Фантастическая энергия. Часть 4

Задача и решение

Для запуска реакции синтеза, например, в капсуле с дейтерий-тритиевым топливом, это топливо нужно нагреть до огромных температур (более 2,5 млн градусов Цельсия), где температура топлива характеризует усредненную скорость частиц топлива – ядер дейтерия и трития. Эти частицы на высокой скорости, сталкиваясь друг с другом, преодолевая электрическое отталкивание, смогут сблизиться до таких расстояний, на которых ядерные силы притяжения станут существенными, и тогда термоядерная реакция станет возможной.

Осуществить нагрев топлива до такой температуры непросто, и один из способов – использование Z-пинча с помещенной внутри него топливной капсулой. Когда по пинчу проходит большой электрический ток, его сила магнитного поля сжимает пинч к его центру вместе с топливной капсулой, помещенной внутри пинча. Сжатие капсулы приводит к нагреву: при достаточной величине тока и симметричном сжатии капсулы возможно достижение температур, при которых начнутся множественные термоядерные реакции. Можно рассчитывать на то, что выход термоядерной энергии в системе на основе Z-пинча сможет значительно превысить единицу относительно вложенной энергии.

Одна из проблем состоит в том, что получить необходимый ток непросто – требуются очень большая амплитуда тока, очень короткая его длительность и особая форма импульса. По разным оценкам, для получения выхода энергии в 500 МДж достаточно запасти в первичном накопителе генератора энергию в пределах 100 МДж. При этом величина тока через Z-пинч должна составлять 60-70 миллионов ампер, а длительность импульса тока – примерно 100 наносекунд.

Большим достижением в мощной импульсной технике стала экспериментальная установка PBFA-II (от англ. Particle Beam Fusion Accelerator), построенная в 1985 году исследовательскими национальными лабораториями «Сандия» (Sandia National Laboratories, SNL) в городе Альбукерке (штат Нью-Мексико, США). Установка предназначена для исследования вещества в условиях экстремальных температур и давлений.

Сейчас, после модернизации в 1996 году и переименования в Z, она используется для исследования инерциального термоядерного синтеза. Это наиболее мощный из существующих генераторов, он способен обеспечить ток через Z-пинч около 25 миллионов ампер.

Принцип работы генератора Z

Корпус генератора Z представляет собой цилиндр диаметром 33 метра и высотой шесть метров. Этот большой цилиндр разделен на концентрические кольца. Внешнее кольцо заполнено трансформаторным маслом, в это масло погружены первичные накопители энергии – генераторы Маркса.

Принцип работы генератора Маркса сравнительно прост. С помощью внешнего источника заряжается накопитель энергии, состоящий из набора параллельно включенных конденсаторов, до напряжения U₀. Затем посредством коммутаторов, в качестве которых обычно используются разрядники, конденсаторы включаются последовательно в один столб и подключаются к нагрузке. После этого выходное напряжение генератора становится равным U_вых = nU₀, где n – количество конденсаторов.

Первые высоковольтные генераторы, основанные на этой схеме, были предложены ученым Эрвином Марксом (Германия) в 1925 году. Аналогичные идеи в России в 20-х годах XX века развивались Владимиром Константиновичем Аркадьевым, поэтому такие генераторы иногда называют генераторами Аркадьева – Маркса.

Масса одного генератора Маркса установки Z – 7200 кг, а габариты составляют 2,1 м в длину, 1,8 м в ширину, 4,2 м в высоту. Всего в ускорителе 36 таких генераторов. Каждый генератор Маркса содержит 60 конденсаторов, заряжаемых примерно до 100 тысяч вольт каждый. При разрядке всех генераторов Маркса время достижения максимального напряжения составляет 1100 наносекунд.

Однако для запуска термоядерных реакций импульс генераторов Маркса очень медленный, поэтому требуется сжать этот импульс во времени примерно в 10 раз. Для такого сжатия используется так называемая ступень повышения мощности – водяная промежуточная линия. Генераторы Маркса разряжаются на эти промежуточные линии, одновременно заряжая их, благодаря этим промежуточным накопителям энергии удается получить импульсы нужной длительности.

Когда все линии заряжены, их с помощью специальных разрядников подключают к системе транспортировки энергии к нагрузке – Z-пинчу. К этой системе транспортировки энергии предъявляются особые требования.

В данном случае требуется свести энергию с большого характерного размера генератора на малый характерный радиус нагрузки. Дело в том, что Z-пинч имеет высоту около 1 см, поэтому концентрация энергии всего генератора в небольшом объеме, без повреждения элементов самого генератора, представляет собой отдельную проблему.

Кроме того, Z-пинч располагается в вакууме, поэтому передающая линия вблизи нагрузки тоже должна быть вакуумной: вакуум является идеальным диэлектриком, но только при отсутствии в нем каких-либо заряженных частиц. В данном случае при концентрации энергии напряжение в линии настолько велико, что электроды начинают «испаряться»: с поверхности электродов начинается взрывная эмиссия электронов, которые стремятся пересечь межэлектродный промежуток .

Этот процесс мог бы привести к короткому замыканию линии и вывести из строя генератор, если бы не магнитное поле самого тока в линии. Вакуумные передающие линии, в которых магнитное поле тока достаточно велико для возвращения вылетевших из электрода электронов назад, называются линиями с самоизоляцией.

Таким образом удается достигнуть в Z-пинче импульса тока 25 миллионов ампер длительностью 100 наносекунд.

Измерение тока в генераторе Z

Теперь оценим величину этого тока – что такое 25 миллионов ампер? Протекание тока силой 0,1 ампера через человека вызывает фибрилляцию сердца – его судорожные неритмичные сокращения. Ток такой величины способен остановить сердце, сбив его естественный ритм работы, либо запустить его после остановки.

Через обычную лампочку мощностью 100 Вт, подключенную к промышленной сети 220 V, протекает ток около 0,5 ампера. Ток, потребляемый ноутбуком, составляет два-пять ампер. Электрические плиты и микроволновки потребляют около 10 ампер. Промышленный токарный станок потребляет порядка 50 ампер, некоторые сварочные аппараты – 100-150 ампер, а крупные промышленные плавильные печи могут потреблять до 1000 ампер. Уровни потребления тока величиной 10 тысяч ампер встречаются в крупных промышленных объектах – заводах и больших предприятиях.

Поэтому 25 миллионов ампер – огромная величина, такое количество тока, если бы он был постоянным, могло бы питать тысячи крупных заводов, работающих на полную мощность в одно и то же время. Как измерить такой огромный ток?

Для таких измерений используются специальные датчики магнитного поля, их также называют магнитными зондами. Магнитный зонд представляет собой катушку, размеры которой много меньше характерного масштаба распределения измеряемого магнитного поля – это позволяет получать высокую точность измерений. Качество картины магнитного поля, полученной с помощью магнитного зонда, можно сравнить с качеством компьютерного изображения – чем больше пикселей, тем выше качество картинки. Магнитный зонд измеряет магнитное поле в некоем пространстве, а не в одной точке – это определяется принципом измерения магнитных полей. Но чем это пространство меньше, то есть чем оно ближе к точке, тем больше «пикселей» в изображении поля мы можем собрать и тем точнее будет итоговая картина всего поля. Размер зонда определяет разрешающую способность этого метода измерения поля.

В генераторе Z измерения тока производятся при каждом выстреле с помощью девяти радиально расположенных датчиков магнитного поля. Принцип действия этих датчиков основан на законе электромагнитной индукции Фарадея, который утверждает, что под действием изменяющегося магнитного поля на концах помещенной в это поле катушки будет возникать напряжение, пропорциональное скорости изменения магнитного поля.

Обрабатывая этот сигнал, можно получить информацию о токе, даже если это ток огромной величины: магнитное поле используется в качестве своеобразного «доброго посредника» в передаче информации, который не обладает таким разрушающим действием, как электрический ток.

Ток взрывает проводники Z-пинча и превращает их в плазму, которая затем начинает сжиматься магнитным полем тока на ось пинча.

Так как для термоядерного реактора требуется ток 50МА, а в реакторе Z максимальный ток – около 25 МА, то особых проблем получить 50 и даже 100 МА нет, если не оговорены дополнительные требования к генератору, например, форма импульса тока.

Поскольку лайнер в процессе сжатия представляет собой плазму, на которую давит магнитное поле, то такая плазма подвержена различным неустойчивостям. Простейшим примером неустойчивости, с которой приходится иметь дело при сжатии Z-пинчей, является неустойчивость типа «перетяжки».

Неустойчивость типа «перетяжки» возникает, если вдоль длины лайнера появляется неоднородность по радиусу. Вследствие этого магнитное поле в «неоднородных» местах усиливается, давление на плазму увеличивается, и это место начинает сжиматься быстрее, чем остальные области, усугубляя начальную неоднородность. В итоге этот процесс приводит к асимметрии сжатия и может даже привести к развалу лайнера.

Поэтому вопрос обеспечения симметрии сжатия активно изучается – и здесь также не обходятся без высокоточных оптических измерений: многокадровой рентгеновской регистрации плазмы, так называемой кинорадиографии – процесса рентгенограммы движущихся объектов в достаточно быстрой последовательности, чтобы рентгенограммы можно было проецировать как фильмы; интегральных обскураграмм; интегральных рентгеновских спектрографов скользящего падения; съемки 4-кадровыми оптическими камерами HSFC-Pro ; различных методов на основе лазерной диагностики и так далее. Много экспериментов по высокоточным оптическим измерениям проведено на российских установках «Ангара-5-1» и «МИГ » .

Так, сейчас разрабатываются несколько способов стабилизации неустойчивости плазмы Z-пинча: к ним относятся предварительный нагрев плазмы лазером и создание дополнительного стабилизирующего плазму магнитного поля.

Фантастическая энергия. Часть 1

Фантастическая энергия. Часть 2

Фантастическая энергия. Часть 3