Пара слов об УТС и плазме, часть 7. Некоторые любят погорячее
Шла четвёртая неделя удалёнки. За это время автор поста успел написать статью, зависшую с ноября; взяться ещё за одну; начать учить питон взамен матлаба; сделать пол-ремонта на балконе и созреть для воскрешения серии про термояд.
Определённо, нам нужен ежегодный карантин, чтобы доделывать всякие дела, до которых иначе не доходят руки.
Кто-то ещё, может быть, помнит, что управляемый термоядерный синтез нужен как возможность лет через тридцать закрыть дырку в производстве энергии. А дырку в производстве энергии надо закрывать, потому что люди хотят кушать и греться. Чтобы это сделать, нужно взять подходящие изотопы лёгких элементов, сделать из них плазму, нагреть до сотни миллионов человеческих градусов, после чего как-нибудь удержать. В благодарность плазма за счёт термоядерных реакций выдаст полгигаватта. Или больше. Или сильно больше, и тогда непонятно, куда их деть.
Об удержании в линейных системах и токамаках посты уже были. Был даже пост про то, как вскипятить вольфрам, если что-то идёт не так. А вот про нагрев — нет, хотя надо бы.
Итак, нам хочется подогреть разреженный газ с проводимостью меди, находящийся в магнитном поле, до температуры в десять тысяч безумных учёных. Или выше. Здесь есть три с половиной варианта.
Первый — запустить внутрь что-нибудь, у чего ещё больше энергии. Электроны и ионы не годятся — магнитное поле, которое не даёт плазме разлететься, точно так же не пустит их внутрь (есть одно исключение, но оно здесь практически неинтересно). Остаются нейтральные атомы. Вот они летят [1]:
Шесть зелёных и две блестящие бочки, торчащие ёжиком во все стороны из установки ГДЛ [2], выдают 5 мегаватт в мощности в пучках атомов дейтерия, летящих со скоростью в полпроцента от скорости света:
Это C2W в Tri Alpha Energy, здесь 20 МВт [3]:
А вот тут два оранжевых модуля на 16 МВт для нагрева (плюс один про запас и ещё один — диагностический), рядом с которыми притаился токамак ИТЭР.
Да, вот эта тридцатиметровая штуковина притаилась [5]:
Разогнать сами по себе нейтральные атомы до пары-тройки процентов скорости света не выйдет, такой рогатки нет. Разгонять приходится положительно или отрицательно заряженные ионы — которые, правильно, в магнитное поле не пойдут. Поэтому их сначала ионизируют, вытаскивают из плазмы (больше плазмы!), ускоряют электрическим полем, а после заново нейтрализуют. Внутри ловушки нейтральные атомы снова становятся ионами, но уже захваченными; и живут там, пока не прореагируют для нашего тепла и света. Ну, или не затормозятся об электроны. Схема примерно такая [1]:
А вот так электроды выглядят вживую:
Следующий вариант — микроволновка. Ионы и электроны, если вспомнить первую часть, крутятся вокруг силовых линий. Вот так, только одни по часовой стрелке, а другие против [6]:
Электроны легче, поэтому вращаются быстрее ионов. Чем выше магнитное поле, тем быстрее крутятся; в любом случае, речь идёт о десятках и сотнях гигагерц.
В СВЧ-волне в любой включенной микроволновке и возле любого включенного вайфай-роутера электрическое поле тоже колеблется. Повесьте рядом любой электрон из вашей кладовки, и он будет то разгоняться, то тормозиться этим полем. Торможение нам не нужно. Избавиться от него можно, если поле будет крутиться так же, как и сам электрон. То есть, волна выглядит так [7]:
Поле оказывается всегда повёрнутым туда же, куда летит электрон; электроны разгоняются; волна гаснет и больше никуда не идёт. Всё в целом называется электронным циклотронным резонансным нагревом.
Микроволновка или вайфай-роутер немного недотягивают до мощности в мегаватт и частоты в двести гигагерц. Это, скорее, к радарам. В качестве генераторов в плазменных установках используют гиротроны, которые снаружи выглядят как, хм, труба. Вот для примера один из самых продвинутых гиротронов в мире, сделанный в Нижнем для ИТЭРа:
Здесь — более блестящая труба, а ещё полкилометра волноводов и несколько квадратных метров полированной меди на токамаке DIII-D [7]:
В этом один из плюсов СВЧ, его (сравнительно) легко дотащить до установки издалека. А если понимаешь, куда светишь, то и до плазмы. Несколько больше популярных подробностей про гиротроны было у @tnenergy вот здесь.
Проблема электронно-циклотронного нагрева в том, что он греет электроны. А реагируют — ионы.
Что, если поступить с ними так же, как с электронами, только крутить в другую сторону? Всё верно — выйдет ионно-циклотронный нагрев. Частоты ниже в 2000 раз. Здесь, в районе десятков мегагерц, уже царство ламп, кабелей и антенн.
Если вас не пугают слова: «Согласование импеданса между коаксиальной линией и плазмой», можете прочитать и эту заметку.
Ну, или посмотреть схему ВЧ-системы ИТЭРа [4]:
И антенны JET'а [9]:
У СВЧ-методов нагрева есть и ещё один плюс, при правильном подборе условий они не столько греют, сколько гонят ток в нужную сторону. В токамаках, где плазма без тока живёт недолго, это позволяет растянуть время горения разряда до сотен секунд.
А что третий с половиной?
Третий с половиной — это пропустить по всей штуке с проводимостью меди ток. Но от этого сплошные проблемы, если говорить о десятках и сотнях мегаватт.
Ps. Когда «Наука в Сибири» взялась рассказать о работе учёных из дома, оказалось, что котики активно двигают науку. У них для этого лапки. И желание скинуть её с края стола.
Вот, пожалуйста:
Иллюстрации тянуты из следующих источников:
[1] I.Shikhovtsev, et al, 30th ITPA DTG Meeting 21–24 June 2016, Novosibirsk, Russia
[2] http://www.inp.nsk.su/nauka/nauchnye-podrazdeleniya/gdl (впрочем, я же эту фотографию и сделал)
[3] https://tae.com/research-library/
[4] https://www.iter.org/mach/Heating
[5] https://www.instagram.com/p/B8Y4fbOqrS5/
[6] https://www.litres.ru/igor-kotelnikov/lekcii-po-fizike-plazm...
[7] http://www.inp.nsk.su/news/rss/2014_140_13Solomakhin.pdf
[8] http://www.gycom.ru/products/pr1.html
[9] https://www.euro-fusion.org/news/detail/detail/News/installa...