Мигма

«Мигма» , иногда «мигматрон» или «мигмаселл» , — предложенный со встречными лучами термоядерный реактор , разработанный Богданом Маглихом в 1969 году. Migma использует самопересекающиеся пучки ионов из ускорителей малых частиц, чтобы заставить ионы сливаться. Подобные системы, использующие более крупные скопления частиц, размером вплоть до микроскопической пыли, назывались « макронами ». Мигма была областью некоторых исследований в 1970-х и начале 1980-х годов, но отсутствие финансирования препятствовало дальнейшему развитию.

Обычный синтез

Синтез происходит, когда атомы оказываются в непосредственной близости, и сильное ядерное взаимодействие стягивает их ядра вместе. Противодействует этому процессу тот факт, что все ядра заряжены положительно и, таким образом, отталкивают друг друга из-за электростатической силы . Чтобы произошел термоядерный синтез, ядра должны иметь достаточно энергии, чтобы преодолеть этот кулоновский барьер . Барьер снижается для атомов с меньшим положительным зарядом, для атомов с наименьшим количеством протонов , а сильное взаимодействие увеличивается за счет дополнительных нуклонов, общего числа протонов и нейтронов . Это означает, что комбинация дейтерия и трития имеет самый низкий кулоновский барьер — около 100 кэВ (см. требования для термоядерного синтеза ).

Когда топливо нагревается до высоких энергий, электроны отделяются от ядер, которые остаются в виде ионов в газоподобной плазме . Любые частицы в газе распределены в широком диапазоне энергий в спектре, известном как распределение Максвелла-Больцмана . При любой данной температуре большинство частиц имеют более низкие энергии, а «длинный хвост» содержит меньшее количество частиц с гораздо более высокими энергиями. Таким образом, хотя 100 кэВ представляют собой температуру более одного миллиарда градусов, для того, чтобы произвести термоядерный синтез, топливо не обязательно должно нагреваться до этой температуры в целом. Даже при гораздо более низкой температуре скорость синтеза элементов с длинным хвостом может быть достаточно высокой, чтобы обеспечить полезную выходную мощность, пока она ограничена в течение некоторого периода времени, чтобы у них был шанс встретиться. Повышенная плотность также увеличивает скорость, поскольку энергия реакций будет нагревать окружающее топливо и потенциально также вызывать в нем термоядерный синтез. Сочетание температуры, плотности и времени удерживания известно как Критерий Лоусона .

были разработаны два основных подхода Для решения проблемы термоядерной энергии . При использовании инерционного удержания топливо быстро сжимается до чрезвычайно высокой плотности, что приводит к увеличению внутренней температуры. Попыток поддерживать эти условия в течение какого-либо периода времени не предпринимается, топливо взрывается наружу, как только высвобождается сила. Время удержания составляет порядка наносекунд, поэтому температура и плотность должны быть очень высокими, чтобы сколько-нибудь заметное количество топлива могло подвергнуться синтезу. Этот подход оказался успешным при проведении реакций синтеза, но на сегодняшний день устройства, которые могут обеспечить сжатие, обычно лазеры , требуют больше энергии, чем производят реакции.

В более широко изученном подходе магнитного удержания электрически заряженная плазма удерживается магнитными полями. Топливо медленно нагревается до тех пор, пока часть топлива в хвосте температурного распределения не начнет плавиться. При температурах и плотностях, которые возможны при использовании магнитов, процесс синтеза происходит довольно медленно, поэтому этот подход требует длительного времени удержания, порядка десятков секунд или даже минут. Удержать газ при температуре в миллионы градусов в таком масштабе времени оказалось сложно, хотя современные экспериментальные машины приближаются к условиям, необходимым для производства чистой энергии.

Мигма-фьюжн

Метод встречных пучков позволил избежать проблемы нагрева массы топлива до этих температур за счет ускорения ионов непосредственно в ускорителе частиц .

Самый простой способ создать такую ​​систему — взять два ускорителя и направить их друг на друга. Однако вероятность столкновения двух ионов бесконечно мала; большинство ионов пролетят мимо друг друга, и вложенная в них энергия будет потеряна. Чтобы сделать такую ​​систему практичной с точки зрения энергии, частицы необходимо рециркулировать, чтобы у них было много шансов столкнуться. Один из способов сделать это — использовать накопительное кольцо , но те ионы, которые приближаются к реакции, рассеиваются под большими углами, что заставляет их выходить из колец. Простая математика показала, что этот подход не сработает; скорость потерь от этих промахов всегда будет намного выше, чем энергия, полученная в результате реакций термоядерного синтеза.

Концепция Маглича изменила устройство на основе новой концепции хранения частиц, которую он совместно изобрел, известной как «прецетрон». В типичной концепции накопительного кольца частицы выбрасываются в кольцо «концом» с определенной энергией, поэтому они следуют по пути кольца. Напротив, в прецетроне область хранения представляет собой магнитное зеркало . В большинстве устройств с магнитными зеркалами средняя энергия частиц относительно невелика, а ионы и электроны имеют относительно небольшие орбиты вокруг магнитных силовых линий, радиус которых намного меньше диаметра зеркала в целом. В прецетроне ионы имеют гораздо более высокие энергии и, следовательно, гораздо большие орбиты, занимая значительную часть диаметра зеркала, примерно 1 ⁄ 3 до 1 ⁄ 2 . В таком расположении ионы будут стремиться двигаться к центру объема зеркала, а не отражаться вперед и назад между концами, как в классической установке зеркала.

Кроме того, из-за расположения полей, когда поле сильнее снаружи объема, орбиты ионов будут прецессировать вокруг внутренней области. Это заставляет круговую траекторию перемещать центр вращения. Например, если частица изначально выпущена в область хранения так, что она вращается вокруг нижней половины области зеркала, она будет медленно перемещаться так, чтобы орбита оказалась на одной стороне, затем на верхней, на другой стороне, а затем на верхней. снова низ. Если проследить путь одного иона с течением времени, он образует узор, аналогичный рисунку спирографа , создавая серию кругов, заполняющих объем.

Ключом к использованию этой концепции в системе мигма было направление ионов в камеру с нужной энергией так, чтобы их пути проходили через геометрический центр зеркала. Через короткое время эта орбита прецессирует от начальной точки входа. Когда появляется другой ион, он занимает первоначальную орбиту. Со временем камера заполнялась ионами, вращающимися внутри бесконечного числа накопительных колец, пересекающихся в центре. А поскольку они встретились в центре, ионы на противоположных сторонах камеры при встрече двигались в противоположных направлениях, поэтому один ускоритель давал эффект, аналогичный двум ускорителям в традиционной схеме.

Большим преимуществом этого подхода является то, что рассеяние ионов вперед в «пропущенных» реакциях просто переместит их на другую орбиту, но их естественное движение в зеркальном поле быстро вернет их обратно в центр. Улетучивались только те ионы, которые разлетелись на большой внеосевой угол. В результате ожидалось, что любой данный ион займет около 10 ⁸ проходит через зону реакции, а затем рассеивается из системы. Термин «мигма», от греческого слова «смесь», был выбран, чтобы отличить эту массу вращающихся по орбите ионов от плазмы в обычных машинах.

Реакторы

Была построена серия из четырех реакторов «Мигма»; оригинальная Migma (задним числом Migma I) в 1973 году, Migma II в 1975 году, Migma III в 1976 году и, в конечном итоге, кульминация которой - Migma IV в 1982 году. Эти устройства были относительно небольшими, всего несколько метров в длину вдоль луча ускорителя с дискообразной целевой камерой диаметром около 2 метров (6 футов 7 дюймов) и толщиной 1 метр (3 фута 3 дюйма). В устройствах испытательного стенда Migma использовались ускорители мощностью около 1 МэВ. до 2 МэВ.

Проекты Migma были направлены на использование анейтронного топлива , в первую очередь реакции D-He3, которая требует гораздо более высоких температур для воспламенения, чем типичная реакция DT. Мигме II удалось достичь необходимой температуры, около 15 миллиардов градусов, в 1975 году. Мигма IV установила рекорд времени удержания в 25 секунд в 1982 году. а также рекордное тройное произведение термоядерного синтеза (плотность × время удержания энергии × средняя энергия) 4 × 10 ¹⁴ кэВ сек см ⁻³ , рекорд, к которому не мог приблизиться обычный токамак, пока JET не достиг 3 × 10 ¹⁴ кэВ сек см ⁻³ в 1987 году.

Чтобы сделать Мигму достаточно большой для производства чистой энергии, тройной продукт, достигнутый Мигмой IV, должен быть увеличен в 100–1000 раз. Некоторое время Маглич безуспешно пытался обеспечить финансирование для последующей разработки. Согласно статье в The Scientist , Маглич участвовал в ожесточенных дебатах с различными финансирующими агентствами с 1980-х годов.

Проблемы

Когда впервые рассматривалась конструкция Мигмы, она моделировалась с использованием методов ускорителей частиц. Не было глубокого учета бета конструкции , соотношения магнитного поля и давления плазмы. В традиционных конструкциях, таких как традиционное зеркало, бета является ключевым показателем производительности, который показывает, насколько мощными должны быть магниты для любого заданного количества топлива внутри реактора. Стоимость магнитов зависит от мощности, поэтому это дает приблизительную оценку экономики реактора. В Мигме нет плазмы в обычном понимании, поэтому было неясно, применимо ли это соображение - пока можно было согласовать поле с энергией ионов, чтобы они оставались удерживаемыми, технические потребности были удовлетворены.

Но постоянная подача ионов приводит к очевидной проблеме: реакционная камера становится все более положительно заряженной. Это создавало внешнее давление, похожее на давление обычной плазмы, вызванное законом идеального газа . В конце концов, это давление подавит магнитное поле, независимо от энергии частиц. Чтобы оставаться ниже этого предела, плотность частиц должна была быть очень низкой, около 1 ⁄ 1000 от типичной конструкции зеркала.

Этот эффект можно компенсировать, вводя электроны , а также ионы, так что макроскопический объем нейтрализуется. Однако это приводит к двум новым эффектам, которые приводят к потере энергии в реакторе. Во-первых, электроны будут случайным образом воздействовать на ионы, вызывая их нейтрализацию, то есть они больше не подвергаются воздействию магнитного поля и могут свободно покинуть реакционную камеру. Даже если такой нейтрализации не произошло, столкновения между электронами и ионами заставили бы электроны выделять энергию как за счет тормозного , так и за счет синхротронного излучения .

При некоторой критической плотности электронов эти потери будут превышать количество энергии, подаваемой в систему ускорителями. Чтобы решить эту проблему, в конструкции предполагалось работать с очень низким числом электронов, порядка одного электрона на каждые 100 ионов. Это приводит к существенному ограничению возможных рабочих параметров конструкции; если количество электронов низкое, плотность топлива должна быть низкой, чтобы избежать перегрузки магнитов положительным зарядом, но если плотность электронов увеличивается, чтобы обеспечить более высокую плотность топлива, потери начинают увеличиваться из-за электронных эффектов.

Чтобы улучшить этот показатель, было предложено, чтобы второй ускоритель также отправлял электроны в камеру; если электроны встретятся с ионами, они нейтрализуются и, как таковые, больше не будут подвергаться воздействию магнитных полей и покинут камеру. Ключом к осуществлению этой работы было бы направить электроны в центр, где концентрировались более медленные ионы, которые больше не были полезны. Свободные электроны также должны были улавливаться устройствами в камере реактора.

В конце 1990-х годов общее рассмотрение этих проблем показало, что Migma была не одинока в этой проблеме; Если рассматривать тормозное излучение в нетермализованном топливе, то оказывается, что ни одна система, работающая на анейтронном топливе, не может приблизиться к воспламенению, и что любая система, использующая нетермализованное топливо (включая Мигму), по-видимому, способна покрыть свои потери. Единственный подход, который, по-видимому, имеет теоретическую возможность работать, - это реакция DT или, возможно, DD в термализованной плазме.

В ответ на это в работе была рассмотрена проблема нейтрализации объемного заряда электронами. Основная работа Маглича - статья СРЕДНЯЯ ПО ВРЕМЕНИ НЕЙТРАЛИЗОВАННАЯ МИГМА: ГИБРИДНОЕ ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВСТРЕЧАЮЩЕГОСЯ ПУЧКА/ПЛАЗМЫ КАК АНЕЙТРОННЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ - ОБЗОР. В этой статье Маглич подробно описывает свое открытие поперечных колебаний электронов и управления ими с помощью смещенных пластин. Хотя это обеспечивало нейтрализацию до максимальной достигнутой плотности, плотность затем ограничивалась инжектируемым током и эффективностью улавливания, которые были низкими. Этот метод, обсуждаемый в «Разделе 10. Как был превышен предел объемного заряда» вышеупомянутой статьи, охватывает теорию и эксперименты нового метода нейтрализации объемного заряда. Вероятно, не следует сразу же игнорировать те возможности, которые оно открывает для будущего прогресса в этой области.

Внешние ссылки

• Патент 4788024: Устройство и способ получения самосталкивающегося пучка заряженных частиц, работающего выше предела объемного заряда.