Как и зачем работают открытые ловушки

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]:

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.

Источники иллюстраций:

[1] Пусть будет https://www.litres.ru/igor-kotelnikov/lekcii-po-fizike-plazm...

[2] https://doi.org/10.3367/UFNr.2016.09.037967

[3] http://vant.iterru.ru/vant_2018_2/3.pdf

[4] http://www.inp.nsk.su/images/pdf/books/50-Years-of-BINP-book...

[5] http://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t6-6_1959/g...

[6] https://www.bl.uk/voices-of-science/interviewees/michael-for...

[7] Сборник к 30-летнему юбилею ИЯФ

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Mirror_Fusion_Test_Facility

[9] https://ufn.ru/ru/articles/2018/6/c/

[10] https://doi.org/10.1007/s10894-018-0174-1

[11] https://www.iter.org/construction/SiteFabricationPFcoils

Взято: tnenergy.livejournal.com