sigma.3He

Вчера была 45-я годовщина «Революции гвоздик» в Португалии. 25.04.1974 быстрым военным переворотом, фактически не встретившим сопротивления, закончился режим «Нового государства». Пикабу ещё ждёт своего рассказчика об этих событиях (и это не я). Но я наткнулся на отличную подборку фотографий от непосредственного участника событий и не смог не принести её сюда.

Автор репортажа — Jorge Da Silva Horta (больше фотографий по ссылке). Знатоки португальского наверняка смогут найти в комментариях в альбому у автора информацию о местах и людях.

Самый важный метод поиска неисправностей в уникальном оборудовании — раскрутить и посмотреть глазами. Начинаем:

Корпус (нержавейка) возле катодной сборки изъеден разрядом и запылён металлическими хлопьями. Неприятно, но не должно на что-то влиять.

Позади катода следы дуг. Вот такие снежинки на поверхности:

Подбираемся к аноду. Стальной корпус возле изоляторов местами оплавлен. Похоже, временами изоляторы пробивались со всеми положенными спецэффектами.

А вот и задняя поверхность анода. Не очень подходящий цвет для меди.

Керамические изоляторы. Судя по цвету — запылены нержавейкой.

Такое поведение недостойно уважающего себя изолятора!

(Не является рекламой мультиметров Pluke)

В общем, первичный диагноз ясен. После пяти тысяч выстрелов пушку нужно чистить.

Керамику протравливаем кислотой:

Корпус обшиваем молибденовой фольгой:

Что можно почистить — чистим высокотехнологичной наждачкой:

Что оплавлено — оставляем как есть:

Собираем обратно:

Возвращаем на место.

Здесь можно видеть две руки ответственного старшего научного сотрудника, занимавшиеся сборкой-разборкой. Руки других научных сотрудников разного возраста и лаборантов, применённые к пушке при чистке, условно не показаны.

Архивное, двухлетней давности: пушка в сборе и катодный узел.

Ps. Каюсь перед подписчиками — пропал! Зажал рассказ о плазме и том, что она делает с подвернувшимися тугоплавкими металлами. У этого прискорбного факта масса причин, от очередной Звенигородской конференции до постройки скворечников.

Ну, и сборка-разборка пушки.

Обещаю исправиться.

Pps. Большое спасибо попутчику с рейса 177 Москва–Новосибирск за книжку. Первые главы выглядят многообещающими.

Всем чертовски интересно, когда и на чём мы повезём к Марсу саженцы яблонь и картошку. Об этом регулярно просят рассказать журналисты, из рассказов они делают свои заметки и репортажи, при этом часть информации неминуемо теряется (см. рис. 1).

В общем, после очередного сюжета в телевизоре учёный совет Института ядерной физики предписал мне написать про плазменные двигатели популярно. Не то, чтобы я был специалистом по космосу, у меня даже Kerbal Space Program не установлена, но что-то слышал. Будем надеяться, знатоки донесут подробностей.

Очевидный момент: маршевый двигатель нужен космическому аппарату, чтобы изменять его скорость. Двигатель может быть тяговитым, может быть экономичным, может иметь приемлемую мощность. Как обычно, нужно выбрать два пункта из трёх.

Если отложить в сторону аэродинамические и гравитационные потери, скорость космического корабля можно определить по формуле Циолковского. Она есть в школьном курсе, поэтому я рискну и вставлю её в текст. Это последняя формула в посте, не торопитесь его закрывать. Здесь V — скорость аппарата, V_1 — скорость реактивной струи, M_1 — масса «сухого» корабля, M_2 — масса, выброшенная в реактивной струе:

Логарифм — функция весьма неприятная, поскольку растёт медленно. Чтобы разогнать аппарат до скорости, равной скорости реактивной струи, две трети стартовой массы должно быть занято рабочим телом. Если потребуется разогнаться до вдвое большей скорости, нужно выбросить 5/6 массы; втрое — 95%. То есть, мы выбрасываем почти всё, что везём. Чтобы жить было легче, скорость реактивной струи должна быть по возможности большой.

NB: при разговоре о ракетных двигателях правильнее говорить об удельном импульсе, то есть, величине импульса (m·dV), полученной за счёт выбрасывания единицы массы рабочего тела (dm). Сферически и в вакууме, при идеальной конструкции двигателя, эта величина будет совпадать с направленной скоростью струи. Если силу тяги измерять в Ньютонах, то удельный импульс измеряется в м/с; если использовать килограммы-силы — то в секундах (нужно метры в секунду разделить на 9.8 м/с²).

Тяга двигателя — вещь простая, это удельный импульс, умноженный на выброшенную за секунду массу. Хочешь больше тяги — жги больше!

Полезная мощность из тяги и удельного импульса получается автоматически — перемножением и делением пополам. Хотите экономно расходовать массу — или снижайте тягу (разгон будет долгим), или повышайте мощность.

Хороший химический двигатель может дать удельный импульс (в м/с), несколько больший, чем скорость звука в сгорающем топливе. Можно вывернуться наизнанку, но двигатель на кислороде и керосине не даст больше 335 с (3350 м/с), а на водороде и кислороде — 430 с (4300 м/с). Возможность расходовать пару тонн топлива в секунду позволяет с их помощью красиво и эпично стартовать с поверхности Земли [1, 2]. Но речь идёт о гигаваттах и тоннах в секунду.

Для старта с Земли нужно набрать (с учётом потерь) около 10 км/с, для перехода с низкой опорной орбиты на геостационарную или для полёта к Луне/Марсу потребуется 4–8 км/с [3]. И то, и другое — слишком много для химических двигателей. Но пока лифты, катапульты и фонтаны остаются научной фантастикой, альтернативы химическому топливу для вывода на орбиту всё равно нет.

Выше начинаются варианты. Можно повышать температуру вещества, чтобы скорость звука и истечения стала выше (вещество станет плазмой) либо ускорять частицы в электрическом и магнитном полях (вещество должно быть, опять-таки, плазмой).

В этот момент мы добираемся до электроракетных двигателей в целом и плазменных в частности. Речь здесь идёт про удельный импульс в районе 1–10 тысяч секунд (10–100 км/с) и мощность... В общем, сколько найдётся.

Если мощность фиксирована, наиболее удобное соотношение удельного импульса и тяги диктуется задачей. Для быстрого прохождения радиационных поясов полезен двигатель с бо́льшей тягой (а также меньшим импульсом и быстрой тратой рабочего тела), для марша до Юпитера эффективен высокий удельный импульс (и малая тяга с копеечным ускорением, которое может длиться месяцами на одном баке).

Из летающих сегодня космических аппаратов самым мощным является МКС с солнечными батареями на 80 кВт [4]. Вот эти 35-метровые панели:

В целом, всё, что летает сейчас, может дать двигателям не больше нескольких киловатт (чаще — меньше). Разговоры о ближней перспективе — это разговоры о мегаваттных ядерных реакторах (и нескольких сотнях киловатт мощности двигателя). Например, вот этих [5, 6]:

На мощности до нескольких киловатт хорошо работают ионные двигатели. Идея в следующем: газ ионизируется до плазмы, из неё в зазор между двумя сеточками вытягивается поток ионов и ускоряется постоянным напряжением. После второй сетки к ним добавляется поток электронов, чтобы аппарат не заряжался отрицательно [7].

Проблемы начинаются при повышении мощности: разряд начинает быстро жрать разрушать сетку. Кроме того, двигатель становится слишком большим: при разумных полях тяга на единицу площади ограничена величиной на уровне ~0.1–0.2 гс/см² (10–20 Н/м²).

Примечание: это — не термоядерный двигатель.

Следующий вариант, активно летающий в космосе — кольцевой разряд в магнитном поле. Плазма заперта в промежутке между цилиндрическим центральным электродом и полой бочкой. Ток по центральному электроду создаёт вокруг себя магнитное поле, направленное по окружности. На ток, текущий по радиусу (от стенки к центру), действует обычная сила Ампера, ускоряющая плазму вдоль оси центрального электрода. Подобный стационарный плазменный (он же — холловский) двигатель при том же размере может дать бо́льшую тягу, чем ионный, но его удельный импульс практически жёстко задан конструкцией.

Про эту штуку здесь уже писали, поэтому даю ссылки: первая и вторая части. Добавлю пару иллюстраций для наглядности [7]:

В наших краях двигателями этого типа активно занимается ОКБ «Факел» из Калининграда, выпуская двигатели для всех желающих с мощностью от сотни ватт (летает) до 15 киловатт (пока модель) [8].

По подобной схеме (по сути, матрёшка из вложенных один в другой 4 двигателей разного размера) для NASA делается 100-киловаттный прототип XR-100 [9].

И, да. Это — не термоядерный двигатель.

На сравнительно большой мощности становится адекватной возможность разгонять нагретый газ через сопло. Но три тысячи градусов — это мало. Плазму можно нагреть до гораздо более интересных температур: четыре миллиона градусов звучат как-то поубедительнее.

Чтобы она не охлаждалась о стенки, можно изолировать рабочее тело от корпуса двигателя продольным магнитным полем, а с одной из сторон сформировать из расходящихся силовых линий магнитное сопло.

(Над вами на второй космической скорости пролетит две открытые ловушки).

Важная фишка: меняя подачу газа при постоянной суммарной мощности нагрева, можно менять температуру вытекающей в сопло плазмы. А значит, и удельный импульс. А значит, с помощью одного и того же двигателя давать побольше жару тяги в поясах ван Аллена, а после экономно ускоряться/замедляться в месячном полёте до Марса.

Вся эта штука называется VASIMR и допилена до железного 200-киловаттного прототипа. (Опять-таки, и это не термоядерный двигатель).

Двигатели ставятся парой: стрелка магнитного поля в одном направлена от источника к соплу, в другом — наоборот. В остальном поля одинаковы. Из-за этого магнитное поле быстрее спадает при удалении от среза сопла (вся сборка — квадруполь, а не диполь); это позволяет плазме в определённый момент оторваться от магнитных силовых линий и улететь куда подальше, а двигателю — собирать меньше заряженных частиц из окружающего пространства.

В этот момент удобно упомянуть, каким боком в этой теме оказался автор поста. Двигатель с магнитным соплом сам по себе — открытая ловушка (точнее, две). Если у нас есть многопробочная ловушка с бегущими пробками, мы можем заставить пробки бежать от входа к выходу — в таком случае поток плазмы будет не тормозить, а ускоряться. Как и в посте про открытые ловушки, магнитное поле здесь винтовое; плазма вращается; с точки зрения плазмы винт выталкивает её в нужную сторону областями сильного поля. Отличие — в шаге винта: для двигателя он обязательно должен расти от источника к соплу.

Плюсы — переменный удельный импульс, нетребовательность к рабочему телу, отсутствие сложных систем нагрева.

Минусы... Это пока даже не модель, это научная идея, из которой проглядывает что-то интересное. До лётного образца здесь лет пятнадцать с того момента, как кто-нибудь решит дать на него денег.

Да, конечно. Это не термоядерный двигатель, что бы ни писали журналисты (см. рис. 1).

Теперь про настоящий термоядерный двигатель. Это должно быть эпично.

Размышления, конечно, из разряда научной фантастики, а не серьёзных проектов. Но и мы не в журнале Physics of Plasmas.

Двигатель на DT-топливе смысла не имеет: 80% энергии уходит во все стороны с нейтронами, не создавая тяги. Значит, нужно использовать DD или D3He (см. первый пост про УТС). Плотность мощности энерговыделения в них при разумной плотности вещества составляет примерно 1 МВт/м³, а для поддержания реакции требуется время удержания энергии на уровне нескольких секунд. Для линейной ловушки с секциями улучшенного удержания это соответствует длине от 50 (для очень хорошего удержания) до 300 (для умеренного улучшения) метров. Если мы хотим создать реактивную струю, удержание с одного из концов придётся слегка ухудшить. Пусть из-за этого длина будет 150 м.

Площадь поперечного сечения тоже не может быть сколь угодно маленькой: вращающиеся в магнитном поле ионы (рис. 1 из поста про ловушки) должны хоть как-то умещаться внутри плазмы. При разумных величинах магнитного поля сечение будет на уровне 0.3 м².

Двигатели ставим парой, как в VASIMR'е.

Всё это даёт объём термоядерной плазмы в районе 100 м³ и мощность в духе 100 МВт.

При этом 300 км/с (с учётом торможения в многопробочных секциях и добавки балластного газа в струю) — разумная оценка для скорости истечения. Расход рабочего тела выйдет на уровне 2 г/с, а тяга — 60 кгс.

По земным меркам этот космический катамаран будет разгоняться очень неспешно, но он может делать это много лет подряд [10].

Рядом с таким двигателем красиво смотрятся катапульты для конвейерного вывода грузов на орбиту, обитаемые базы на лунах Юпитера и беспилотные миссии за пределы облака Оорта...

Да, чёрт возьми, всё что угодно красиво смотрится рядом с термоядерным планетолётом!

Но пока это к научной фантастике.

Ps. Привет «Факелу», если кто читает. =)

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/RD-180

[2] https://www.youtube.com/watch?v=ccLFT0bQX0E

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Delta-v_budget

[4] https://habr.com/ru/post/378117/

[5] https://habr.com/ru/post/381701/

[6] https://www2.jpl.nasa.gov/jimo/technology.cfm

[7] http://tdla.ssau.ru/uop/vvedrd/module5.pdf

[8] https://fakel-russia.com/images/gallery/produczia/fakel_spd_...

[9] https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/201800...

https://www.bwxt.com/what-we-do/nuclear-thermal-propulsion-n...

[10] #comment_130281457 , иллюстрация к роману Р. Ибатуллина «Роза и Червь».

Когда-то тут пробегала фотография участников V Сольвеевского конгресса. Та самая, на которой 19 лауреатов Нобелевской премии.
На ней даже были подписаны фамилии, но это, по-моему, недостаточно наглядно.
Итак, отдельные штуки, названные именами основателей нескольких разделов современной физики (из нескольких вариантов выбирался в должной степени одиозный):

То же самое, но с фамилиями, было тут: https://pikabu.ru/story/velichayshie_umyi_mira_v_odnoy_karti...

Ps. Хорошо, что на фотографии не могло быть Лифшица.
Pps. Пост спровоцирован этим: https://pikabu.ru/story/klub_nazvaniy_6479718

Набор постов о термояде будет заведомо неполным без рассказа про токамаки. Ну, как минимум, ссылка на 500-страничные «Физические основы» [1] оправдает наличие четвёртой части у «пары слов».

Общие задачи управляемого термоядерного синтеза были в первом посте, открытые ловушки — во втором. В тех постах был упомянут момент, с которого стоит начать этот пост: термоядерное топливо существует в виде полностью ионизированной плазмы, которая удерживается магнитным полем. Магнитное поле не даёт плазме уходить поперёк силовых линий, а вдоль них плазма растекается достаточно свободно. Идея свернуть магнитное поле в тор, чтобы плазма могла течь куда хочет и не теряться, возникла достаточно быстро. Концов у бублика нет, вытекать некуда. В салфеточном представлении авторов [2] это выглядело примерно так, по тороидальной обмотке течёт ток, силовые линии обходят тор по большому радиусу:

Были и другие салфетки, на которых силовые линии и ток менялись местами. Кольцевой ток обжимал сам себя своим магнитным полем, изолируясь от стенки. Такая салфетка имеет своё название — тороидальный пинч. Начиналось всё с таких железок (рука британского учёного Питера Тонеманна для масштаба) [3]:

Здесь для масштаба другой британский учёный, Джеймс Так, в американском Лос-Аламосе [4]. Бублик с плазмой светится малиновым:

И та, и другая идея в чистом виде имеют общую проблему: они не работают. Пинч (не только тороидальный) неустойчив: ток пытается увеличить любой маленький изгиб плазменного шнура. Ситуация напоминает лёгкую жидкость, налитую поверх тяжёлой; или перегруженную колонну. Вот эта картинка со звездой вместо круга стала классической иллюстрацией неустойчивости шнура:

В тороидальном поле проблема другая: чем дальше от центра, тем слабее поле. В такой конфигурации электроны дрейфуют вверх, ионы — вниз, возникает вертикальное электрическое поле, которое (за счёт дрейфа — см. картинку 1 во второй части) выталкивает плазму наружу.

Удача состоит в том, что комбинация двух методов решает обе проблемы (а не страдает от обеих сразу). Тороидальное поле стабилизирует неустойчивость тороидального тока: чтобы изогнуться, ему нужно «растянуть» силовые линии. Тороидальный ток закручивает силовые линии вокруг бублика, струйка плазмы часть времени проводит на внешней поверхности тора, а часть — на внутренней; действие спадающего магнитного поля внутри и снаружи компенсируется.

Осталось добавить вертикальное магнитное поле, которое не даст бублику изменить свой радиус (катушками или — для импульсной работы — проводящей стенкой), и получится классический токамак [5]:

Всё это называют вращательным преобразованием. Вот здесь плазма токамака MAST с помощью маленькой неустойчивости демонстрирует, как идут силовые линии магнитного поля [6]:

Подобное сочетание оказалось весьма удачным. В результате токамак Т-3 оказался первой машиной, на которой плазму нагрели до 1 кэВ (10 млн градусов) и удерживали 1/100 секунды. Результат был настолько неожиданным для 1968-го года (характерные цифры, о которых говорили до того момента, были ниже, как минимум, на порядок), что сообщество сходу не поверило. В ответ на все подозрения Арцимович (академик) и Кадомцев (чл-корр, позднее тоже академик) предложили всем желающим приехать и померить своими руками. Приехала команда из Британии с пятью тоннами лазерного оборудования. Измерила, с большими глазами села на телефон и долго инструктировала коллег, как переделать оставшийся в Калхэме стелларатор C в токамак.

Вскоре после этого момента работы по токамакам становятся более активными, чем вся остальная термоядерная деятельность вместе взятая.

В посте про открытые ловушки был шарж на команду британских учёных, здесь будет хорошо добавить к нему фотографию.

Майк Форрест юстирует британский термометр в Курчатовском институте:

Всё это счастье устойчиво при определённых (довольно широких, впрочем) соотношениях тока по шнуру, тороидального поля, плотности и давления плазмы. Слишком высокая плотность («предел Гринвальда»), слишком высокое давление плазмы («предел по нормализованному \beta») или избыточный ток («предел по запасу устойчивости») приводят к тому, что шнур  сворачивается в непотребную фигуру и гибнет на стенке вакуумной камеры. Слишком низкая плотность плазмы тоже не годится: «сила трения» электронов о плазму становится слишком низкой, они разгоняются до больших (по сравнению с температурой) энергий и начинают плавить стенки.

Так или иначе, область, где всё работает хорошо, есть.

Рисунок: рентгеновское излучение со стенки токамака Alcator от попавших в неё убегающих электронов. [8]

При всей удачности тороидального поля для устранения продольных потерь, потоки тепла и частиц поперёк магнитного поля в такой системе на порядок выше, чем в прямом магнитном поле. В ситуации виноваты бананы и турбулентность.

Частица, которая летит с внешней поверхности тора на внутреннюю, видит, как увеличивается магнитное поле. Для неё ситуация похожа на классическую открытую ловушку (см. рис. 3 из части про открытые ловушки). Если поперечная скорость велика, а продольная — не очень, она может отразиться и полететь назад, не попадая на внутренний обход. Траектория оказывается вот такой, похожей в проекции на банан:

Частицы, сталкиваясь, смещаются не на диаметр спиральки, по которой они крутятся вокруг силовой линии, а на размер банана. Он больше, поэтому и перенос ионов больше.

Теплопроводность электронов определяется турбулентностью — чем сильнее болтает электромагнитные поля в плазме, тем чаще рассеиваются электроны, тем больше они переносят энергии.

Поперечная теплопроводность настраивается сама собой. Это приводит к тому, что все поперечные профили давления и температуры в разных токамаках похожи друг на друга — различия определяются только разным соотношением размеров и полей в бублике. На картинке — 8 разных токамаков, один и тот же колокольчик.

Здесь есть простая аналогия. Все кучи одинакового песка, независимо от размера, похожи друг на друга. Угол, под которым насыпан песок, не может быть больше определённого: как только склон становится слишком крутым, песок начинает осыпаться; и осыпается, пока склон не станет ровным. Если долго сыпать песок в одну точку, куча будет расти, но крутизна склона останется постоянной начиная от нескольких десятков песчинок и заканчивая БелАЗом.

Кучу песка можно сделать повыше, поставив подпорную стенку. В плазме такое тоже можно сделать, если в определённой области внешние слои будут вращаться быстрее внутренних. Быстрое проскальзывание внешних слоёв нарушает связь колебаний в них, турбулентный перенос снижается, склон становится круче. Режим без транспортных барьеров традиционно называется L-модой, с «подпорными стенками» — H-модой [9]. В H-моде запасается примерно вдвое больше энергии, и они тоже похожи в разных машинах.

Всё это приводит к тому, что параметры плазмы в токамаках хорошо предсказуемы. Две сотни токамаков набрали достаточно экспериментальных данных, чтобы предсказывать изменение температуры или времени жизни плазмы при увеличении размера бублика или мощности нагрева вдвое или в десять раз. Предсказание записывается в виде эмпирической формулы со странными коэффициентами (например, время жизни растёт как большой радиус в степени 1.97), но работает весьма хорошо:

Примерно так протягивается связь данных с токамаков в несколько разных масштабах [10]:

Т-3 здесь нужно показать крупнее:

Вид изнутри токамака DIII-D, одного из самых крупных действующих. Здесь уже человек целиком помещается внутри, и неплохо там себя чувствует.

Горячий привет команде Глобуса-М2, если кто читает. =)

Для наглядности — карта действующих токамаков:

Хотел здесь же добавить рассказ о стеллараторах и о том, как жить, если вам в стенку высаживается несколько сот мегаватт; но в лимит уже не входит. Придётся выносить отдельным постом. %)

Популярно о токамаках и УТС у @tnenergy :  link, link.

Источники иллюстраций:

[1] https://iopscience.iop.org/issue/0029-5515/39/12 , https://doi.org/10.1088/0029-5515/47/6/E01

[2] «Воспоминания» Сахарова.

[3] https://doi.org/10.1088/0741-3335/30/14/003

[4] http://www-users.york.ac.uk/~bd512/teaching/media/mcf_2015/l...

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak#/media/File:Schematic-...

[6] https://www.researchgate.net/figure/A-wide-angle-view-of-the...

[7] https://www.iter.org/newsline/102/1401

[8] https://iopscience.iop.org/journal/0741-3335/page/Special-Is...

[9] http://www-fusion-magnetique.cea.fr/gb/fusion/physique/modes...

[10] https://crustgroup.livejournal.com/53557.html

Ps. Для подписчиков, пришедших из поста про хлеб, скан рецепта бубликов: