Центробежный Z-пинч

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ Z-ПИНЧ

Севцов С.В.

Аннотация

УДК 533.9.07

ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ Z-ПИНЧ

Севцов С.В., E-mail: 30071962@mail.ru.

Рассмотрены некоторые причины, обуславливающие необходимость изменения конфигурации разрядной камеры установок плазменный фокус. Предложена новая конструкция установок с нецилиндрическим Z-пинчем. Выдвинуто предположение об кардинальном изменении формообразования и протекания газового разряда в предложенной рабочей камере, ожидаемом росте термоядерного к.п.д. и устранении насыщения нейтронного скэйлинга в мегаджоульных установках.

Ключевые слова: нецилиндрический Z-пинч, плазменный фокус, обратный пинч, шир, S-пинч, тета-пинч, инерционно-магнитный синтез, плазменный вихрь, время удержания, термоядерный к.п.д.

Введение

Исследование установок плазменный фокус является актуальной задачей, что обусловлено высокими - термоядерными параметрами температуры и плотности рабочей плазмы, достигаемыми относительно простыми и компактными техническими средствами.

Классические установки с плазменным фокусом исполняются в двух вариантах - с филипповской конфигурацией электродов или с мейзеровской. Следует отметить, что создатель варианта плазменного фокуса Н.В. Филиппов совместно с Н.Г. Макеевым и Т.И. Филипповой создали плазменный источник проникающего излучения, который совмещает достоинство мейзеровской конфигурации - продолжительный нагрев с достоинствами филипповской схемы - быстрое развитие кумуляции. Отличительная черта установки - диаметр рабочей части анода больше диаметра цилиндрического изолятора. При движении плазмы от меньшего диаметра к большему - от изолятора к экватору анода, наблюдается стабилизация плазменных неустойчивостей, как в системах с обратным пинчем [1]. Подобные устройства - не экзотика: со сферическими электродами выпускает плазменные фокусы ВНИИЭФ(Саров) и ВНИИА им. Н.Л. Духова. Как и в любом нецилиндрическом Z-пинче получение термоядерных параметров плазмы достигается не во всем обьеме рабочего газа. Вначале, как известно создается нецилиндрическая токово-плазменная оболочка (ТПО). В последующем при резком схлопывании воронки ТПО происходит вытекание плазмы от вершины воронки с пинчеванием вытекающей плазмы. Образовавшийся пинч в виде компактного плазменного цилиндра был назван плазменным фокусом. И хотя Z-пинч по определению является электродным сильноточным самосжимающимся газовым разрядом важно отметить, что образовавшийся плазменный фокус с электродами не соприкасается. Как и во всех пинчах время существования плазменного фокуса не превышает время разряда конденсаторной батареи.

1. Проблемные характеристики плазменного фокуса

Разбиение плазмы на два объёма позволяет произвести кумуляцию энергии в меньшем объёме плазменного фокуса с большего объёма ТПО. Имеет место своего рода плазменная пушка, где снарядом выступает плазменный фокус. Однако в результате первых экспериментов на небольших маломощных установках была получена величина массы выбрасываемого "снаряда" - плазменного фокуса, всего несколько десятых долей процента от общей массы газа в разрядной камере [2]. Современные установки не сильно ушли в эффективности кумуляции. Так разработчики и экспериментаторы говорят об энергосодержании фокуса порядка 10 % энергии батареи [3].

Теоретики, говоря о плазменном сгустке, возникающем уже при втором сжатии плазмы, предсказывают всего 3 % вложенной энергии в фокус от величины энергии батареи [4].

В дополнение к изложенному - увеличение размеров и вкладываемой мощности в районе мегаджоульных значений энергии конденсаторной батареи сопровождается нейтронным скэйлингом - отсутствием роста нейтронного потока при росте вкладываемой энергии в пинч.

2. Сравнение плазменного фокуса с существующими системами

Предлагаемая разработанная система не является пионерской, поэтому есть смысл сравнить ее с существующими.

Например, несмотря на то, что в тета-пинче, как и в плазменном фокусе источником импульсного электропитания разряда выступает все тажа конденсаторная батарея, время удержания плазмы в тета-пинче в разы больше. Так характерное время удержания для плазменного фокуса 10^-8-10^-7с., а для тета-пинча составляет около 10^-5с.

Подобный рост времени удержания энергии в плазме тета-пинча обусловлен кольцевой, а не цилиндрической - как в плазменном фокусе, конфигурацией образовавшегося при пинче плазменного плотного сгустка. Замкнутые на себя круговые треки для движения позволяют частицам плазмы пройти большие отрезки, чем на линейном участке плазменного фокуса.

В прочем длительность разряда тета-пинча также ограничена временем разряда конденсаторной батареи.

В этом плане особняком стоит система инерционно-магнитного синтеза, в свое время прорабатываемая [5]. Отбросив все технические подробности, все пинчи можно уподобить термоядерным системам с инерционным удержанием. Ход процесса схож - в начале идет импульсный нагрев, а далее свободный разлет нагретой и прореагированной плазмы после снятия подвода энергии. В системе инерционно-магнитного синтеза ИОФАНа при обстреле термоядерной мишени только одним лазерным лучом возникает упорядоченный плазмоид, который за счет своих наведенных токов существует некоторое время и после отключения источника нагрева - лазера. нецилиндрический пинч плазменный фокус

Достичь подобного эффекта самосуществования плазмоида при разрядившейся конденсаторной батарее в существующих пинчевых системах невозможно. И даже если закорачивать соленоид тета-пинча после разряда на себя не получится создать систему подобную плазменному фокусу с ее максимально эффективными показателями сжатия и нагрева плазмы в пинче.

В прочем вращение плазмы пытались использовать в электродных сильноточных разрядах - S - пинчах (получил от английского термина "screw pinch"). Идея была в том, чтобы использовать возникающий от вращения шир для гашения плазменных неустойчивостей.

S - пинч и подобные системы себя не оправдали [6]. Дело в том, что подобным классическим Z-пинчевым системам присуще непреодолимое противоречие - что-бы нагреть и сжать вращающуюся плазму необходимо уменьшить диаметр вихря, а что-бы сжатию не мешали центробежные силы - радиусы вращения частиц относительно центральной оси установки нужно не уменьшать, а лучше вообще увеличить.

В самом деле формула для расчета центробежной силы, как общеизвестно, имеет вид:

F= mv2/ r

Вспоминается вопрос из сборника: центробежная сила инерции обратно пропорциональна радиусу окружности - r, по которой движется материальная точка. Следовательно, при достаточно малом радиусе эта сила может достигнуть произвольно большой величины. Почему же частицы, лежащие вблизи полюса Земли, не отрываются и не улетают в космическое пространство? Ответ, понятно, следующий - центробежная сила зависит не только от радиуса, но и от квадрата линейной скорости - v:

F= mv2/r

Вблизи оси вращения линейная скорость близка к нулю. А так как она входит в формулу в квадрате, то она и определяет величину центробежной силы [7].

К сожалению, ранее в Z-пинчах с вращающимися плазменными сгустками и квадраты линейной скорости только возрастали и радиус спадал - на подобном "глобусе" плазма не удерживалась.

Следует вспомнить, что фокус мейзеровского типа это своего рода рельсотрон. Работы по рельсотрону военными будут продолжаться при любых успехах плазменного фокуса в термоядерных программах. Уж больно заманчивы перспективы. Если в артиллерийских системах с химическим топливом скорость снаряда не может превысить скорость теплового движения молекул взорвавшегося пороха, то в рельсотроне со световой скоростью импульса перспективы почти безграничны. Подобные рельсотроны-катапульты имеют большие размеры из-за большой линейной длины прямых электродов системы. Единственным вариантом уменьшения размеров является переход на систему со спиральным движением снаряда - установка "Пращетрон" компании HyperV Technologies Corp. [8].

Применительно к классическим плазменным пинчам можно сделать вывод о появившейся технической возможности модернизации. В самом деле несмотря на малые размеры плазменного сгустка - плазменного фокуса, размеры мощных плазмофокусных установок существенны. Зачем тратить электроэнергию на паразитную индуктивность разрядной камеры, если можно уменьшить размеры разрядной камеры за счет спирального движения частиц плазмы вдоль электродов при нагреве?

Как, к примеру, в устройстве [9].

3. Постановка задачи

Суммируя все вышеизложенное была поставлена задача - изменить конструктивную схему установки плазменный фокус чтобы:

1. Получаемый плазменный сгусток имел кольцевую форму;

2. Рост относительного объёма кольцевого сгустка относительно объёма ТПО компенсировать за счет парадоксального использования вращения плазмы - оставить шир, а центробежные силы обратить из противника сжатия в механизм сжатия плазмы.

4. Решение поставленной задачи

Схема вновь разработанной установки поясняется чертежом - Фиг. 1:

Условные обозначения на чертеже - Фиг. 1:

1. Катод;

2. Рабочая часть анода;

3. Цилиндрический изолятор между электродами;

4. Трубчатый токоввод анода;

5. Незамкнутый электропроводный виток многозаходной спирали;

6. Изолятор соседних витков многозаходной спирали;

7. Токоввод катода;

8. Разрядник;

9. Низкоиндуктивная высоковольтная конденсаторная батарея;

10. Квазитороидальный плазменный фокус.

щ_{1 =} щ_{2 -} соответственно равные по величине и направлению угловые скорости вращения двух зеркальных плазменных вихрей.

Пунктирными линиями показаны сечения и положения токово-плазменных оболочек при их движении от соответствующей цилиндрической поверхности изолятора к периметру анода.

Материал катода - нержавеющая сталь. Катод состоит из двух зеркальных половинок, которые соединяются между собой вакуумноплотно (на чертеже не показано).

Материал анода - электротехническая медь.

Рабочие поверхности электродов очерчены при помощи эллипсоидов вращения.

В качестве материала изолятора между электрода предлагается использовать брокерит из-за высокой теплопроводности [10].

В качестве материалов для изоляторов, заполняющих спиральные прорези на трубчатых токовводах анодов, можно использовать слюду или фторопласт.

5. Предполагаемый способ работы центробежного Z-пинча

После подачи напряжения от импульсного источника через разрядник на анод вблизи двух изоляторов формируются две цилиндрические плазменные оболочки, имеющая волокнистую структуру. Под действием электродинамических сил плазменные оболочки симметрично отходят от изоляторов. Благодаря импульсному току в многозаходных спиралях двух токовводов анода оболочки приобретают к уже имеющемуся аксиальному дополнительное движение - вращательное азимутальное. За счет этого вращения волокна токово-плазменных оболочек перемешиваются с образованием шира. Два вихря раскручиваются в двух параллельных кольцевых коаксиальных зазорах между электродами.

Диаметры вихрей все время увеличиваются - авторегулирование конфигурации, как в обратном Z-пинче. Образовавшаяся от двух ударных волн перед оболочками плазма приобретает вращательный момент. По истечении определенного времени токово-плазменные вращающиеся оболочки под действием пондеромоторных и центробежных сил выходят своими подошвами на периметр анода. Тут они встречно сталкиваются своими боковыми поверхностями. Геометрия камеры и индуктивность конденсаторной батареи подобраны так, что максимальный импульс тока совпадает по времени с моментом встречи поверхностей оболочек. Далее происходит схлопывание образовавшегося клиновидного кольцевого канала за счет слияния спиральных токов оболочек с вихревым вытеканием части плазмы в сторону к внутреннему периметру катода. Вихревое вытекание приводит к кумуляции плазмы. Пинчевание вытекающего пинча, по аналогии с плазменным фокусом, будет сопровождаться передачей энергии на часть плазмы - к образовавшемуся компактному плазменному сгустку - квазитору в заявляемом устройстве. Данный сфокусированный плазменный квазитор является источником нейтронов и рентгеновских лучей.

На стадии проектировании установки можно предположить два варианта вращения плазменного квазитора:

1. Плазменный квазитор вращается пока существуют сошедшие вместе две ТПО - аналогично тета-пинчу: не более времени разряда конденсаторной батареи.

2. Образовавшийся плазмоид вращается и после разряда конденсаторной батареи, подобно в инерциально-магнитном синтезе. Правда с одной стороны плазмоид будет охвачен прослойкой менее холодной плазмы между ним и внутренним экватором катода.

Выводы

1. Рассмотренная конструкция позволяет изменить кардинально геометрию пинча с целью решения поставленной задачи.

2. Для поиска оптимального режима пары токовводов анода следует сделать легкосъемными с различными размерами винтовых многозаходных спиралей.

Список литературы

1. Разработка и исследование сферических камер с плазменным фокусом. Н.Г. Макеев, В.Г. Румянцев, Г.Н. Черёмухин - страница сайта http://pandiaweb.ru/text/77/309/52969.php интернет - издания Pandia.ru.

2. стр. 217-218, Л.А. Арцимович. Управляемые термоядерные реакции. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва. 1961.

3. стр. 109, Всесоюзный институт научной и технической информации. Итоги науки и техники. Серия Физика плазмы. Том 2. Редактор - В.Д. Шафранов. Москва. 1981.

4. стр. 240; 243, Вопросы теории плазмы. Сб. статей. Вып. 8. Под ред. Акад. М.А. Леонтовича. М., Атомиздат, 1974, с. 384.

5. Ж. Техника-Молодежи, 1991г., №12, стр.6-8.

6. а.с. № 1448993 В.М. Быстрицкий, М.М. Фикс и В.Г. Толмачева "Импульсный источник нейтронов", кл. МПК H05H 5/00, опубл. в БИ №32, 1992 г.

7. стр.43;120, Морбехай Ейзикович Тульчинский Занимательные задачи-парадоксы и софизмы по физике. Просвещение, Москва, 1971 г.

8. Журнал Техника-Молодежи, 2014 г., №2, стр.16-17.

9. Патент RU 2 517 004 C2 "Циклотронный плазменный двигатель".

10. стр. 134-137, Балкевич В.Л. Техническая керамика: Учеб. Пособие для втузов. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1984. -256 с., ил.

Размещено на Allbest.ru