Термоядерный синтез. Новые идеи, подходы.
Оригинал статьи на английском здесь - http://www.icarusinterstellar.org/blog/plasmajet-driven-magnetoinertial-fusion-pjmif/comment-page-1/#comment-2573
Плазменно-реактивный управляемый магнито-инерционный синтез (PJMIF)
Возможный, практический и относительно дешевый способ получения энергии является концепция термоядерного синтеза - один из святых Граалей современной науки, поиск которого ведется вот уже на протяжении более пяти десятилетий. Способ этот представляет собой один из безконечных источников энергии как для наземной так и для космической деятельности человека. Существуют десятки научно-исследовательских проектов с участием более чем двадцати различных подходов к ядерному синтезу, а достигнутые успехи, за столь продолжительное время, более чем скромны. Я попытаюсь познакомить вас с некоторыми из основных идей термоядерного синтеза и представить вашему вниманию сравнительно новую концепцию, называемую Plasma-Jet driven Magneto-Inertial Fusion (PJMIF) - "Плазменно-реактивный управляемый магнито-инерционный синтез".
Сегодня существуют две основные категории ядерного синтеза - магнитный термоядерный синтез (MCF) и инерциальный термоядерный синтез (ICF). Как видно из названия, MCF предполагает использование сильных магнитных полей, которые, с одной стороны, ограничиваются низкой плотностью плазмы, на больших пространственных масштабах и не достаточно долгим временным промежутком удержания плазмы, для создания и протекания термоядерных реакций, основанных на критерии Лоусона. С другой стороны, MCF использует механизм захвата и удержания ионов высоких энергий магнитным полем, в "зоне реакции" и, следовательно, этот способ снижает тепловые потери. Еще одно очень важное свойство MCF в том, что это метод получения довольно устойчивой и стабильной плазмы.
В противовес этому, ICF предлагает радикально иной подход. Он использует метод высоких энергий лазерного импульса для сжатия твердотельной мишени. При этом, используется большой массив лазеров, симметрично распределеных по сферической камере. Мишень располагается в центре камеры и облучается со всех сторон мощными лазерными лучами, которые сжимают цель до черезвычайно высоких плотностей, при которых начинается, собственно, термоядерный синтез. Есть множество способов достижения этой цели (прямые, косвенные, быстрое зажигание и т.д. ...), но, в сущности, все они связаны с высокоэнергетическими лазерами и конструкцией мишеней. Этот подход основан на том, что огромное количество энергии поступает за очень короткий промежуток времени и в небольших постранственных масштабах, при этом плазма получает энергии "намного больше чем необходимо", поэтому, несмотря на отсутствие магнитного поля и ловушку ионов в зоне реакции, возникают условия, достаточные для достижения синтеза.
Текущее состояние современных технологий позволяет нам проводить эксперименты обоих типов. Два самых известных объекта термоядерного синтеза являются ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор) во Франции http://www.iter.org/, которая представляет собой MCF подход и NIF (Национальный фонд зажигания) в Калифорнии, США https://lasers.llnl.gov/, который является представителем ICF. Оба этих объекта имеют огромные размеры и стоимость. Каждый из подходов имеет свои преимущества и недостатки, но, для краткости, я буду обсуждать только те, которые нам интересны в сравнении с PJMIF.
PJMIF - это гибридный подход, пытающийся взять лучшее из обоих, описанных выше, методов - MCF и ICF. Мишень представляет собой сгусток плазмы с собственным замкнутым магнитным полем, обстреливаемый другими потоками плазмы, (как в ICF подходе) и электронная теплопроводность данных потоков и самого сгустка (температурные потери) значительно уменьшены собственными внутренними замкнутыми магнитными полями плазмы (подход MCF). Снижение температурных потерь очень важно, поскольку таким образом мы предотвратим утечку драгоценной энергии из зоны реакции. Так как пока не существует материалов для оболочек реакторных камер, способных выдержать близкое соседство с горячей плазмой, PJMIF обеспечивает элегантное решение этой проблемы (проблема повреждения стенок камеры и окружающего оборудования тепловыми потоками плазмы), т.к. временной масштаб всего процесса должен быть порядка микросекунд, где время удержания пропорционально соотношению скорости струи плазмы на ее длину. Величины эксплуатационных параметров (в первую очередь плотности), являются промежуточными между ICF и MCF. Более высокая плотность топлива, по сравнению с MCF, означает, что объемы зоны реакции на несколько порядков меньше (связано с критерием Лоусена - http://en.wikipedia.org/wiki/Lawson_criterion), а использование собственных замкнутых магнитных полей мишени позволяет обходится меньшими энергиями, в сталкивающихся пучках плазмы, для ее взрыва и удержания, по сравнению с ICF, в результате чего, открывается потенциальная возможность получения сравнительно не дорогого способа извлечения энергии термоядерного синтеза.
Figure 1: 2D visualization of the PJMIF concept (Thio, 2008)
Figure 2: Initial 3D setup of 30 plasma jets (Cassibry, 2007)
Figure 3: Plasma jets converging, about halfway through the process (Cassibry, 2007)
Figure 4: Plasma jets at peak compression, reaching 10000 atmospheres of pressure (Cassibry, 2007)
Получение собственных магнитных полей мишени может быть достигнуто несколькими способами, из которых, вероятно, самый легкий это, так называемый, "поле обратной конфигурации" (field-reversed configuration)(FRC), и это довольно известная топология, широко применяемая для формирования плазмы в области импульсных плазменных двигателей и ядерного синтеза. Как упоминалось ранее, получение собственных магнитных полей мишени играет ключевую роль в снижении тепловых потерь, удерживая горячие ионы в магнитном поле.
Итак, как же, все-таки, это работает? Идея состоит в использовании сходящихся плазменных струй, aka "сферический поршень" для сжатия мишени и ее магнитных полей (в PJMIF применяется термин лайнер, а не поршень, см. рис ниже), а так как магнитные поля мишени тоже сжимаются, магнитное поле мишени должно быстро расти, так как его сила обратно пропорциональна радиусу мишени. Таким образом, PJMIF намерен добиться высокой степени сжатия, в импульсном режиме, путем введения высоких энергий плазмы-лайнера на мишень при сохранении сильного магнитного поля вокруг мишени, которое, мы надеемся, значительно снизит тепловые потери и, следовательно, предоставит более легкий доступ к реакции термоядерного синтеза.
Предварительные аналитические и численные исследования (Thio, Lindemuth, Siemon, Cassibry и др..) Показывают, что параметры, при которых PJMIF должен работать, лежат как раз посредине между MCF и ICF, параметры которых еще не достаточно изучены и пока еще не относятся к термояденому синтезу. Вводя магнитное поле в мишени, требования к начальной энергии струй может быть значительно снижено, так как тепловые потери сокращаются во время сжатия, и, поэтому, достигается лучшая общая эффективность процесса. Более низкая энергия плазменных струй уменьшает, в свою очередь, потребление энергии установкой, и это, как следствие, делает установку более компактной. Если будет доказана эффективность PJMIF, то такие установки потребуют значительно более легкого и компактного оборудования, чем установки основанные на принципах MCF и ICF. Речь идет о довольно сложной физики, но для того, чтобы метод MCF работал, нужно иметь достаточно большой объем плазмы, порядка сотни кубических метров, а для PJMIF, все реакции происходят в масштабах всего нескольких кубических сантиметров.ICF имеет невероятно сложную оптику, попробуйте разделить энергию крупнейшего в мире лазера на 192 лучей и направить ее по направлению к центру камеры, как результат всего этого, мы имеем установки размером с футбольное поле.
Еще одним интересным моментом является цена ... Lindemuth и Siemon (2009) в своей работе сформировала достаточно простую, но рабочую экономическую модель,(по крайней мере, для случаев ITER и NIF). Согласно этому исследованию, в то время как проекты ITER и NIF стоят миллиарды долларов, установка, основанная на принципе PJMIF, должена стоить около пятидесяти миллионов долларов. В первую очередь это связано с уменьшением затрат энергии, а так же то, что рельсотроны, применяемые для разгона плазмы, гораздо проще, чем лазеры или токамаки.
Теперь Вы можете спросить, почему данный проект до сих пор не реализован, так как низкие оценки стоимости установок PJMIF явно привлекательны. Ключевые слова лежат в начале этой статьи - все эти исследования пока являются предварительными. Сама идея PJMIF, как она существует сейчас, была выдвинута всего лишь десять лет назад, и эта идея не получала ни какого финансирования до прошлого года, когда были выделены средства для проведения средних размеров натурного эксперемента. Проект называется PLX (Plasma Liner эксперимент) и является совместным проектом нескольких университетов и компаний, во главе с Лос-Аламосской лабораторией. Эксперимент, в первую очередь сосредоточиться на фундаментальной физики высоких плотностей энергии плазмы, но он так же будет и хорошим тест-драйвом и для PJMIF, так как он использует описанные выше техники. К сожалению, PLX оперирует энергиями значительно ниже необходимых для начала реакции синтеза, так что реакция термоядерного синтеза не будет достигнута, данный эксперемент предоставит прекрасные возможности подтвердить (или опровергнуть) возможность получения реакции термоядерного синтеза посредством PJMIF.
Подводя итог, важно отметить, что перед нами лежит еще очень долгий путь до реализации идей PJMIF. Эксперимент PLX начался и много работы, в рамках этого эксперимента, выполняется ежедневно. Эксперименты Jet-синтезу (лайнер формирования) начнуться в следующем году (данная статья 2011 года), необходимо провести много предварительного теоретического анализа и модельных расчетов, чтобы попробовать оценить поведение плазмы, как эти сложные геометрии формируются, распространяются, сжимаются и, возможно, доводятся до условий термоядерного синтеза. Если будет доказана осуществимость данного метода, то он, может представлять захватывающий вариант для проекта ICARUS дотянуться до звезд.
Плазменно-реактивный управляемый магнито-инерционный синтез (PJMIF)
Возможный, практический и относительно дешевый способ получения энергии является концепция термоядерного синтеза - один из святых Граалей современной науки, поиск которого ведется вот уже на протяжении более пяти десятилетий. Способ этот представляет собой один из безконечных источников энергии как для наземной так и для космической деятельности человека. Существуют десятки научно-исследовательских проектов с участием более чем двадцати различных подходов к ядерному синтезу, а достигнутые успехи, за столь продолжительное время, более чем скромны. Я попытаюсь познакомить вас с некоторыми из основных идей термоядерного синтеза и представить вашему вниманию сравнительно новую концепцию, называемую Plasma-Jet driven Magneto-Inertial Fusion (PJMIF) - "Плазменно-реактивный управляемый магнито-инерционный синтез".
Сегодня существуют две основные категории ядерного синтеза - магнитный термоядерный синтез (MCF) и инерциальный термоядерный синтез (ICF). Как видно из названия, MCF предполагает использование сильных магнитных полей, которые, с одной стороны, ограничиваются низкой плотностью плазмы, на больших пространственных масштабах и не достаточно долгим временным промежутком удержания плазмы, для создания и протекания термоядерных реакций, основанных на критерии Лоусона. С другой стороны, MCF использует механизм захвата и удержания ионов высоких энергий магнитным полем, в "зоне реакции" и, следовательно, этот способ снижает тепловые потери. Еще одно очень важное свойство MCF в том, что это метод получения довольно устойчивой и стабильной плазмы.
В противовес этому, ICF предлагает радикально иной подход. Он использует метод высоких энергий лазерного импульса для сжатия твердотельной мишени. При этом, используется большой массив лазеров, симметрично распределеных по сферической камере. Мишень располагается в центре камеры и облучается со всех сторон мощными лазерными лучами, которые сжимают цель до черезвычайно высоких плотностей, при которых начинается, собственно, термоядерный синтез. Есть множество способов достижения этой цели (прямые, косвенные, быстрое зажигание и т.д. ...), но, в сущности, все они связаны с высокоэнергетическими лазерами и конструкцией мишеней. Этот подход основан на том, что огромное количество энергии поступает за очень короткий промежуток времени и в небольших постранственных масштабах, при этом плазма получает энергии "намного больше чем необходимо", поэтому, несмотря на отсутствие магнитного поля и ловушку ионов в зоне реакции, возникают условия, достаточные для достижения синтеза.
Текущее состояние современных технологий позволяет нам проводить эксперименты обоих типов. Два самых известных объекта термоядерного синтеза являются ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор) во Франции http://www.iter.org/, которая представляет собой MCF подход и NIF (Национальный фонд зажигания) в Калифорнии, США https://lasers.llnl.gov/, который является представителем ICF. Оба этих объекта имеют огромные размеры и стоимость. Каждый из подходов имеет свои преимущества и недостатки, но, для краткости, я буду обсуждать только те, которые нам интересны в сравнении с PJMIF.
PJMIF - это гибридный подход, пытающийся взять лучшее из обоих, описанных выше, методов - MCF и ICF. Мишень представляет собой сгусток плазмы с собственным замкнутым магнитным полем, обстреливаемый другими потоками плазмы, (как в ICF подходе) и электронная теплопроводность данных потоков и самого сгустка (температурные потери) значительно уменьшены собственными внутренними замкнутыми магнитными полями плазмы (подход MCF). Снижение температурных потерь очень важно, поскольку таким образом мы предотвратим утечку драгоценной энергии из зоны реакции. Так как пока не существует материалов для оболочек реакторных камер, способных выдержать близкое соседство с горячей плазмой, PJMIF обеспечивает элегантное решение этой проблемы (проблема повреждения стенок камеры и окружающего оборудования тепловыми потоками плазмы), т.к. временной масштаб всего процесса должен быть порядка микросекунд, где время удержания пропорционально соотношению скорости струи плазмы на ее длину. Величины эксплуатационных параметров (в первую очередь плотности), являются промежуточными между ICF и MCF. Более высокая плотность топлива, по сравнению с MCF, означает, что объемы зоны реакции на несколько порядков меньше (связано с критерием Лоусена - http://en.wikipedia.org/wiki/Lawson_criterion), а использование собственных замкнутых магнитных полей мишени позволяет обходится меньшими энергиями, в сталкивающихся пучках плазмы, для ее взрыва и удержания, по сравнению с ICF, в результате чего, открывается потенциальная возможность получения сравнительно не дорогого способа извлечения энергии термоядерного синтеза.
Figure 1: 2D visualization of the PJMIF concept (Thio, 2008)
Figure 2: Initial 3D setup of 30 plasma jets (Cassibry, 2007)
Figure 3: Plasma jets converging, about halfway through the process (Cassibry, 2007)
Figure 4: Plasma jets at peak compression, reaching 10000 atmospheres of pressure (Cassibry, 2007)
Получение собственных магнитных полей мишени может быть достигнуто несколькими способами, из которых, вероятно, самый легкий это, так называемый, "поле обратной конфигурации" (field-reversed configuration)(FRC), и это довольно известная топология, широко применяемая для формирования плазмы в области импульсных плазменных двигателей и ядерного синтеза. Как упоминалось ранее, получение собственных магнитных полей мишени играет ключевую роль в снижении тепловых потерь, удерживая горячие ионы в магнитном поле.
Итак, как же, все-таки, это работает? Идея состоит в использовании сходящихся плазменных струй, aka "сферический поршень" для сжатия мишени и ее магнитных полей (в PJMIF применяется термин лайнер, а не поршень, см. рис ниже), а так как магнитные поля мишени тоже сжимаются, магнитное поле мишени должно быстро расти, так как его сила обратно пропорциональна радиусу мишени. Таким образом, PJMIF намерен добиться высокой степени сжатия, в импульсном режиме, путем введения высоких энергий плазмы-лайнера на мишень при сохранении сильного магнитного поля вокруг мишени, которое, мы надеемся, значительно снизит тепловые потери и, следовательно, предоставит более легкий доступ к реакции термоядерного синтеза.
Предварительные аналитические и численные исследования (Thio, Lindemuth, Siemon, Cassibry и др..) Показывают, что параметры, при которых PJMIF должен работать, лежат как раз посредине между MCF и ICF, параметры которых еще не достаточно изучены и пока еще не относятся к термояденому синтезу. Вводя магнитное поле в мишени, требования к начальной энергии струй может быть значительно снижено, так как тепловые потери сокращаются во время сжатия, и, поэтому, достигается лучшая общая эффективность процесса. Более низкая энергия плазменных струй уменьшает, в свою очередь, потребление энергии установкой, и это, как следствие, делает установку более компактной. Если будет доказана эффективность PJMIF, то такие установки потребуют значительно более легкого и компактного оборудования, чем установки основанные на принципах MCF и ICF. Речь идет о довольно сложной физики, но для того, чтобы метод MCF работал, нужно иметь достаточно большой объем плазмы, порядка сотни кубических метров, а для PJMIF, все реакции происходят в масштабах всего нескольких кубических сантиметров.ICF имеет невероятно сложную оптику, попробуйте разделить энергию крупнейшего в мире лазера на 192 лучей и направить ее по направлению к центру камеры, как результат всего этого, мы имеем установки размером с футбольное поле.
Еще одним интересным моментом является цена ... Lindemuth и Siemon (2009) в своей работе сформировала достаточно простую, но рабочую экономическую модель,(по крайней мере, для случаев ITER и NIF). Согласно этому исследованию, в то время как проекты ITER и NIF стоят миллиарды долларов, установка, основанная на принципе PJMIF, должена стоить около пятидесяти миллионов долларов. В первую очередь это связано с уменьшением затрат энергии, а так же то, что рельсотроны, применяемые для разгона плазмы, гораздо проще, чем лазеры или токамаки.
Теперь Вы можете спросить, почему данный проект до сих пор не реализован, так как низкие оценки стоимости установок PJMIF явно привлекательны. Ключевые слова лежат в начале этой статьи - все эти исследования пока являются предварительными. Сама идея PJMIF, как она существует сейчас, была выдвинута всего лишь десять лет назад, и эта идея не получала ни какого финансирования до прошлого года, когда были выделены средства для проведения средних размеров натурного эксперемента. Проект называется PLX (Plasma Liner эксперимент) и является совместным проектом нескольких университетов и компаний, во главе с Лос-Аламосской лабораторией. Эксперимент, в первую очередь сосредоточиться на фундаментальной физики высоких плотностей энергии плазмы, но он так же будет и хорошим тест-драйвом и для PJMIF, так как он использует описанные выше техники. К сожалению, PLX оперирует энергиями значительно ниже необходимых для начала реакции синтеза, так что реакция термоядерного синтеза не будет достигнута, данный эксперемент предоставит прекрасные возможности подтвердить (или опровергнуть) возможность получения реакции термоядерного синтеза посредством PJMIF.
Подводя итог, важно отметить, что перед нами лежит еще очень долгий путь до реализации идей PJMIF. Эксперимент PLX начался и много работы, в рамках этого эксперимента, выполняется ежедневно. Эксперименты Jet-синтезу (лайнер формирования) начнуться в следующем году (данная статья 2011 года), необходимо провести много предварительного теоретического анализа и модельных расчетов, чтобы попробовать оценить поведение плазмы, как эти сложные геометрии формируются, распространяются, сжимаются и, возможно, доводятся до условий термоядерного синтеза. Если будет доказана осуществимость данного метода, то он, может представлять захватывающий вариант для проекта ICARUS дотянуться до звезд.