Наносекунды: 10 в минус 9 сек.

Макроскопическое движение замирает.  Свет двигается 30 см\нс,  а звук\ударная волна несколько мкс\нс.  В наносекундном диапазоне нас интересует уже не предметы,  а вещество.  Снимать на камеру становится все труднее (нынешний рекорд – один кадр за 160 нс,  апрель 2009).  Возникает необходимость перехода от визуальных методов наблюдения к иным способам.  Например,  стоит задача изучить диффузию поверхностных вакансий.  Ожидаемый временной масштаб при комнатной температуре:  наносекунды.  Необходимы быстрые методы наблюдения.  Трудность составляет недостаточная разрешающая способность камеры.  В этих случаях используют методы с высоким разрешением (сканирующая туннельная микроскопия), что бы зафиксировать медленные, 1 сек, т.е. движение атомов продолжительностью от 1 – 30 сек  Нужна экспериментальная хитрость.  Идея:  посадить на поверхность кристалла примесные атомы и наблюдать за ними.  Примесный атом внедряется в поверхностный слой выращенного атомарно гладкого кристалла и теряет подвижность.  Пробегающие мимо редкие вакансии (дырки от атомов, когда происходит флуктуация поверхности, атом вылетает и на его месте образуется дырка)  натыкаются на атомы,  переносят их на новое место и «убегают».  Такие перескоки примесных атомов происходят намного реже,  за ними можно уследить с помощью СТМ (сканирующего туннельного микроскопа) и узнать поведение поверхностных вакансий.

Пикосекунды: 10 в минус 12 сек.  Свет двигается медленно относительно этих процессов.

Изучаются атомно-молекулярные явления.  Например,  колебания кристаллической решетки (фононы),  самые быстрые «шаги»  при свертке белков,  кинетика фазовых переходов в твердых телах.  Также изучаются и электронные явления,  например,  кинетика носителей заряда в полупроводниках,  образование и разрыв химических связей.  На пикосекундном масштабе начинается настоящая современная физика.  Главный метод исследования:  короткие лазерные импульсы, используются как для возбуждения,  так и для регистрации пикосекундных  процессов.  Короткие лазерные импульсы получать сравнительно легко.  Лазеры привели к настоящей революции в экспериментальной физике.

Вещества такие разные благодаря разной электронной структуре:  прозрачность,  цвет,  блеск,  твердость.  Если сжимать обычный кислород,  то из жидкого кислорода он превращается в твердый кристалл  небесно-голубого цвета.  Далее,  если сдавливать,  он превратиться в кроваво-красный кристалл,  далее, этот кристалл все темнеет и темнеет,  вплоть до черного цвета.  А при еще большем давлении,  он становится блестящим,  напоминающим металл.  И все это тот же кислород.  Он начинает проводить ток.

40 тыс атм – жидкий кислород.

40 – 100 тыс атм – небесно-голубой твердый кислород.

100 тыс – 1 млн атм – красный кислород.

1млн атм – металлический кислород.

Свыше 1 млн атм – сверхпроводник.  В красном кислороде молекулы О2 объединяются почетверо в молекулы О8.  Перестраиваются электронные оболочки, и меняется цвет.  Эти данные при постоянной температуре сдавливания.  Получают эти данные в лабораторных условиях с помощью алмазных наковальней.  Алмазная наковальня создает сверхвысокое давление 4 млн атм.  Предварительное сжатие плюс ударная волна от мощного лазера: сотни млн атм.  Включаем температуру:  высокое давление плюс температура в десятки тысяч градусов.  Начинается ионизация,  вещество превращается в тяжелую плотную плазму.  Молекулы разваливаются,  пропадает химическая связь,  остается только элементарный состав.

Нет никаких структур,  только однородная вязкая и очень плотная горячая масса.  При температурах в миллионы градусов начинаются ядерные реакции.  Например,  в центре Солнца Т – 13 млн градусов, Р – 250 млрд атм.  Ядра сталкиваются,  обмениваются протонами и нейтронами, разваливаются и объединяются.  Стирается элементный состав вещества.  Вещество превращается в железо,  например,  массивная звезда в конце жизни.  Если еще больше сжимать вещество,  то оно уже не выдерживает,  электроны вжимаются в протоны,  порождая нейтроны.  Остаются практически одни нейтроны.  Уже не остается ни атомов,  ни ионов.  Получается сплошная ядерная материя, состоящая в основном из нейтронного вещества.  Например,  один куб. см. нейтронного вещества весит примерно млн. т.  Такое вещество находится в нейтронных звездах.  Давление в центре – порядка 10 в 28 атм, в сто квадриллионов раз больше,  чем в центре Солнца.  А что же происходит в триллионы градусов?  В 1960-е годы была открыто много новых элементарных частиц.  Физики стали подозревать,  что у ядерного вещества есть максимальная температура (2 трлн градусов).  Потом поняли,  что при этой температуре ядерное вещество превращается в кварк-глюонную плазму,  и ее можно нагревать дальше.  Кварк-глюонная каша.  На этой каше пока остановились экспериментальные данные, но можно и кашку еще нагреть и сдавить.  Сейчас считается,  что если нагреть кварк-глюонную плазму все дальше и дальше,  будут проявляться новые и новые частицы.  При температуре в квадриллионы градусов,  начнут меняться свойства самих частиц – они начнут терять массу.  При температуре 10 в 32 степени (может быть и меньше) теории расходятся,  что-то начинает происходить с самим пространство-временем,  но что именно – пока не известно.

Конструкция реактора

В основе реактора лежит камера, выполненная, например, в форме псевдогиперболоида 2 + порядка. Эта форма имеет две ключевые особенности:

1. Отрицательная кривизна стенок, которая заставляет электромагнитные волны и частицы плазмы двигаться по строго заданным траекториям.

2. Фокальная экваториальная зона — место, где вся энергия в конечном итоге собирается в одном месте.

Принцип работы

1. Ввод инертного газа

В экваториальную фокальную зону реактора подаётся инертный газ — например, смесь дейтерия и трития (двух изотопов водорода). Эти газы станут “топливом” для термоядерной реакции.

2. Включение электромагнитного излучения

Снаружи реактора генерируется мощное электромагнитное излучение — например, микроволны. Это излучение через узкое горлышко псевдогиперболоида  попадает внутрь камеры. Здесь начинается магия геометрии: волны многократно отражаются от вогнутых стенок, словно закручиваясь в воронке, и в итоге фокусируются в экваториальной зоне — узком кольце в центре реактора.

3. Рождение плазмы

Когда электромагнитные волны концентрируются в экваториальной зоне, их энергия передаётся частицам газа. Атомы дейтерия и трития теряют электроны, превращаясь в плазму — горячий “коктейль” из заряженных частиц. Этот процесс называется ионизацией.

4. Нагрев плазмы

Электромагнитные волны продолжают “бить” по плазме, передавая ей всё больше энергии. Частицы плазмы сталкиваются друг с другом, разогреваясь до экстремальных температур — порядка 100 миллионов градусов Цельсия. При таких условиях начинается термоядерная реакция.

5. Как удерживается плазма?

Плазма — это невероятно горячий и нестабильный материал, который “хочет” разлететься во все стороны. Но в этом реакторе её удерживает не привычное магнитное поле, а электрическое поле, создаваемое высоким напряжением.

Внутри псевдогиперболоида установлены электроды, к которым прикладывается высокое напряжение. Это создаёт электрическое поле, которое “захватывает” плазму, не давая ей соприкасаться со стенками реактора.

Поле можно регулировать, изменяя напряжение и его распределение вдоль экваториальной зоны. Это позволяет удерживать плазму, вращать её и даже сжимать, создавая идеальные условия для термоядерного синтеза.

6.  Термоядерный синтез

Когда температура плазмы достигает критической отметки, ядра дейтерия и трития начинают сталкиваться друг с другом. В результате этих столкновений происходит термоядерный синтез — процесс, при котором лёгкие ядра сливаются в более тяжёлые (например, гелий), выделяя огромное количество энергии. Это та же самая реакция, которая питает Солнце и другие звёзды! Энергия выделяется в виде нейтронов, которые покидают зону реакции и “бомбардируют” стенки реактора. Их энергия преобразуется в тепло, которое затем можно использовать для производства электроэнергии.

Будущее без ископаемого топлива

Если технология окажется успешной, она может стать основой для нового поколения энергетики. Термоядерные реакторы на основе псевдоповерхностей 2+ порядков можно будет использовать для питания машин, домов, городов, заводов и даже космических станций. Это приведёт к полному (!!!) отказу от ископаемого топлива и революции в мировой энергетике.