Магнитная имплозия магнитной ловушки
Есть за Океяном такое чудо - Z машина. Она предназначена для пропускания сверхкоротких и сверхмощных импульсов тока сквозь металлическую проволоку.
От этого проволока мгновенно превращается в плазму, а сверхмощное магнитное поле, создаваемое током, эту плазму сжимает, от чего она нагревается до таких температур, что начинает излучать тепловое рентгеновское излучение. Сжимаемый полем тока жгут плазмы называется z-пинч, отчего и произошло название машины. Если взять много проволочек и разместить между ними капсулу с хорошо поглощающими рентген стенками и термоядерным топливом (например дейтерий-тритиевой смесью) внутри, то получится миниатюрная модель современной термоядерной бомбы, с точностью до замены запала с атомной бомбы на z-пинч. Kак вы понимаете, Z машина была построена кровавой американской военщиной как раз для испытаний моделей термоядерного оружия в лабораторных условиях. Заодно и на последствия одного из поражающих факторов ядреного взрыва можно полюбоваться:
Дальнейшее является пересказом двух статей одной и той же группы авторов - 2010 и 2012 годов выпуска. Если знаете толк в извращениях, то можете также почитать несколько туманную заметку, являющуюся пересказом пресс-релиза, посвященного выходу статьи 2012г.
Поскольку полный КПД у двух последовательных преобразований (сначала преобразования кинетической энергии сжатия проволоки в рентген, а потом рентгена в кинетическую энергию сжатия стенок капсулы с топливом) меньше, чем у паровоза, при термоядерном минивзрыве капсулы энергии получается гораздо меньше, чем тратится на генерацию тока. Самоочевидная идея: убрать посредника в виде рентгеновского излучения, сделать капсулу в виде полого цилиндра с топливом внутри, и пропускать ток непосредственно сквозь стенки капсулы, чтобы стенки сжималась магнитным полем тока и сами сжимали (а вследствие сжатия - и нагревали) топливо. Тут однако возникает серьезная проблема в виде теплообмена - разогретая дейтерий-тритиевая плазма из-за наличествующих в ней свободных электронов хорошо проводит тепло и при контакте с более холодным веществом мгновенно остывает. Чтобы топливо смогло нагреться до 50 миллионов градусов и пошла термоядерная реакция, процедура сжатия должна быть неимоверно быстрой (стенки должны сжиматься со скоростью 300км/сек). Мощность, потребная для этого, находится далеко за пределами возможностей как Z-машины, так и ее обозримо-будущих аналогов.
С другой стороны, давно известно, что если плазму поместить в сильное магнитное поле, ее теплопроводность поперек поля уменьшится, поскольку магнитное поле будет мешать электронам двигаться в этом направлении. Магнитное поле линейного тока, которое сжимает капсулу, для этого, однако, не годится - внутри капсулы оно равно нулю, поскольку там нет тока. А чтобы подавить теплопроводность плотной плазмы нужно очень сильное поле.
Очень сильное поле можно получить с помощью процесса, аналогичному которому его приобретают нейтронные звезды: если намагнитить плазму, а потом эту плазму сжать - то сожмутся и силовые линии поля, а напряженность поля вырастет обратно пропорционально объему.
Предложенная авторами обзираемых статей схема такова: вокруг цилиндрической капсулы в плоскости перпендикулярной ее оси размещаются кольца, через которые пропускается относительно длительный и просто мощный импульс тока за миллисекунду до пропускания сверхмощного тока сквозь стенки капсулы.
Поперечный срез установки. Голубым обозначены генерирующие начальное магнитное поле кольца, серым - электроды машины, маленький цветастый объект в центре - капсула перед сжатием.
А вот как это выглядит в металле
Эти кольца создают поле с индукцией в несколько десятков тесл (что очень много для постоянного поля, но на миллисекунду создать такое поле не проблема, это делал еще Резерфорд, точнее его малоизвестный аспирант по фамилии Капица), параллельное оси цилиндра, так что получается нечто похожее на обычную магнитную ловушку. Непосредственно в момент начала подачи основного импульса тока сквозь цилиндр, сквозь его боковую поверхность по его содержимому (газообразная дейтерий-тритиевая смесь под давлением в несколько атмосфер) бьет луч лазера, который нагревает газ до нескольких миллионов градусов, из-за чего тот немедленно ионизируется и превращается в плазму.
Капсула после удара лазерного луча, но до сжатия.
Магнитное поле колец оказывается "замороженным" в этой плазме, так что когда цилиндр схлопывается к своей оси после пропускания сквозь его стенки тока Z-машины, а бывший газ превращается в тоненькую иголочку с высотой, равной высоте бывшего цилиндра и радиусом в 50 раз меньше начального, магнитное поле тоже сжимается и достигает индукции в 10000 тесл!
Такого поля уже вполне хватает, чтобы настолько подавить теплопроводность плазмы в поперечном направлении (в продольном направлении тепло может утекать только через основания цилиндра, площадь которых на заключительной стадии сжатия, когда потери наиболее существенны, очень мала), что для достижения вожделенных 50 миллионов градусов требуется, чтобы стенки камеры сжимались со скоростью всего 100 км/сек (сокращение скорости по сравнению со случаем отсутствия магнитного поля всего в три раза, но это дает уменьшение требующейся энергии на порядок).
Тут уместно упомянуть, что сама схема с сжатием предварительно нагретой и намагниченной плазмы была предложена еще тридцать лет назад, и тогда же было рассчитано, что требующуюся скорость сжатия можно сократить и до 10 км/сек, но для этого нужно, чтобы плазма до сжатия имела начальную плотность в тысячу раз меньше плотности воздуха. Также очень давно были проведены успешные эксперименты с ударным сжатием намагниченной дейтерий-тритиевой плазмы, в них продемонстрировано, что в случае наличия магнитного поля ядерная реакция идет, а без - нет. В статье 2010 года внесена только одна свежая идея: не надо так уж гонятся за сокращением скорости сжатия любой ценой (поскольку Z-машина позволяет на этом не экономить), а относительно высокая плотность плазмы вознаградится некоторыми важными бонусами.
Самый главный из этих бонусов: длина пробега быстрых ядер гелия, которые образуются при синтезе дейтерия и трития, в плотной плазме всего порядка 1 см, так что достаточно сделать цилиндрик высотой 1 см, чтобы ядра гелия, двигаясь вдоль оси, успели отдать всю свою энергию на дополнительный разогрев плазмы. А выскочить поперек оси им не даст все то же десятитыщетесловое продольное магнитное поле. То есть, в отличии от обычной схемы двухпробочной магнитной ловушки, здесь пробки не требуются. Подчеркну - магнитное поле не держит саму плазму, так что плазма немедленно после сжатия начинает расширяться обратно. Наоборот, это плазма держит поле, которое не дает наиболее быстрым частицам - электронам и образовавшимся при ядерной реакции быстрым ядрам - удрать из коллектива.
"Иголочка" из вещества, в которой идет термоядерная реакция, разогревается уже за счет поглощенной энергии ядер гелия (основная часть энергии, получающейся при синтезе, уносится быстрыми нейтронами, но да и ладно), и возникает еще одна самоочевидная идея - использовать эту энергию для поджига холодной дейтерий-тритиевой смеси. Но этому должен сильно мешать как раз тот эффект, который использовался на первоначальном этапе - подавление теплопроводности магнитным полем. И вот тут мы наконец подобрались к тому, что сделано в той работе 2012г., которой был посвящен пресс-релиз, которому была посвящена заметка: путем численного моделирования там показано, что эта проблема не так существенна, как казалось, если не переусердствовать с напряженностью начального магнитного поля (оптимальное начальное поле получилось равным 10 теслам для варианта с самой большой плотностью плазмы после сжатия).
Окончательно предложенная авторами схема выглядит так: кроме газообразной дейтерий-тритиевой смеси, в капсуле должна находится еще и твердая дейтерий-тритиевая смесь, намороженная на стенки (там, где на предыдущей картинке синий цвет, хотя там он в общем-то изображает просто не разогретый газ, поскольку это из статьи 2010г.). Газ нагревается ударом лазера до нескольких миллионов градусов, а твердый водород так и оставляется холодным, поэтому на его сжатие тратится гораздо меньше энергии, чем на сжатие плазмы. После сжатия получается "горячее пятно" с плотностью приблизительно равной плотности воды, окруженное бывшим твердым водородом, сжавшимся до плотности в двадцать раз плотнее свинца. Горячее пятно расширяется, нагреваясь за счет ядерной реакции, и постепенно сжигает плотное топливо (постепенно - это за наносекунды).
Выводы обнадеживают - даже на современной Z-машине при взрыве капсулы по такой схеме можно получать столько же дополнительной энергии, сколько потрачено на генерацию сжимающего тока. А после постройки новой ZN-машины, в которой генерируемый пиковый ток должен повысится в два раза, при взрыве должно получатся аж в сто раз больше энергии, чем затрачено, чего даже с учетом далеко не 100%й конвертации тепловой энергии в электрическую хватит на то, чтобы считать управляемый термояд с положительным балансом осуществившимся! Единственная проблема - насколько часто удастся повторять взрывы, ведь сейчас подготовка Z-машины к импульсу занимает много часов...