633

Музей за 300 миллионов долларов

У нас в институте был курс "Физика горячей плазмы и управляемый термоядерный синтез". Его читал уже очень пожилой профессор, у которого уже были некоторые проблемы с памятью. Так, он любил одну историю, которую рассказывал нам чуть ли не через раз, за семестр мы её услышали раз пять или шесть. Но история действительно занятная.


На заре термоядерных исследований основными установками для работы с плазмой были амбиполярные ловушки - цилиндры с магнитным полем специальной конфигурации, которое удерживало плазму внутри. В отличие от более современных токамаков и стеллараторов амбиполярная ловушка даже теоретически не может не быть "дырявой" - плазма обязательно будет утекать через торцы цилиндра. Первые эксперименты показали, что чем больше такая ловушка, тем меньше потери плазмы.

Американцы решили построить очень большую ловушку - 12 метров в длину, 5 метров в диаметре. На неё было потрачено 300 миллионов долларов (а тогда доллар стоил намного дороже, чем сейчас). Но к моменту окончания строительства вышла статья наших учёных из Новосибирска, которые на бумажке, теоретически рассчитали, что в в ловушках больших размеров возникают новые эффекты, которые приводят к тому, что такие ловушки вообще перестают удерживать плазму.

Американцы познакомились с этой статьёй, перепроверили выводы и убедились в их правильности. И решили даже не включать свою ловушку - пуско-наладочные работы тоже немалых денег стоят, а смысла никакого нет. Но и разбирать свою установку не стали, сделали из неё музей.

UPD: Оказывается, на Пикабу уже есть пост, где упоминается эта ловушка, и даже есть её фотография: Как и зачем работают открытые ловушки (установка MFTF-B). Правда, там её история рассказана в двух словах и не так.

Дубликаты не найдены

+30

Очень сложно было просто приложить фотку этой MFTF-B.

раскрыть ветку 8
+20
Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку 5
+17

знакомое лицо)

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку 2
+8

И куда они вводят экскурсантов?

раскрыть ветку 1
0

А зачем мне копировать что-то из чужого поста? Фотка для истории несущественна, а кому стало интересно - ссылка есть.

раскрыть ветку 1
0

Вам, конечно же, виднее.

+14
Музей денег, потраченных впустую.
раскрыть ветку 2
+13

У немцев тоже есть такой музей,аэропорт Берли́н-Бра́нденбург имени Вилли Брандта

раскрыть ветку 1
+1

Ну, не скажи, ситуация с установкой - случайность. А немецкий аэропорт - коррупция и распил.

+5

Как на днях писали, в Вашингтоне вот этот музей:

https://en.wikipedia.org/wiki/Museum_of_the_Bible

- недавно организованный за полмиллиарда долларов и в основном состоящий из набора библейских рукописей из Кумрана, объявил, что бОльшая часть его коллекции - фальшивка.

ещё комментарии
+4
Не выиграл, а проиграл, и не машину, а три рубля
+2

С центрифугами для обогащения урана похожая история была.

раскрыть ветку 9
0

Что за история?

раскрыть ветку 8
+11

наши центрифуги высотой около метра, на малых скоростях крутятся,  но их много. Американцы пытались запустить 12-ти метровую, на надкритической скорости,  чтобы сразу много и быстро. Не срослось.

раскрыть ветку 7
+2

Хоть я и технарь, но ничего не понял. Вот если бы нарисовали , разжевали тогда было бы интереснее

раскрыть ветку 3
0

Что именно вы не поняли? Тут же не устройство установки описывается, а история её строительства, технические подробности тут не нужны.

раскрыть ветку 2
0

Я понял , что американцы облажались по полной, советы оказались мудрее и умнее, но физика тоже интересна, хотелось бы узнать что это такое и как работает

раскрыть ветку 1
+1

Открытые ловушки, кстати, сейчас вполне успешно развивают в Новосибирске, недавно статья на хабре была.

https://habr.com/ru/post/391541/

раскрыть ветку 1
0

Мож это они американцев затроллить так решили?😄

0
Правда, там её история рассказана в двух словах и не так.
По словам профессора, у которого уже были некоторые проблемы с памятью
-3

А потом её кто-нибудь включит. Случайно, конечно же.

-4

Доллар был дешевле тогда - всего 60 копеек.

-5

А на самом деле статья была 1 апрельская, да? Физики шутят.

-8

Пересказывать байки престарелых советских лунатиков - себя не уважать. 1986 году США свернуло финансирование, порезав кучу научных программ.

-15
Зато наши свежевыпущенные ученые-физики даже не знают что такое плазма
раскрыть ветку 9
+28
Это такой телевизор
раскрыть ветку 8
+8
Причем древний
+3

10 плюсиков, вам Сергей.

раскрыть ветку 2
+2
0

да не, это что-то связанное с сдачей крови же. Знаю человека, периодически сдаёт плазму.

раскрыть ветку 1
-1
Сразу видно грамотного специалиста!)
С отличием закончил?)
ещё комментарии
Похожие посты
2225

Памяти ученого Олега Верходанова

Сегодня увидел пост о смерти Олега Верходанова, и слёзы навернулись на глаза. Я его знал только из многочисленных видео в ютубчике, где он рассказывал о вселенной, о космологии и о том, какие методы используют ученые, чтобы понять больше о мироздании.

По его рассказам и подаче материала, у меня сложилось о нём мнение, как о человеке, который живёт наукой, всецело посвящая себя ей.



Хочу показать вам некоторые из его лекций и интервью, которые мне сильно зашли.

В каком-то интервью кто-то хотел спросить про реликтовое излучение, на что Олег перебил его:

-О, реликтовое излучение, я о нём часами могу говорить! Моя любимая тема!

P.S.

Прощай Олег Васильевич, я не знал тебя лично, но ты навсегда оставил на моем мировосприятии неизгладимый отпечаток. Спасибо тебе большое. Покойся с миром

Показать полностью 2
59

ДУСТХИМ и спектры химических элементов

Простые и эластичные цветные линии описывают очень сложные математические формулы физических законов физики электронов. Какая простота заключена в спектре элемента. Его свет! Гармония в чистом виде!

Излучение световых волн атомами происходит следующим образом. Получая энергию извне, например, при столкновениях с другими атомами, атом переходит в возбужденное состояние. Это состояние имеет малое время жизни, поэтому вскоре атом переходит в состояние с более низкой энергией, излучая при этом квант света (фотон), энергия которого равна разности энергий тех состояний, между которыми происходит квантовый переход.

При пропускании такого света через призму или дифракционную решетку будет наблюдаться не сплошной спектр типа радуги, а линейчатый, состоящий из отдельных цветных линий с частотами на темном фоне. На опыте линейчатые спектры дают нагретые 1-атомные газы, атомы которых почти не взаимодействуют друг с другом, и поэтому спектры излучения отдельных атомов не искажаются вследствие взаимодействия.

На фото запечатлены линии ксенона

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Спектр дейтерия из лампы ДДС-30

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Газ неон

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Так выглядит стронций

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

А это ртуть

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Уран из оптики ЗС-7

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

И всем знакомый спектр с школьных времен - спектр натрия

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост
Показать полностью 6
46

Теоретические модели машин времени. Часть 2

Продолжение вот этого поста Теоретические модели машин времени. Часть 1.

И в этот раз мы рассмотрим такую экзотическую вещь как черная дыра или далее просто ЧД. Начнём мы с того что определим что же такое ЧД. Чёрная дыра — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий. ЧД это очень необычные для нашего мира объекты, но даже несмотря на их необычность их можно описать и классифицировать .


У всех ЧД есть только 3 параметра: Масса (m), момент вращения (mr) и заряд (q). В зависимости от значений этих параметров ЧД может вести себя очень по разному. Все свойства ЧД обычно выводят математически с помощью тензорных уравнений общей теории относительности (далее ОТО).


Теперь рассмотрим как же будут меняться свойства в зависимости от разных параметров и начнём мы с массы. Масса ЧД это, можно сказать, то ,в чем запасена её энергия. От массы зависит время жизни ЧД. Может стать неожиданностью, но ЧД это не вечные объекты. Они "испаряются" медленно тратя свою энергию и уменьшаясь в массе. Медленно, но верно они становятся меньше и меньше. При этом всё более нагреваясь.

То есть они не вот такие

Теоретические модели машин времени. Часть 2 Машина времени, Теория относительности, Физика, Наука, Длиннопост

А вот такие

Теоретические модели машин времени. Часть 2 Машина времени, Теория относительности, Физика, Наука, Длиннопост

Подведём первый итог: ЧД не вечны и они не "чёрные".Они светятся почти как обычные звезды и медленно испаряются благодаря излучению Хокинга.


В зависимости от массы у ЧД также различается и размер. Очевидно что больше масса - больше ЧД. Размер ЧД или же её граница называется горизонт событий или же радиус Шварцшильда. В этой таблице можно увидеть какие массы нужны для ЧД средних размеров.

Теоретические модели машин времени. Часть 2 Машина времени, Теория относительности, Физика, Наука, Длиннопост

То есть из земли выйдет ЧД примерно с горошину. Величина А это 10^-10 м . Что нужно понять из этого? ЧД — может быть и очень маленькой и просто огромной. В зависимости от этого бывают квантовые, микро, обычные и сверхмассивные ЧД. Первые имеют размер менее электрона, а последние имеют размер галактики.

Второй вывод: ЧД бывают большие, а бывают очень маленькие.

А теперь перейдем заряду и вращению. Это самые важные свойства ЧД,

Теоретические модели машин времени. Часть 2 Машина времени, Теория относительности, Физика, Наука, Длиннопост

Первый тип это ЧД без заряда и вращения. Статичная чёрная дыра, решение Шварцшильда, определяет объект с высокой плотностью и гравитацией, который находится в покое. Образно говоря, это капкан, в который попадает движущаяся звезда или любой другой объект. Это самый простой вариант без каких то интересных для нас свойств.

Теоретические модели машин времени. Часть 2 Машина времени, Теория относительности, Физика, Наука, Длиннопост

(Черная дыра в пространстве и в пространстве-времени. Шварцшильдовская черная дыра изображена слева в пространстве. Она состоит из сингулярности, окруженной горизонтом событий. Справа дана диаграмма пространства-времени для той же дыры. Расстояние измеряется радиально от сингулярности.)

Второй вариант это заряженные ЧД или же ЧД Райснера-Нордстрёма. У таких ЧД есть заряд и масса, но нет вращения. Этот вариант уже много интересней чем предыдущие. И интересность тут заключается во втором горизонте событий.

Теоретические модели машин времени. Часть 2 Машина времени, Теория относительности, Физика, Наука, Длиннопост

(Заряженные и нейтральные черные дыры. Добавление хотя бы ничтожного по величине заряда приводит к появлению второго (внутреннего) горизонта событий прямо над сингулярностью.)

Наличие заряды как бы расталкивает ЧД изнутри, создавая внутри ограниченную от нашей вселенной область. И чем больше заряд тем больше внутренняя полость. Можно назвать это подвселенной и это не будет ошибкой.

Теоретические модели машин времени. Часть 2 Машина времени, Теория относительности, Физика, Наука, Длиннопост

По мере добавления заряда в черную дыру внешний горизонт событий постепенно сжимается, а внутренний - расширяется. Когда полный заряд дыры достигает значения q = m, оба горизонта сливаются в один. При еще больших значениях заряда горизонт событий вообще исчезает и остается открытая, или "голая", сингулярность

Сингулярность это точка в пространстве в которой плотность массы и энергии стремится к бесконечности. Но даже не наличие внутренней подвселенной не делает эту ЧД особенной для нас.


С приближением к заряженной ЧД объект уходит под внешний горизонт событий . Пройдя этот горизонт, объект уже никогда не сможет вернуться в нашу Вселенную. Однако он может опуститься дальше под внутренний горизонт событий. Под этим внутренним горизонтом объект может столкнуться с сингулярностью, где ему придется подвергнуться действию гравитационного отталкивания и где пространство-время искривлено бесконечно сильно.


Заметим что трагический исход полета отнюдь не неизбежен. Объект может избежать гибели, попросту изменив направление от сингулярности. Траектория сия уводит его от сингулярности, и он снова пересекает внутренний горизонт событий. Продолжая движение, объект выходит за внешний горизонт событий и попадает во внешнюю Вселенную. Поскольку подобное путешествие, очевидно, требует времени, то последовательность событий вдоль мировой линии должна идти от прошлого к будущему. Поэтому объект не может вернуться снова в нашу Вселенную, а попадет в другую Вселенную, Вселенную будущего.


На этом вторую часть закончу. Спасибо за внимание

Показать полностью 6
696

Физик и живые системы…

О своей юности вспоминает Сергей Петрович Капица

Физик и живые системы… Наука, Физика, Система, Капица

«В экспедиции приходилось сталкиваться с проблемами, порой самыми неожиданными.


Мне поручили смотреть за лошадьми, и как-то я должен был на телеге перевезти, как говорят, из пункта «А» в пункт «Б» некий груз. Дорогу пересекал ручей совсем небольшой глубины. Воды там было всего ничего. Лошадь вошла в этот ручей и стала. Ни «тпру», и «ну», ни «кукареку» - не могу я её сдвинуть с места. Вижу, что лошади как-то неуютно, она поднимала ноги, отряхивала их, но стояла посреди ручья и не шла.


Так продолжалось довольно долго, пока на берегу не появилась баба. Она мне и кричит: «Ты что, дурак, не видишь? Она же пить хочет. Отпусти подпругу!». Я слез с телеги, отпустил подпругу, лошадь наклонилась, попила, и покорно пошла дальше.


На всю жизнь я запомнил это превосходство лошадиного интеллекта над человеческим.»


Капица С.П., https://vikent.ru/author/406/ Мои воспоминания, М. «Аст», 2016 г., с. 75-76.

+ Дополнительные материалы по теме:

ТЕКСТ: Принцип Ле Шателье

ВИДЕО: Принцип Ле Шателье

Изображения в статье

Сергей Петрович Капица, By Aleksandr Plyushchev - originally posted to Flickr as 0907 034, CC BY 2.0

378

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает.

В прошлых постах мы договорились строить термоядерный реактор (см. здесь). Штука получилась довольно мощная, от сотни мегаватт и выше. Как выглядят самые продвинутые на сегодня термоядерные бублики ловушки, показано в посте про токамаки (тут). Общий их смысл в том, что полностью ионизированная плазма удерживается в магнитном поле, свёрнутом в тор. Концов у тора нет, поэтому сквозь них не улетает ни вещество, ни энергия.

Если так, куда могут деться те самые сотни мегаватт?

Краткий ответ: они создают проблемы.


На рис. 1 показан схематичный токамак. Силовые линии, что начинаются внутри красной области («Core plasma»), возвращаются в неё же. Частицы на этих линиях живут долго, сталкиваются между собой, производят энергию: в общем, делают всё то, что мы хотим.

Силовые линии, идущие в жёлтой области СОЛа («SOL», scrape-off layer), через несколько оборотов утыкаются в покрашенные голубым цветом кирпичи. Всё, что здесь оказывается, быстро улетает вдоль силовых линий и поглощается стенкой [1].

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

Представьте себе леммингов, танцующих на вершине небоскрёба. Те, что в середине, дрейфуют от лемминга к леммингу, находят себе друзей и подруг-леммингов, выделяют тепло — и, по своим меркам, живут долго.

Стоит леммингу добраться до самого края — и он почти мгновенно, не сказав «ПИ» ни одной живой душе, уходит из системы и уносит всю энергию с собой (рис. 2, [2]).

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

В строящемся (самом большом) токамаке ИТЭР сборка дивертора, принимающего на себя весь поток леммингов мощности, выглядит так [3]:

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

И составлена из кассет. Десятитонных, больше человеческого роста.

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

Проблемы начинаются из-за того, что полоска леммингов у основания небоскрёба оказывается очень узкой. Частицы, покинувшие область удержания, уносятся на стенку слишком быстро и не успевают растечься слишком далеко от границы СОЛа. Для масштабов ИТЭРа сто мегаватт непрерывно вылетают в две кольцевые полоски шириной чуть больше миллиметра и длиной по сорок метров. Перемножив эти числа, можно получить плотность мощности около гигаватта  на квадратный метр.

Это примерно 10000 станков для лазерной резки, нацеленных в одну точку. Материала, который бы выстоял под такой нагрузкой, не существует.

Чтобы дать стенке какой-то шанс, её наклоняют под острым углом к набегающему потоку. Это позволяет подставить под падающих леммингов в тридцать раз бо́льшую площадь, и настолько же снизить удельную нагрузку (на рисунке: пункты 3 и 7, встречающие красный поток [4]):

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

Чтобы как-то размыть узкую полоску леммингов, перед стенкой можно создать завесу из газа. Плазма, сталкиваясь с газом, излучит часть энергии в свете, который будет прогревать камеру более-менее равномерно. И — что полезно — поток плазмы сдует газ обратно к стенке, не дав ему добраться до центральной области удержания. Лемминги на вершине небоскрёба не пострадают. На фотографии углерод высвечивает энергию перед стенкой токамака TCV [5]:

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

Прочие геометрические ухищрения и частично обоснованные надежды позволяют говорить о потоке мощности в духе 10 МВт/м². Это сто лазерных резаков в каждой точке, но с этим уже можно как-то пытаться жить.

Материалов, достаточно тугоплавких для приёма такой мощности, мало. Тугоплавких материалов, мало-мальски пристойно ведущих себя в интенсивном нейтронном излучении и при наличии радиоактивного трития, ещё меньше. По большому счёту, список сужается до одного вольфрама (про него подробно рассказал многоуважаемый @Mircenall).

Вольфрам, волчара, мог бы вынести такие нагрузки, если бы ими всё ограничивалось. Но токамаки с транспортными барьерами (см. подпорные стенки в четвёртом посте) любят за миллисекунду выполнять секундную норму поставки энергии в дивертор. Такие события называются ЭЛМами (ELM, edge-localized mode). Если на пальцах — подпорная стенка ненадолго проседает, и всё, что было над ней насыпано, вылетает наружу. Во всё те же два тонких колечка.

Борьба с ЭЛМами — одна из наиболее активно решаемых сейчас задач. Потому что нагрузка, эквивалентная ЭЛМу, делает с чертовски тугоплавким и чертовски высококипящим вольфрамом вот такое [6]:

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

Да, это разлетаются капли закипевшего вольфрама. Вот ещё:

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

Даже если тепловая нагрузка будет не настолько высокой, и поверхность вольфрама не расплавится, тепловой удар с быстрым нагревом и охлаждением приводит к трещинам на поверхности [7]:

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост
Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

А уже края трещин, оторванные от металла, перегреваются и плавятся.

Ситуация выходит довольно напряжённой. Чтобы вольфрамовые плазмоприёмные пластины ИТЭРа работали без разрушений, за ближайшие 10 лет нужно научить токамак не плеваться энергией и выдавать спокойный широкий поток плазмы. Использовать получится только те режимы, где крупных ЭЛМов действительно не будет. Другими словами,

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

Есть другой выход.

Ваша стенка не расплавится, если она уже расплавлена. Поверхность можно покрыть легкоплавким, но тяжелоиспаряемым металлом. Например, литием (привет токамаку Т-11М). В повреждённые импульсной нагрузкой места литий затечёт сам. Можно лить по твёрдой стенке тонкую плёнку, можно пропитывать литием вольфрамовую вату [8]:

Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост
Пара слов об УТС и плазме, часть 6. Вольфрам подгорает. Наука, Физика, Плазма, Вольфрам, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Длиннопост

Литий создаёт свои проблемы, от него сложно избавиться, если он попал в плазму...

Но, как минимум, такое решение изящно.

Источники иллюстраций:

[1] https://www.york.ac.uk/physics/ypi/research/divertor/

[2] http://comicsia.ru/collections/nichtlustig/2/tags/%D0%BB%D0%...

[3] https://www.iter.org/mach/Divertor

[4] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092037961...

[5] https://www.differ.nl/research/plasma-edge-physics-and-diagn...

[6] https://indico.inp.nsk.su/event/5/session/4/contribution/60

[7] http://www.inp.nsk.su/press/novosti/1874-uchenye-smodelirova...

[8] http://vant.iterru.ru/vant_2017_3/1.pdf

Показать полностью 12
227

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели.

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.

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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:

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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.

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост
Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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).

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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]:

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост
Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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.

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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]:

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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].

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост
Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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.

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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).

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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.

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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).

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост
Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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].

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели. Наука, Физика, Плазма, Космос, Ракетный двигатель, Длиннопост

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».

Показать полностью 18
7910

Ученые поняли, почему виноградины, помещенные в СВЧ-печь, генерируют плазму

За 10 лет — с тех пор, как этот простой, но эффектный трюк появился в YouTube - его повторили несколько миллионов человек. Но секрет происходящего оставался не проясненным. Никто толком не понимал, почему виноградинки, помещенные в микроволновку, искрили и выбрасывали яркие огненные сполохи, оставаясь при этом невредимыми.


Разгадка нашлась лишь недавно. Раскрыть тайну помогли эксперименты, которые провели канадские ученые — Аарон Слепков (Aaron D. Slepkov) из Университета Трент (Department of Physics and Astronomy, Trent University, Peterborough) с коллегами (Hamza K. Khattak, Pablo Bianucci) из Университета Конкордия (Department of Physics, Concordia University, Montreal). О чем они сообщили в статье, опубликованной в журнале PNAS. Коротко об исследованиях канадцев рассказал журнал New Scientist.

Ученые поняли, почему виноградины, помещенные в СВЧ-печь, генерируют плазму Наука, Виноград, Плазма, Объяснение, Микроволновка, Видео, Длиннопост
Ученые поняли, почему виноградины, помещенные в СВЧ-печь, генерируют плазму Наука, Виноград, Плазма, Объяснение, Микроволновка, Видео, Длиннопост

В оригинальном трюке виноградинку разрезали пополам, оставляя узкий поясок, соединяющий половинки. Эта композиция и начинала испускать яркие вспышки. Чудо требовало объяснений. А толковых не было. Даже профессиональные ученые пребывали в недоумении.


Наиболее здравой считалась весьма заумная гипотеза: мол, СВЧ-излучение ионизирует виноградный сок. В нем накапливается электрический заряд, появляется электрический ток, который начинает течь между половинками виноградины по проводнику — тому самому пояску. В итоге, на нем вспыхивает плазма — ионизированный газ.


Эксперименты канадцев продемонстрировали: дело не в электрическом заряде и не в проводнике. Виноградинки можно вообще не разрезать и не оставлять перемычку — они все равно начнут генерировать плазму. Достаточно поместить ягоды близко друг к дружке. Да и без ягод можно обойтись — у физиков искрили и полыхали гидрогельные шарики, на 99 процентов состоящие из воды.

Ученые поняли, почему виноградины, помещенные в СВЧ-печь, генерируют плазму Наука, Виноград, Плазма, Объяснение, Микроволновка, Видео, Длиннопост

Так в чем секрет? А в том, что сферические водянистые объекты словно антенны фокусируют СВЧ-энергию внутри себя. Создают горячие сгустки в центре - своего рода энергетически ядра. Они хорошо заметны в инфракрасном диапазоне.


У объектов, например, виноградинок, находящихся в непосредственной близости, энергетические потоки выходят наружу, сливаются, образуя еще более мощный энергетический центр - «hotspot». Он создает сильное электромагнитное поле, которое и генерирует плазму.

Ученые поняли, почему виноградины, помещенные в СВЧ-печь, генерируют плазму Наука, Виноград, Плазма, Объяснение, Микроволновка, Видео, Длиннопост

Коллеги канадцев увидели в «открытии» еще и практическую пользу. В комментариях, которые приводит New Scientist, они предлагают довести «виноградные изыскания» до ума с тем, чтобы использовать обнаруженные закономерности в конструировании всенаправленных микроволновых антенн. Ведь разобравшись, как фокусируется энергия входящих волн, можно обнаруживать очень слабые сигналы.

Показать полностью 4
324

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички.

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:

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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]:

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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:

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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]:

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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.

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост
Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

Майк Форрест юстирует британский термометр в Курчатовском институте:

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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]

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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:

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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.

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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.

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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.

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост
Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост
Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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.

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост
Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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:

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

Т-3 здесь нужно показать крупнее:

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

Для наглядности — карта действующих токамаков:

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост

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 @tnenergylink, 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:

Пара слов об УТС, часть 4. Горячи бублички. Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Токамак, Длиннопост
Показать полностью 24
1538

Сделай сам: плазменная установка своими руками

В прошлом году я обещал пост о том, как построить себе экспериментальную установку для исследований в области физики плазмы. Пришла пора выполнять. В посте будет мало физики, объясняемой на пальцах; совсем не будет кулинарных рецептов; зато будет много железяк. Всё будет проиллюстрировано на примере установки СМОЛА, которую автор придумывал и строил последние 4 года.

(Видео: плазма в установке СМОЛА, снятая в пяти разных точках камерой со скоростью съёмки 500 кадров в секунду. Эксперименты пристрелочные — оценивались необходимые поправки магнитного поля в новой конфигурации).

2014 год я встретил в изрядной бюрократической прострации и с опилками в голове от защиты собственной диссертации. Хотелось какого-нибудь свежака, и теоретическая идея с магнитным шнеком от магнитной мясорубки для перекачивания плазмы, предложенная буквально за год до того, выглядела в должной степени безумной. (Об удержании — в предыдущей серии).

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Основная проблема идей от теоретиков — в приписке: «Было б неплохо это как-нибудь проверить». К приписке обычно не прилагается примерного описания того, как именно это сделать. Поэтому берём в руки бумагу (чтобы увязать теоретические безразмерные величины с человеческими сантиметрами и вольтами), пару расчётных пакетов (сначала — считать магнитные поля, потом — тепловые и механические нагрузки), подборку литературы о стеллараторах (для примеров), и начинаем рисовать трубу с винтовым магнитным полем, которая бы заканчивалась парой расширителей. На следующем рисунке показана уже оптимизированная по силе пробок система; видны два винтовых проводника с током и пачка плоских катушек.

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Для первой проверки упрощаем всё до предела. В идеале бы скрутить экспериментальную установку на коленке из того, что найдётся в кладовке, но тут такой вариант не подошёл.

В этот момент пока несуществующая установка начинает обрастать ограничениями. Можно сделать размер поменьше, чтобы поместиться на столе. Но тогда придётся повышать плотность плазмы, а это тянет за собой требование на усиление магнитного поля. Больше поле — тяжелее обмотки и больше шкаф с силовым питанием. Короче, установка-то будет на столе, а всё остальное — в паре больших залов.

Можно, наоборот, ослабить энергетику, но у винта из редкой плазмы в слабом поле должен быть метровый шаг и метровый же диаметр. И не построенная пока установка перестаёт куда бы то ни было помещаться.

Здесь повезло: нашлась одна «лёгкая» комбинация из длины (суммарно 6 метров), величины магнитного поля (до 0.3 Тесла) и плотности плазмы (10^19 частиц в кубометре). Шесть метров — это не стол, но это, хотя бы, влезает в комнату. Ещё более удивительный факт: комната нашлась. Совсем не удивительный факт: нашлась она в таком виде:

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Предельным везением оказалось то, что на идею в итоге нашлось финансирование. Есть финансирование — есть, из чего строить; нет финансирования — рисуй рисунки. Со второй попытки, в качестве одной двадцатой от глобальной заявки всего института, и с написанными не мной планами и обязательствами, установка вписалась в грант свежесозданного РНФ (российского научного фонда).

Примерно в это же время было придумано и название СМОЛА, в первый раз озвученное в январе 15-го в названии доклада: «Спиральная Магнитная Открытая ЛовушкА: как её построить и не провалить взятые обязательства».

Ну — поехали! Готовые расчёты дают фору на первый год, это пригодится для инженерных и конструкторских дел.

Не буду влезать в поле сообщества «Строительство и ремонт», там есть более компетентные рассказчики на тему электропроектов, стройки и кидания подрядчиками их субподрядчиков. Отсек, в котором не жалко размещать новое оборудование, выглядит так:

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Что нам нужно в установке?

Вакуумная система. В кубическом сантиметре плазмы в несколько миллионов раз меньше частиц, чем в кубическом сантиметре атмосферного воздуха. Да и кислород в плазменной системе ничего хорошего не сделает. Для нормальной работы нужно выкачать воздух до давления ниже 0.001 Па (десять миллиардных атмосферы), а лучше — ниже 10^-4 Па (одна миллиардная атмосферы). Рабочей лошадкой для таких давлений в сегодняшней вакуумной технике служат турбомолекулярные насосы. Суть в том, чтобы раскрутить ротор до большой скорости (в самых быстрых насосах, которые я видел — 60 тысяч оборотов в минуту); при этом лопатки движутся с заметной скоростью (~100 м/с на фоне тепловой скорости молекул 300–1500 м/с). Лопатки ротора отвешивают каждой попавшейся на дороге молекуле газа увесистый пинок в сторону выхода; лопатки статора направляют молекулы под такими углами, чтобы они встретились с ротором. Чем выше скорость вращения ротора, тем лучше откачиваются лёгкие газы вроде водорода и гелия. Наглядно — на видео, с 50 секунды.

На СМОЛе стоит пара японских насосов с пиковой производительностью 3000 литров в секунду. Два вот таких бочонка с ротором на магнитном подвесе обеспечивают давление на уровне 3×10^-5 Па, внутри установки остаётся примерно 0.001 миллиграмма воздуха:

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

В одиночку, впрочем, такой насос работать не может: для старта нужен вакуум на уровне одной-двух тысячных атмосферы. Если жахнуть по раскрученному ротору воздухом при атмосферном давлении, лопатки с весёлым звоном разлетятся по насосу (впрочем, нет, не весёлым: звон символизирует, что от 300 тысяч до пяти миллионов рублей только что превратились в тыкву). Чтобы откачать бочку от атмосферного давления (100 кПа) до 1 Па, а потом поддерживать этот 1 Па на выхлопе из турбомолекулярных насосов, нужен банальный механический насос, который будет банально сжимать газ в банальном замкнутом объёме. Удобнее всего оказываются спиральные насосы, где газ заперт между двумя скользящими друг по другу спиралями. Суть на иллюстрации:

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Для хорошего вакуума, помимо насосов и уплотнения, нужны чистые стенки (да здравствуют спирт и безворсовые ткани). Поверхность нержавейки, помимо прочего, адсорбирует из атмосферы всё подряд. Вакуум будет лучше и чище, если при работающих высоковакуумных насосах напылить на стенки слой титана: свежая титановая плёнка хорошо адсорбирует остаточные газы и, пока полностью не забилась, не выпускает их обратно.

(На фотографии часть плёнки ободрана перчатками при демонтаже железяки).

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Простое решение — нагреть титановую проволочку почти до температуры плавления и подождать пару минут, пока нужное количество испаряется и оседает вокруг.

Радикальное — пустить по титановой палке дугу, и сделать то же самое за десять миллисекунд.

Тут — простое:

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Для ускорительных и полупроводниковых дел обычно нужен ещё более глубокий вакуум, там используют полноценную третью ступень из крио- или магниторазрядных насосов.


Дальше — магнитная система. Расчётная картинка с иллюстрации 2 — это красиво, но дальше начинается конструирование и пляски вокруг технологичности изготовления. Это на модельке можно нарисовать провод любой формы, висящий в воздухе; в реальности шина сечением 15 мм² из твёрдой меди ровно наматывается только станком и только по направляющим. «Шуба» сделана из стеклотекстолита и надета на вакуумную камеру, канавка проточена.

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Однажды, когда всё железо уже было в производстве, мне показалось страшное: что я упустил число пи в плотности тока в винтовых обмотках. Будь я нормальным безумным учёным, мог бы просто, зловеще хохоча, поднять в пи раз напряжение.

Так нет! механический расчёт летит к чёрту, тепловой расчёт летит к чёрту, запланированная энергетика тоже летит к чёрту!

Адреналина хватило на следующий месяц. При тщательной проверке пи нашлось на своём месте.


Плоские катушки на этом фоне просты: стальной кожух, два блина из медной шины, изоляция.

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Для фанатов больших станков фотография того, как рядом вытачивают макет запчасти для ИТЭРа:

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Всё перечисленное, будучи изготовленным, с матом, бубном и лазерным уровнем выставляется на положенное место. На следующей фотографии можно заметить, что ноги у бочки растут не оттуда, но это не страшно:

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

В обмотки магнитной системы нужно загнать расчётный ток от систем питания. Если осмысленная длительность эксперимента не превышает секунды, а необходимая мощность питания всех систем больше нескольких десятков кВт, то разумнее всего будет заранее накопить нужную энергию. Обычно для этого заряжают конденсаторные сборки, хотя я видел и пару генераторов с маховиками примерно на 50 тонн каждый (уже демонтированы):

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Параметры магнитной системы были при проектировании рассчитаны так, чтобы на установке нигде и никогда не было напряжений больше 1 кВ. При расчётной секундной длительности эксперимента наиболее подходящими батареями неожиданно оказались суперконденсаторные сборки от трамваев, коммутируемые силовыми IGBT-ключами. На столе показаны сборки в сумме чуть больше, чем на 200 кДж:

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Важная вещь, которую с трамвая не снимешь и в магазине не купишь: плазменная пушка.

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Следующая фотография — вид внутрь пушки со стороны «дульного среза». Фиолетовая шайба диаметром 50 мм — накаливаемый катод из гексаборида лантана (LaB_6), при температуре ~1500°С она эмитирует достаточно большой ток электронов. Между катодом и анодом (медное кольцо по периметру кадра; на предыдущей фотографии к нему припаяна нижняя медная трубка охлаждения) приложено 200 В, которые ускоряют электроны. Магнитное поле не даёт им напрямую попасть с катода на анод. В пространство между ними через 50-микронный капилляр задувается газообразный водород, который и ионизируется ударом электронов.

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Получившаяся плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля, проходит через трубу с винтовым полем, после чего, расширяясь, попадает на плазмоприёмник из пяти изолированных друг от друга молибденовых пластин (виват лазерной резке!). Между пластинами можно подавать любые желаемые напряжения, чтобы раскрутить плазму радиальным электрическим полем.

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

И, наконец, система управления и сбора данных. Чтобы в эксперименте был смысл, нужно что-нибудь измерить, а чтобы что-нибудь измерить, нужно, например, затолкать в плазму железяку (лучше — вольфрамовую) и измерить, как изменяется со временем ток через неё. В сегодняшних условиях все измеряемые сигналы сразу же оцифровывается. На фотографии — блок АЦП (аналогово-цифровых преобразователей) ИЯФовской же разработки; разрядность оцифровки — 12 бит на каждую точку, измеряет до 50 миллионов точек в секунду на каждый канал. Одна из главных фишек — синхронность измерения все каналов; разброс момента измерения разных сигналов составляет какие-то смешные пикосекунды и на практике считается нулевым.

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Все системы запускаются световыми импульсами, раздаваемыми по оптоволокну похожей коробочкой блока синхронизации.

Впрочем, там, где нет особо суровых требований по точности и/или синхронности, можно использовать и более простые вещи.

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Вот, к примеру, блок управления зарядными устройствами, скрученный на копеечной ардуине:

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Внешний вид установки на сегодня:

Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост
Сделай сам: плазменная установка своими руками Наука, Физика, Плазма, Своими руками, Самоделки, Техника, Видео, Длиннопост

Раздел благодарностей: чёрта с два бы что-то было сделано без гранта РНФ, конструкторских/производственных мощностей ИЯФа и команды установки СМОЛА.

Все фотографии автора, видео с насосами найдено ютубом.

Показать полностью 21 2
585

Как и зачем работают открытые ловушки

Предыдущий пост собрал уйму подписчиков. Попробую снова нарушить планы зашедших сюда подеградировать; тем более, в нём был фактически анонсирован рассказ о линейных ловушках.

Надеюсь, найдутся сильные духом люди, способные дочитать этот пост до конца.


Итак, мы хотим удерживать плазму температурой 100 миллионов градусов (10 кэВ) достаточно долго для того, чтобы термоядерное топливо успело прореагировать. Мы знаем, что плазма состоит из заряженных частиц, которые в магнитном поле движутся по спирали, навитой на силовую линию. Движение выглядит примерно так (направление магнитного поля показано стрелкой с буквой B, здесь ещё добавлено электрическое поле E):

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Сила, действующая на заряженную частицу, перпендикулярна направлению магнитного поля и направлению движения частицы. Там, где поле усиливается, силовые линии сближаются, поэтому перпендикуляр к ним слегка наклонён в сторону более слабого поля. То есть, приближение к области сильного поля тормозит частицу. Торможение тем сильнее, чем выше компонента скорости, направленная поперёк магнитного поля.

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

В итоге области сильного поля отражает частицы с достаточно высокой поперечной и достаточно низкой продольной скоростью. Частицы, летящие под небольшим углом к магнитному полю, вылетают наружу и теряются.

Схема проста, как бабушкин топор, в предельном случае требует двух круглых катушек с током.

После столкновений частицы летят в среднем куда придётся; в том числе и вдоль силовых линий. Чтобы рассеяние случалось пореже, и частиц терялось поменьше, исходно предлагалось удерживать достаточно редкую плазму.

Такая (и только такая!) конфигурация называется пробкотроном (или простым пробкотроном, или пробкотроном Будкера-Поста по фамилиям тех, кто её исходно предложил); области сильного магнитного поля — пробками; соотношение самого слабого и самого сильного магнитного поля — пробочным отношением; область в пространстве скоростей, в которой частицы не удерживаются — конусом потерь.

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Идея пробкотрона родом из 50-х годов, и тогда же в первый раз была проверена (прим.: работает). Найти в доступных источниках фотографию первой советской установки, на которой была показана работоспособность пробкотрона (ловушки Родионова, [5]), не получается. Поэтому пусть здесь будут фотографии установок ОГРА (1959 год, Институт атомной энергии, сегодня — Курчатовский) и Ц-1 (1963 год, Институт ядерной физики, сегодня — имени Будкера).

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост
Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

NB: примерно в это же время эксперименты с пробкотроном провернули в Ливерморской лаборатории. Фотография есть тут. Авторы друг о друге не знали, об этом есть замечательная приписка от редакции в конце статьи:

Как нам стало известно, аналогичные эксперименты проводились Гибсоном и Лауэром. Подробности работы не опубликованы.

В простом пробкотроне, впрочем, был обнаружен ряд проблем. Во-первых, хорошо удерживаются в нём одиночные частицы. Плазма из большого числа частиц ведёт себя в нём подобно леммингам из легенд о леммингах: перестаёт быть круглой в сечении, выбрасывается на стенку и погибает. Эту проблему потребовала небольшого усложнения в духе подобной конфигурации (на рисунке катушки с геометрией «инь-ян»). Плазма не будет искривляться, если она заранее искривлена нужным образом:

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Вторая проблема: пустой конус потерь вызывает в плазме раскачку волн, которые рассеивают частицы и помогают им потеряться.

А самое неприятное — нельзя одновременно потребовать, чтобы частицы сталкивались достаточно редко (и не рассеивались) и достаточно часто (для термоядерной реакции). Даже в идеальном простом пробкотроне мощность термоядерной реакции оказывается всего вдвое больше, чем требуемая мощность нагрева. Кроме того, стабильные геометрии (инь-ян и ему подобные) приводили к повышенным поперечным потерям.

Все эти проблемы накопились как раз к тому моменту, когда на токамаках показали температуру 1 кэВ (10 млн градусов).

Рисунок исторический: британские учёные по приглашению (тогда ещё не академика, а член-корреспондента) Б. Б. Кадомцева едут в Москву измерять электронную температуру плазмы в токамаке Т-3 [6]:

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Модными стали токамаки. Кто-то забросил открытоловушечную деятельность, кто-то остался придумывать, как поправить эти проблемы.

Базовые методы улучшенного удержания были придуманы в 70-х и проверены в районе 80-х. Они проиллюстрированы на следующем рисунке [7] (да простят меня модераторы):

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Что забавно, на этой картинке уже забыт один из методов. Суть его в том, чтобы раскрутить плазменный шнур до скоростей выше тепловой скорости частиц и скорости распространения возмущений магнитного поля. В этом случае центробежная «сила» не даёт плазме ни потерять круглую форму (возмущение растёт медленнее, чем замазывается вращением), ни уйти к пробкам (радиус плазменного шнура в них меньше!).

На фотографии — установка ПСП-2, на которой более или менее было показано центробежное удержание.

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Следующий вариант был чертовски изящен. Электроны легче ионов, и поэтому из плазмы теряются быстрее. Любая плазма, если с ней ничего специально не делают, заряжается положительно; и потенциал (называемый амбиполярным) тем выше, чем горячее электроны. Можно построить одну длинную линейную ловушку, с каждой стороны к ней пристыковать по маленькому пробкотрону, а электроны в концевых пробкотронах перегреть. Концевые секции зарядятся положительно, ионы не смогут в них залететь, а значит, и не потеряются.

Образно говоря, по краям плазмы бульдозером нагребаются две больших кучи снега, через которые ничего потеряться не может. Чем больше соотношение длин центральной секции и концевых пробкотронов, тем сильнее нам наплевать на потери перегретых электронов из них.

В качестве примера — кажется, первая амбиполярная ловушка Gamma-6 (г. Цукуба, Япония):

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост
Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Единственная проблема амбиполярных ловушек — феерическая невезучесть. Нагляднее всего будет пример установки MFTF-B, которая была построена (330 миллионов долларов в ценах 80-х годов, на минуточку), сдана и на следующий день по политическим мотивам закрыта. На установке произведено 0 (ноль) экспериментальных выстрелов, что даёт абсолютный рекорд удельной стоимости секунды эксперимента.

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост
Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

На этом фоне установка АМБАЛ (не достроена до конца и не доведена до ума из-за 90-х) требует упоминания исключительно за стильность названия.

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Следующий метод — многопробочное удержание. В нём в цепочку выстраивается не три пробкотрона, а столько, сколько влезет в зал. Внутрь запускается плазма такой плотности, чтобы ион рассеивался на расстоянии, примерно равном расстоянию между соседними пробками. Частица, вылетающая из области удержания, может захватиться отдельным пробкотроном, поболтаться от пробки к пробке и снова рассеяться в произвольном направлении. Тем, кому приходилось учить мат.статистику, эта задача известна как задача о пьяном матросе: время, которое матросу частице потребуется на путь от начала ловушки до её конца, квадратично растёт с ростом длины. Делаем ловушку в десять раз длиннее, а удержание улучшается в сто раз.

На иллюстрации синей и зелёной линиями в пэйнте показаны траектории частиц [9].

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Эксперименты показали, что дела обстоят даже лучше, чем в исходной идее. Любая возникающая в плазме волна рассеивает частицы. Только теперь это приводит не к увеличенным потерям, как в простых пробкотронах, стеллараторах или токамаках, а к улучшению удержания: длина свободного пробега частиц за счёт рассеяния автоматически подгоняется к расстоянию между пробками, и метод работает даже при таких плотностях, при которых он этого делать не должен.

Для иллюстрации первые гофрированные (многопробочные) ловушки ЩЕГОЛ и ГОЛ-1.

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Занятный факт, который ещё всплывёт к концу поста: одновременно с многопробочным удержанием было предложено двигать пробки, чтобы тащить захваченные частицы обратно к области удержания. Это выглядит как эскалатор, который едет навстречу потоку людей: наружу выйдут только самые везучие и подготовленные. Об этом был написан один абзац ровно. Видимо, после этого авторы посчитали, сколько мощности надо для создания бегущих пробок, получили что-то в духе 20 или 100 ГВт и задвинули идею куда подальше.

Пруф:

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Последний из старых методов улучшенного удержания в линейных ловушках — газодинамический. Если в классический пробкотрон набить побольше частиц, чтобы они сталкивались раньше, чем долетают до пробки, то попадание в конус потерь не будет означать, собственно, потерь. Ситуацию можно сравнить со станцией метро в час пик: человек в центре станции, может, и хочет выйти наружу, но ему бы ещё до эскалатора добраться. Если длина перрона — километр, то он плюнет и поедет обратно на работу.

В такой плазме может жить без неустойчивостей популяция быстрых ионов с энергиями около 10 кэВ, которые и будут вступать в термоядерную реакцию с ионами плазмы. Время удержания линейно растёт с ростом пробочного отношения.

Пока что в мире построена одна ловушка газодинамического типа (называется, собственно, газодинамической ловушкой, сокращённо ГДЛ). На фотографиях — её вид в 1988 и 2018 году. Кое-что добавилось.

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост
Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

ГДЛ показала более хорошее удержание, чем закладывалось в её проект. Этот путь был долгим. Первой проблемой была устойчивость, уже упомянутая в абзаце о леммингах.

Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 100 электронвольт из-за проблем с МГД-устойчивостью и продольной теплопроводностью.


С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, где-то в начале 90-х.

.

Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 300 электронвольт из-за проблем с МГД-устойчивостью и продольной теплопроводностью.


С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, где-то в конце 90-х.

По очереди было найдено несколько методов стабилизации. Самый качественный из них напомнит читателю об экспериментах с вращающейся плазмой: если внешний слой плазмы вращается быстрее внутренних, любой всплывающий плазменный пузырь будет размазан в симметричную относительно оси трубу. Труба уже никуда не денется.

Метод был назван вихревым удержанием. 400 эВ на ГДЛ были получены лет десять назад.

Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек. ГДЛ никогда не сможет достичь, хотя бы, 1 килоэлектронвольта из-за проблем с продольной теплопроводностью.


С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, 2010 и некоторые другие годы.

Другой проблемой было то, что плазма вдоль силовых линий очень хорошо проводит тепло. Сложно греть штуку с теплопроводностью меди, которая двумя концами упирается в холодную массивную железку. На установках линейки ГОЛ проблема решалась возбуждением сильно турбулентнах колебаний электронов вокруг ионов. Аналогия — пожар в сумасшедшем доме: пока доктор электрон выйдет наружу и вынесет энергию, он столько раз столкнётся с бегающими куда попало людьми электромагнитными полями, что этот факт будет уже не важен. Пожарный холодный электрон же внутрь попасть не сможет — всё занято. Была мысль сделать так же на ГДЛ, и этот эксперимент когда-нибудь будет сделан, но всё оказалось гораздо проще.

Теплопроводность пропадает в той точке, где поле уменьшается в ~40 раз (если быть точнее, в корень из соотношения масс иона и электрона). Температура расширяющегося в пустоту потока плазмы падает. Амбиполярный потенциал становится меньше (вспоминаем перегретые электроны в АМБАЛе), и это создаёт потенциальный барьер для электронов. Возникают те же снеговые кучи, через которые никто никакую энергию не переносит.

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Должная степень расширения и сравнительно маломощный СВЧ-нагрев позволили в 2016 году получить на ГДЛ 1 кэВ.

К этому моменту уже было предложено собрать все фишки газодинамического и многопробочного удержания, добавить к центру ГДЛьного типа гофрированные секции и тем самым повысить качество удержания раз в 10. Если DT-реактор на основе обычного ГДЛ должен быть длиной 1–3 км, то ГДЛ+многопробки — уже разумные 100–300 м. Схема такой ловушки идёт в прошлом посте десятым рисунком. Чтобы не приходилось листать, продублирую:

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Помимо того, было предложено ещё два метода: винтовое и диамагнитное удержание.

Винтовое напоминает, с одной стороны, идею с движущимися пробками из 70-х. С другой — мясорубку.

Многопробочное поле стоит на месте, но пробки смещены по винту. Плазма, вращаясь, вкручивается в этот винт и движется туда, куда нужно. Из её системы отсчёта кажется, что движутся сами пробки, нам остаётся только крутить.

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Суть диамагнитного в том, чтобы надуть пузырь из плазмы. Для этого нужно, чтобы её давление приблизилось к давлению магнитного поля. Поле будет почти полностью вытеснено из пузыря, минимальное поле уменьшится, максимальное останется тем же — то есть, пробочное отношение вырастет. А с ним и время удержания [10].

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Нет смысла говорить о термоядерных перспективах открытых ловушек, поскольку они не имеют преимуществ перед токамаками.


С. В. М-ов, руководитель одного из токамачных проектов, Звенигородская конференция по физике плазмы, 2018 год.

Всё это вместе даёт шанс уложить DD-реактор в сотню-другую метров.


Собирая вместе все аналогии, получается следующее:

Длинная станция метро в час пик, заполненная пьяными пассажирами. Все эскалаторы едут сверху вниз. На выходе с эскалаторов работают бульдозеры. Никто никуда не уходит.


Токамак для DD-реакции имеет схожие размеры: диаметр «бублика» для него должен быть примерно 60-метровым. И тут есть нюанс.

Линейная ловушка длиной 100 метров собирается из отдельных «бочек», выстроенных в ряд. Самая большая из них по сегодняшним представлениям должна иметь диаметр 4–5 метров вместе с криостатом и длину, допустим, метров десять или пятнадцать.

Это можно перевезти по железной дороге.

Отдельные катушки токамака уже сегодня нельзя перевезти разумным транспортом, нужно строить рядом с будущим токамаком цех и наматывать их там [11]:

Как и зачем работают открытые ловушки Наука, Физика, Термоядерный синтез, Термоядерный реактор, Плазма, Гифка, Длиннопост

Примерно поэтому мы и утверждаем, что DD-реактор нужно делать линейным.


В следующей серии: как собрать свою маленькую плазменную установку (шесть метров длиной, три тонны массой), если есть достаточно нервов и большой грант РНФ.

Источники иллюстраций:

[1] Пусть будет https://www.litres.ru/igor-kotelnikov/lekcii-po-fizike-plazm...

[2] https://doi.org/10.3367/UFNr.2016.09.037967

[3] http://vant.iterru.ru/vant_2018_2/3.pdf

[4] http://www.inp.nsk.su/images/pdf/books/50-Years-of-BINP-book...

[5] http://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t6-6_1959/g...

[6] https://www.bl.uk/voices-of-science/interviewees/michael-for...

[7] Сборник к 30-летнему юбилею ИЯФ

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Mirror_Fusion_Test_Facility

[9] https://ufn.ru/ru/articles/2018/6/c/

[10] https://doi.org/10.1007/s10894-018-0174-1

[11] https://www.iter.org/construction/SiteFabricationPFcoils

Показать полностью 23
39

Вакуумметр для манометрического преобразователя ПМТ-2

Вакуумметр для манометрического преобразователя ПМТ-2


Привет Друзья! Не так давно я начал собирать установку ионно-плазменного (магнетронного) напыления (см. мои публикации). В процессе испытания и работы с установкой было принято много решений по ее модернизации и улучшению.

Вакуумметр для манометрического преобразователя ПМТ-2 Своими руками, Arduino, Физика, Плазма, Вакуум, Измерения, ЧПУ, Видео, Длиннопост

Одним из таких улучшений стало внедрение в установку вакуумметра для измерения глубины вакуума. Виду того, что одним из моих личных требований является мобильность установки и расположение всех ее компонентов внутри корпуса устройства, пришлось отказаться от внешних вакуумметров, например, таких как ВИТ-2. Помимо этого мне необходимо соблюсти момент бюджетности изготовления установки, а покупные вакуумметры достаточно не дешевы. В качестве детектирующего устройства выбрал лампу ПМТ-2, так как был небольшой опыт работы с ней и ее стоимость вполне приемлема.

Вакуумметр для манометрического преобразователя ПМТ-2 Своими руками, Arduino, Физика, Плазма, Вакуум, Измерения, ЧПУ, Видео, Длиннопост

Итак, как же работает данный манометрический преобразователь? Принцип действия тепловых (термопарных) преобразователей к которым относится лампа ПМТ-2, основан на зависимости молекулярной теплопроводности газа от его давления. Перенос теплоты происходит от тонкой металлической нити, нагреваемой электрическим током, через разреженный газ к вакуумному насосу, находящемуся при комнатной температуре.

Вакуумметр для манометрического преобразователя ПМТ-2 Своими руками, Arduino, Физика, Плазма, Вакуум, Измерения, ЧПУ, Видео, Длиннопост

В термопарном преобразователе ПМТ-2, в стеклянной колбе закреплены держатели (1), на которых точечной сваркой закреплен V-образный нагреватель из тонкой проволоки (2), к средней точке которого приварен спай платина-платина-родиевая термопара (3).


По нити нагревателя (2) пропускается ток IН постоянной величины, который нагревает спай термопары (3), и в ее цепи возникает термо Э.Д.С. Так как температура нагревателя зависит от давления (плотности) газа, то его изменение будет приводить к изменению Э.Д.С. термопары, которая измеряется милливольтметром (5), а ток накала нити IН регулируется реостатом и измеряется прибором (6).


Лампа ПМТ-2 достаточно грубый измеритель давления заточенный под ВИТ. Калибруется в запаянном состоянии. Ток накала подбирается по шкале ВИТ, 100 делений — ток накала.

После лампа отпаивается (срезается, она как ампула), впаивается в вакуумную систему.

Вакуумметр для манометрического преобразователя ПМТ-2 Своими руками, Arduino, Физика, Плазма, Вакуум, Измерения, ЧПУ, Видео, Длиннопост

Давайте теперь перейдем к описанию конструкции моего вакуумметра: Прежде чем получать показания с лампы, необходимо запитать ее нить накала, и подать на нее порядка 100мА (112-116мА). Для этого был взят регулятор напряжения купленный на eBay и вместе с последовательно включенным резистором был подсоединен к лампе. Так как регулятор при наименьшем своем значении напряжения давал сильно большое значение по току, то и пришлось использовать резистор.


Измерение вакуума подразумевает измерение напряжения в милливольтовом диапазоне, для этого все на том же торговом портале была куплена не замысловатая электроника: микроконтроллерная плата Ардуино Уно, модуль LCD1602 и АЦП ADS1115 на 16Bit.


В модуле АЦП имеется 4 аналоговых канала, я воспользовался всего одним, подключив входы ардуино SDA и SCL к соответствующим выводам модуля ацп. А термопару лампы подключил к выводам GND и A0 модуля.


На этом всё подключение закончилось и можно переходить к описанию прошивки (скетча):

********************************************************************************************

#include <LiquidCrystal.h>

#include <EEPROM.h>

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_ADS1015.h>


Adafruit_ADS1115 ads;

LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);


long val = 0;

long zero = 0;

int V = 0;

int F = 0;

int Time = 100;


void setup() {

lcd.begin(16, 2);

Serial.begin(9600);

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("CybSys presents");


//выбираем разрешение АЦП

// ads.setGain(GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3x gain +/- 6.144V 1 bit = 3mV 0.1875mV (default)

// ads.setGain(GAIN_ONE); // 1x gain +/- 4.096V 1 bit = 2mV 0.125mV

// ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x gain +/- 2.048V 1 bit = 1mV 0.0625mV

// ads.setGain(GAIN_FOUR); // 4x gain +/- 1.024V 1 bit = 0.5mV 0.03125mV

// ads.setGain(GAIN_EIGHT); // 8x gain +/- 0.512V 1 bit = 0.25mV 0.015625mV

ads.setGain(GAIN_SIXTEEN); // 16x gain +/- 0.256V 1 bit = 0.125mV 0.0078125mV

ads.begin();

}


void loop() {

int16_t adc0;

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Press: ");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("Vol:");

adc0 = ads.readADC_SingleEnded(0);

float voltage = (adc0 * (0.256/32767.5))*1000;

float pres = 2.217*exp(-voltage/0.3134)+0.175*exp(-voltage/1.97)+543.59*exp(-

voltage/211689.45)+(-543.57);

lcd.setCursor(7,0);

lcd.print(pres,5);

lcd.setCursor(5,1);

lcd.print (voltage,5);

Serial.print("Vol:");

Serial.println(voltage, 5);

delay(200);

}

***************************************************************************************

Текст прошивки не сложный и не большой, так как в основном применяются библиотечные функции. Основная сложность возникла только при переводе значений напряжения в значения давления, так как эта зависимость не линейна.

Вакуумметр для манометрического преобразователя ПМТ-2 Своими руками, Arduino, Физика, Плазма, Вакуум, Измерения, ЧПУ, Видео, Длиннопост

Эта градуировочная зависимость была оцифрована и проэкспонирована, тем самым получили формулу по которой достаточно точно производится расчет пониженного давления.


Видео работы устройства:

Что касается дальнейшей реализации моего проекта, то хочу выкинуть из нутра установки насос, все равно его производительности не хватает и места много занимает, вместо него встанет система охлаждения магнетрона (радиатор с кулером и помпа, возможно что еще небольшой герметичный объем с охлаждающей жидкостью). Шланги хочу заменить на нормальные вакуумные армированные (они не сильно дорогие). Конечно же надо встроить систему измерения вакуума с лампой (хотя бы той же ПМТ-2). И наверное самое сложное: реализация нормального основания (оно сейчас у меня текстолитовое) и магнетрона, хочу реализовать все это из алюминия, так как сопрягаемая плоскость основания с колпаком должна быть шлифованной (с текстолитом так не получится), а магнетрон все равно переделывать — не хочу заморачиваться с нержавейкой и сделаю почти все детали из дюрали на ЧПУ портальном станке, который уже собран. Так же хочу выкинуть белый диск с ЛАТРа и вместо него поставить привод, ШД например, и управлять потенциометром с приборной панели. А совсем в далеком будущем вообще избавиться от ЛАТРа.

Показать полностью 4 1
337

Пиво

История из 90-х, реальная, имена другие. Город Екатеринбург.

Пашке было шестнадцать – достаточно для того, чтобы думать, что стал взрослым. Он шел по привокзальной площади походкой соответствующей этикету уголовной среды – так было безопасно и престижно. Вокруг были ларьки, наперсточники, пассажиры и случайные прохожие. В уши из колонок киоска попадали звуки хрипящего голоса, который пел под гитару про тяжести проживания в местах заключения.
Пашка купил бутылочку оригинального пива “Gösser”, и расположился за столиком среди луж. Он мог позволить себе пить импортное пиво, поэтому определенно имел весьма высокий социальный статус в те годы. К Пашке подошел человек средних лет, интеллигентного вида, в бежевом плаще с пакетом в руках, в пакете звенели пустые бутылки.
- Не выкидывайте бутылку, пожалуйста, молодой человек, - попросил человек в плаще.
Пашка посмотрел на мужика и восторг посетил его пацанскую душу от чувства превосходства. Он купил бутылку “жигулевского” и предложил человеку в плаще:
-Пей, батя, - Пашка явно сочуствовал человеку, которому не повезло в жизни.
-Благодарю Вас, - сказал мужчина в плаще и жадно глотнул напиток.
Пашка смотрел на мужика и думал, как прекрасна жизнь среди нищих, когда есть деньги.
Мужчина расправил усталость лица улыбкой, после половины пива.
-Хорошо? – поинтересовался Паша.
-Да, благодарствую Вас, молодой человек.
Мужчина в плаще говорил явно не на уголовной фене, потому не вызывал уважения, однако вызывал интерес, изысканностью слога.
- Уважаемый, а ты кем был раньше?
Мужчина наслаждался последними глотками пива и смаковал, разглядывая горизонт.
-Раньше, это когда? – уточнил он в ответ.
Да, как… Ну, ты же не всегда бутылки собирал.
Мужчина ссутулился, сгорбился – Паша явно прервал ему удовольствие.
-Наукой я занимался… Кандидат наук я.
-Да ладно, - Пашка был достаточно грамотным, чтобы понимать, кто такой советский кандидат наук, поэтому слегка охренел.
Пиво действовало и мужчина в плаще разговорился:
- Вот хочешь докажу теорему Лапласа?
-Нет, - ответил Пашка….- Вишь, как бывает… Неповезло тебе… Ну, да ладно. Не горюй миужик, лес рубят – щепки летят. Так надо, понимаешь? Сейчас время агрессивных, сейчас крутиться надо – Пашка искренне верил в то, что говорил, то ли потому, что был молод, то ли потому, что слушал Хакамаду…
Мужчина в плаще сгорбился ещё сильней:
-Знаете молодой человек, когда лев умирает, наступает время опарышей – это беленькие милые червячки, которые съедают трупы.
Мужчина в плаще собрал бутылки и пошел от столика, ветер бросал мусор по площади, из стороны в сторону. Пашка осознавал сказанное и, почему - то не мог проучить человека в плаще физической силой.

Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: