеивались) и достаточно часто (для термоядерной реакции). Даже в идеальном простом пробкотроне мощность термоядерной реакции оказывается всего вдвое больше, чем требуемая мощность нагрева. Кроме того, стабильные геометрии (инь-ян и ему подобные) приводили к повышенным поперечным потерям.
Все эти проблемы накопились как раз к тому моменту, когда на токамаках показали температуру 1 кэВ (10 млн градусов).
Рисунок исторический: британские учёные по приглашению (тогда ещё не академика, а член-корреспондента) Б. Б. Кадомцева едут в Москву измерять электронную температуру плазмы в токамаке Т-3 [6]:
Модными стали токамаки. Кто-то забросил открытоловушечную деятельность, кто-то остался придумывать, как поправить эти проблемы.
Базовые методы улучшенного удержания были придуманы в 70-х и проверены в районе 80-х. Они проиллюстрированы на следующем рисунке [7] (да простят меня модераторы):
Что забавно, на этой картинке уже забыт один из методов. Суть его в том, чтобы раскрутить плазменный шнур до скоростей выше тепловой скорости частиц и скорости распространения возмущений магнитного поля. В этом случае центробежная «сила» не даёт плазме ни потерять круглую форму (возмущение растёт медленнее, чем замазывается вращением), ни уйти к пробкам (радиус плазменного шнура в них меньше!).
На фотографии — установка ПСП-2, на которой более или менее было показано центробежное удержание.
Следующий вариант был чертовски изящен. Электроны легче ионов, и поэтому из плазмы теряются быстрее. Любая плазма, если с ней ничего специально не делают, заряжается положительно; и потенциал (называемый амбиполярным) тем выше, чем горячее электроны. Можно построить одну длинную линейную ловушку, с каждой стороны к ней пристыковать по маленькому пробкотрону, а электроны в концевых пробкотронах перегреть. Концевые секции зарядятся положительно, ионы не смогут в них залететь, а значит, и не потеряются.
Образно говоря, по краям плазмы бульдозером нагребаются две больших кучи снега, через которые ничего потеряться не может. Чем больше соотношение длин центральной секции и концевых пробкотронов, тем сильнее нам наплевать на потери перегретых электронов из них.
В качестве примера — кажется, первая амбиполярная ловушка Gamma-6 (г. Цукуба, Япония):
Единственная проблема амбиполярных ловушек — феерическая невезучесть. Нагляднее всего будет пример установки MFTF-B, которая была построена (330 миллионов долларов в ценах 80-х годов, на минуточку), сдана и на следующий день по политическим мотивам закрыта. На установке произведено 0 (ноль) экспериментальных выстрелов, что даёт абсолютный рекорд удельной стоимости секунды эксперимента.
На этом фоне установка АМБАЛ (не достроена до конца и не доведена до ума из-за 90-х) требует упоминания исключительно за стильность названия.
Конец 1 части. Продолжение.
ОТВЕТЫ (2)
|
|
slavae ( Слушатель ) |
| 27 янв 2019 10:44:22 |
Цитата: slavae от 27.01.2019 10:27:29
Часть 2
Как и зачем работают открытые ловушки, часть 2
Продолжение, начало здесь.
Следующий метод — многопробочное удержание. В нём в цепочку выстраивается не три пробкотрона, а столько, сколько влезет в зал. Внутрь запускается плазма такой плотности, чтобы ион рассеивался на расстоянии, примерно равном расстоянию между соседними пробками. Частица, вылетающая из области удержания, может захватиться отдельным пробкотроном, поболтаться от пробки к пробке и снова рассеяться в произвольном направлении. Тем, кому приходилось учить мат.статистику, эта задача известна как задача о пьяном матросе: время, которое матросу частице потребуется на путь от начала ловушки до её конца, квадратично растёт с ростом длины. Делаем ловушку в десять раз длиннее, а удержание улучшается в сто раз.
На иллюстрации синей и зелёной линиями в пэйнте показаны траектории частиц [9].
Эксперименты показали, что дела обстоят даже лучше, чем в исходной идее. Любая возникающая в плазме волна рассеивает частицы. Только теперь это приводит не к увеличенным потерям, как в простых пробкотронах, стеллараторах или токамаках, а к улучшению удержания: длина свободного пробега частиц за счёт рассеяния автоматически подгоняется к расстоянию между пробками, и метод работает даже при таких плотностях, при которых он этого делать не должен.
Для иллюстрации первые гофрированные (многопробочные) ловушки ЩЕГОЛ и ГОЛ-1.
Занятный факт, который ещё всплывёт к концу поста: одновременно с многопробочным удержанием было предложено двигать пробки, чтобы тащить захваченные частицы обратно к области удержания. Это выглядит как эскалатор, который едет навстречу потоку людей: наружу выйдут только самые везучие и подготовленные. Об этом был написан один абзац ровно. Видимо, после этого авторы посчитали, сколько мощности надо для создания бегущих пробок, получили что-то в духе 20 или 100 ГВт и задвинули идею куда подальше.
Пруф:
Последний из старых методов улучшенного удержания в линейных ловушках — газодинамический. Если в классический пробкотрон набить побольше частиц, чтобы они сталкивались раньше, чем долетают до пробки, то попадание в конус потерь не будет означать, собственно, потерь. Ситуацию можно сравнить со станцией метро в час пик: человек в центре станции, может, и хочет выйти наружу, но ему бы ещё до эскалатора добраться. Если длина перрона — километр, то он плюнет и поедет обратно на работу.В такой плазме может жить без неустойчивостей популяция быстрых ионов с энергиями около 10 кэВ, которые и будут вступать в термоядерную реакцию с ионами плазмы. Время удержания линейно растёт с ростом пробочного отношения.
Пока что в мире построена одна ловушка газодинамического типа (называется, собственно, газодинамической ловушкой, сокращённо ГДЛ). На фотографиях — её вид в 1988 и 2018 году. Кое-что добавилось.
ГДЛ показала более хорошее удержание, чем закладывалось в её проект. Этот путь был долгим. Первой проблемой была устойчивость, уже упомянутая в абзаце о леммингах.Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 100 электронвольт из-за проблем с МГД-устойчивостью и продольной теплопроводностью.
С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, где-то в начале 90-х.
.
Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 300 электронвольт из-за проблем с МГД-устойчивостью и продольной теплопроводностью.
С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, где-то в конце 90-х.
По очереди было найдено несколько методов стабилизации. Самый качественный из них напомнит читателю об экспериментах с вращающейся плазмой: если внешний слой плазмы вращается быстрее внутренних, любой всплывающий плазменный пузырь будет размазан в симметричную относительно оси трубу. Труба уже никуда не денется.
Метод был назван вихревым удержанием. 400 эВ на ГДЛ были получены лет десять назад.
Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 1 килоэлектронвольта из-за проблем с продольной теплопроводностью.
С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, 2010 и некоторые другие годы.
Другой проблемой было то, что плазма вдоль силовых линий очень хорошо проводит тепло. Сложно греть штуку с теплопроводностью меди, которая двумя концами упирается в холодную массивную железку. На установках линейки ГОЛ проблема решалась возбуждением сильно турбулентнах колебаний электронов вокруг ионов. Аналогия — пожар в сумасшедшем доме: пока доктор электрон выйдет наружу и вынесет энергию, он столько раз столкнётся с бегающими куда попало людьми электромагнитными полями, что этот факт будет уже не важен. Пожарный холодный электрон же внутрь попасть не сможет — всё занято. Была мысль сделать так же на ГДЛ, и этот эксперимент когда-нибудь будет сделан, но всё оказалось гораздо проще.
Теплопроводность пропадает в той точке, где поле уменьшается в ~40 раз (если быть точнее, в корень из соотношения масс иона и электрона). Температура расширяющегося в пустоту потока плазмы падает. Амбиполярный потенциал становится меньше (вспоминаем перегретые электроны в АМБАЛе), и это создаёт потенциальный барьер для электронов. Возникают те же снеговые кучи, через которые никто никакую энергию не переносит.
Должная степень расширения и сравнительно маломощный СВЧ-нагрев позволили в 2016 году получить на ГДЛ 1 кэВ.К этому моменту уже было предложено собрать все фишки газодинамического и многопробочного удержания, добавить к центру ГДЛьного типа гофрированные секции и тем самым повысить качество удержания раз в 10. Если DT-реактор на основе обычного ГДЛ должен быть длиной 1–3 км, то ГДЛ+многопробки — уже разумные 100–300 м. Схема такой ловушки идёт в прошлом посте десятым рисунком. Чтобы не приходилось листать, продублирую:
Помимо того, было предложено ещё два метода: винтовое и диамагнитное удержание.Винтовое напоминает, с одной стороны, идею с движущимися пробками из 70-х. С другой — мясорубку.
Многопробочное поле стоит на месте, но пробки смещены по винту. Плазма, вращаясь, вкручивается в этот винт и движется туда, куда нужно. Из её системы отсчёта кажется, что движутся сами пробки, нам остаётся только крутить.
Суть диамагнитного в том, чтобы надуть пузырь из плазмы. Для этого нужно, чтобы её давление приблизилось к давлению магнитного поля. Поле будет почти полностью вытеснено из пузыря, минимальное поле уменьшится, максимальное останется тем же — то есть, пробочное отношение вырастет. А с ним и время удержания [10].
Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек, поскольку они не имеют преимуществ перед токамаками.С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, 2018 год.
Всё это вместе даёт шанс уложить DD-реактор в сотню-другую метров.
Собирая вместе все аналогии, получается следующее:
Длинная станция метро в час пик, заполненная пьяными пассажирами. Все эскалаторы едут сверху вниз. На выходе с эскалаторов работают бульдозеры. Никто никуда не уходит.
Токамак для DD-реакции имеет схожие размеры: диаметр «бублика» для него должен быть примерно 60-метровым. И тут есть нюанс.
Линейная ловушка длиной 100 метров собирается из отдельных «бочек», выстроенных в ряд. Самая большая из них по сегодняшним представлениям должна иметь диаметр 4–5 метров вместе с криостатом и длину, допустим, метров десять или пятнадцать.
Это можно перевезти по железной дороге.
Отдельные катушки токамака уже сегодня нельзя перевезти разумным транспортом, нужно строить рядом с будущим токамаком цех и наматывать их там [11]:
Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост
Примерно поэтому мы и утверждаем, что DD-реактор нужно делать линейным.
В следующей серии: как собрать свою маленькую плазменную установку (шесть метров длиной, три тонны массой), если есть достаточно нервов и большой грант РНФ.
|
|
slavae ( Слушатель ) |
| 02 мар 2019 10:29:23 |
Цитата: slavae от 27.01.2019 10:44:22
Если кому-то интересно, эту историю от создателя СМОЛы можно прочитать здесь