Кіріспе
Иондалған газды "қысым" машинасы. Тығыз плазмалық фокус (ТПФ) – 1960 жылдардың басында синтездік қуат құрылғысы ретінде бастапқыда әзірленген плазма тудыратын жүйе түрі. Жүйе коммерциялық қуат саласында пайдалы болмайтынын көрсететін масштабтау заңдарын көрсетті және 1980 жылдан бері негізінен синтездік оқыту жүйесі ретінде, сондай-ақ нейтрондар мен рентген сәулелерінің көзі ретінде қолданылып келеді. Алғашқы тұжырымдама 1954 жылы Н.В. Филипповпен жасалған, ол бұл эффектіні КСРО-дағы ерте "қысым" машиналарын зерттеу кезінде байқаған. ТПФ бойынша ірі зерттеу бағдарламасы 1950 жылдардың соңында КСРО-да жүргізілді және бүгінге дейін жалғасуда. Осы негізгі тұжырымдаманың басқа нұсқасын АҚШ-та 1960 жылдардың басында Дж.У. Мэзер тәуелсіз түрде ашты. Бұл нұсқа 1970 жылдары дамыды, ал оның түрлі нұсқалары әлі де жасалуда. Негізгі конструкция z-қысым тұжырымдамасынан туындайды. ТПФ және қысым екеуі де газ арқылы үлкен электр тогын өткізеді, оны плазмаға иондау үшін, содан кейін плазманың тығыздығы мен температурасын арттыру үшін өзіне қысады. ТПФ көбінесе формасымен ерекшеленеді; көптеген құрылғылар екі концентрлі цилиндрді қолданады және қысымды орталық цилиндрдің соңында жасайды. Керісінше, z-қысым жүйелері әдетте бір цилиндрді, кейде торды қолданады және плазманы ортаға қысады. Плазмалық фокус жоғары интенсивті плазмалық тапанша құрылғысына (ЖИТҚ) (немесе жай плазмалық тапанша) ұқсас, ол плазманы плазмоид түрінде шығарады, бірақ оны қыспайды. Кришнан 2012 жылы тығыз плазмалық фокус және оның әртүрлі қолданыстарын жан-жақты қарастырды.
A dense plasma focus (DPF) is a type of plasma generating system originally developed as a fusion power device starting in the early 1960s. The system demonstrated scaling laws that suggested it would not be useful in the commercial power role, and since the 1980s it has been used primarily as a fusion teaching system, and as a source of neutrons and X rays. The original concept was developed in 1954 by N. V. Filippov, who noticed the effect while working on early pinch machines in the USSR. A major research program on DPF was carried out in the USSR through the late 1950s, and continues to this day. A different version of the same basic concept was independently discovered in the US by J. W. Mather in the early 1960s. This version saw some development in the 1970s, and variations continue to be developed. The basic design derives from the z pinch concept. Both the DPF and pinch use large electrical currents run through a gas to cause it to ionize into a plasma and then pinch down on itself to increase the density and temperature of the plasma. The DPF differs largely in form; most devices use two concentric cylinders and form the pinch at the end of the central cylinder. In contrast, z pinch systems generally use a single cylinder, sometimes a torus, and pinch the plasma into the center. The plasma focus is similar to the high intensity plasma gun device (HIPGD) (or just plasma gun), which ejects plasma in the form of a plasmoid, without pinching it. A comprehensive review of the dense plasma focus and its diverse applications has been made by Krishnan in 2012.
Шұғыл тұжырымдама
Пичтік құрылғылар – 1948 жылы Лондонда салынған өте кішкентай машиналардан басталып, термоядролық зерттеулер үшін кеңінен дамытылған ең алғашқы жүйелер. Олар әдетте екі түрдің біріне ие болды: сызықтық пичтік машиналар – плазмаға ток жіберу үшін екі ұшында электродтары бар түзу құбырлар, ал тороидтік пичтік машиналар – магниттік индукция арқылы ток беретін үлкен магниттермен оралған донат пішіндес машиналар. Екі типтегі машиналарда да құбырдың ішіндегі сиретілген газға үлкен ток импульсі беріледі. Бұл ток бастапқыда газды иондап, плазмаға айналдырады. Иондану толыққаннан кейін, яғни микросекундтар ішінде, плазма ток өткізе бастайды. Лоренц күшінің әсерінен бұл ток магниттік өріс тудырады, ол плазманың жіп тәрізді қысылып кетуіне себеп болады, бұл шағын найзағайға ұқсас. Бұл процесс плазманың тығыздығын өте жылдам арттырады, оның температурасын көтереді. Алғашқы құрылғылар осы процестің тұрақтылығындағы мәселені тез көрсетті. Ток плазмада ағып бастағанда, «сосиска» және «қисық» деп аталатын магниттік эффектілер пайда болды, бұл плазманың тұрақсыздығына және әрі қарай контейнердің қабырғаларына соғылуына әкелді. Мұндай жағдайда ыстық плазма металл немесе шыны атомдарын бөліп шығарып, отынға енгізіп, плазманы тез салқындататын еді. Плазманы тұрақтандыра алмаса, бұл жоғалту процесі термоядролық реакцияны мүмкінсіз ететін еді. 1950 жылдардың ортасында екі мүмкін шешім пайда болды. Жылдам пич концепциясында, сызықтық құрылғы пичтің өзіне плазманың толығымен қозғалмайтындай жылдамдықпен ұшырауы керек еді, керісінше, тек сыртқы қабаты ғана қысыла бастап, ток тоқтатылғаннан кейін процесті жалғастыратын шок толқынын тудыратын еді. Тұрақтандырылған пичте, ток өрісімен араласып, тұрақты конфигурация құратын қосымша магниттік өрістер қосылатын еді. Тестілеу кезінде ешбір жүйе жұмыс істемеді, ал термоядролық энергияға жеңіл жол 1960 жылдардың басында көбінесе тасталды.
ДФҚ тұжырымдамасы
Сызықтық қыспақ машинасында тәжірибелер жүргізу кезінде Филиппов электродтар мен түтіктердің белгілі бір орналасуы плазманың жаңа пішінге айналуына себеп болатынын байқады. Бұл DPF тұжырымдамасына әкелді. Типикалық DPF машинасында екі цилиндрлі электрод болады. Ішкі электрод, көбінесе қатты, құрылғының бір жағындағы оқшаулағыш дискі арқылы сыртқы электродтан физикалық түрде бөлінген. Екінші жағы ашық қалдырылады. Нәтижесінде, кофе кесесі сияқты, ортасында тік тұрған жартылай хот-дог пайда болады. Ток қолданғанда, ол ең аз кедергі жолымен, яғни оқшаулағыш дискіге жақын жерде доғалана бастайды. Бұл аймақтағы газды тез иондауға алып келеді және ток сыртқы электродқа қарай ағып түседі. Ток магниттік өріс тудырады, ол плазманы түтік бойымен ашық жағына қарай итеріп жібереді. Плазма микросекунд ішінде соңына жетеді. Соңына жеткеннен кейін ол қысқа уақытқа тағы қозғалады, бірақ ток табақтарының ұштары цилиндрлердің ұштарына бекітіліп қалады. Бұл плазмалық қабатты шатыр немесе саңырауқұлақтың қалпағына ұқсас пішінге иілуіне себеп болады. Осы кезде қозғалыс тоқтап, үздіксіз ток орталық электродқа жақын бөлікті қысып бастайды. Соңында бұл бұрынғы сақина тәрізді аймақтың ішкі электродтың соңынан тік бағанаға дейін сығылуына әкеледі. Бұл аймақта тығыздық күрт артады. Бұл процестің өзі қоршаған газдың дыбыс жылдамдығынан әлдеқайда жоғары жылдамдықпен өтеді. Ток қабығының осьтік қозғалысы жалғасқанда, анодқа жанасқан бөлігі анодтың бетімен осьтік симметрия бойынша сығады. Имплозиялық соққы толқынының алдыңғы жағы оське жеткенде, кері соққы толқыны осінен басталып, қозғалтқыш ток қабығына дейін жетеді, содан кейін қысылған немесе шоғырланған ыстық плазма бағанының осьтік-симметриялық шекарасын құрайды. Тығыз плазма бағаны (Z қыспағына ұқсас) тез қысылып, тұрақсыздыққа ұшырап, ыдырайды. Тығыз плазма және ыдырау кезеңдерінде күшті электромагниттік сәулелену мен бөлшектердің шашырауы, жиынтығында көп сәулелену деп аталады. Бұл маңызды фазалар әдетте кішкентай (kJ, 100 кА) фокустық машина үшін ондаған наносекундқа, ал үлкен (MJ, бірнеше МА) фокустық машина үшін микросекундқа дейін созылады. Процесс, осьтік және радиалдық фазаларды қоса алғанда, Матер DPF машинасы үшін бірнеше микросекундқа (кішкентай фокус үшін) немесе үлкен фокус машинасы үшін 10 микросекундқа дейін созылуы мүмкін. Филиппов фокус машинасы Матер фокусына қарағанда өте қысқа осьтік фазаға ие.
Қолданбалар
Деутерий қолданғанда, қарқынды рентген сәулелері мен зарядталған бөлшектер шығарылады, сондай-ақ нейтрондарды қоса алғанда, ядролық синтездің қосалқы өнімдері де пайда болады. Қазіргі кездегі зерттеулер келесі буын микроэлектроника литографиясы, беттік микроөңдеу, медициналық және қауіпсіздік мақсатындағы тексерулерге арналған импульстік рентген және нейтрон көзі, сондай-ақ материалдарды өзгерту үшін жұмсақ рентген сәулелерінің көзі ретінде қолдану мүмкіндігін көрсетуде. Ядролық қару саласында тығыз плазмалық фокус құрылғыларын сыртқы нейтрон көзі ретінде қолдануға болады. Басқа қолданымдарға электрондық жабдықты сынау үшін ядролық жарылыстарды модельдеу және ядролық материалдарды (уран, плутоний) қашықтан табу немесе тексеруге арналған қысқа, қарқынды нейтрон көздері кіреді.
Қазіргі зерттеулер
Дүние жүзінде сегіз елде он DPF машинасының желісі жұмыс істейді. Бұл желі машиналарды оңтайландыру және диагностика (жұмсақ рентген сәулелері, нейтрондар, электрон және ион сәулелері), қолданылу салалары (микролитография, микроөңдеу, материалдарды өзгерту және жасау, бейнелеу және медицина, астрофизикалық модельдеу), сондай-ақ модельдеу және есептеу сияқты тақырыптар бойынша ғылыми еңбектер жасайды. Желі 1986 жылы Синг Ли ұйымдастырған және Азия-Африка плазмалық оқыту қауымдастығы (AAAPT) басқарады. Бұл желі үшін Ли моделі атты модельдеу жиынтығы жасалған, бірақ ол барлық плазмалық фокус құрылғыларына қолданылады. Код әдетте есептелген және өлшенген нәтижелердің арасында өте жақсы сәйкестік көрсетеді және Universal Plasma Focus Laboratory Facility ретінде жүктеуге қолжетімді. Плазмалық фокус зерттеулер институты (IPFS) 2008 жылдың 25 ақпанында Ли моделі кодын дұрыс және жаңашылдықпен пайдалануды және плазмалық фокус сандық тәжірибелерін қолдануға ынталандыру мақсатымен құрылды. IPFS зерттеулері сандық түрде алынған нейтрондық масштабтау заңдарын көп мегаджоульдік тәжірибелерге дейін кеңейтті. Бұл тексеруді күтеді. Кодпен жүргізілген сандық тәжірибелер нәтижесінде жаһандық масштабтау заңы жасалды, ол нейтрондық қанығу эффектінің жақсы белгілі екенін және масштабтаудың нашарлау механизмімен байланысты екенін көрсетті. Бұл конденсаторлық банктың кедерісі банк энергиясының (сыйымдылығының) артуымен төмендеуіне байланысты. Принцип бойынша, кедергілік қанығудан құтылу үшін импульстік қуат жүйесін жоғары кернеуде пайдалануға болады. Варшавадағы (Польша) International Centre for Dense Magnetized Plasmas (ICDMP) халықаралық зерттеу және оқыту бағдарламасы үшін бірнеше плазмалық фокус машиналарын пайдаланады. Бұл машиналардың бірі 1 МДж энергия сыйымдылығына ие, бұл оны әлемдегі ең ірі плазмалық фокус құрылғыларының біріне айналдырады. Аргентинада 1996 жылдан бері Плазмалық фокус зерттеулері бойынша институтаралық бағдарлама жұмыс істейді, оны Тығыз магниттелген плазманың ұлттық зертханасы (www.pladema.net) басқарады, ол Буэнос-Айрес қаласында орналасқан. Бағдарлама Чилидің ядролық энергия комиссиясымен және Аргентинаның Ұлттық энергия комиссиясымен, Буэнос-Айрес ғылыми кеңесімен, Орталық университетімен, Мар-дель-Плата университетімен, Росарио университетімен және Буэнос-Айрес университетінің плазма физикасы институтымен де ынтымақтасады. Бағдарламада алты плазмалық фокус құрылғысы жұмыс істейді, олар қолданылу салаларын, әсіресе ультрақысқа томографияны және нейтрондық импульстік сұрау арқылы заттарды анықтауды дамытады. PLADEMA соңғы он жылда плазмалық фокус математикалық модельдерін жасауға үлес қосты. Термодинамикалық модель геометриялық және операциялық параметрлерді біріктіретін дизайн карталарын жасауға мүмкіндік берді, бұл ең жақсы қару ұзындығы мен нейтрондық шығарылымды бақылайтын зарядтау қысымы әрқашан болатынын көрсетті. Қазіргі уақытта көптеген тәжірибелерде расталған толық шекті элементтер коді бар, оны плазмалық фокус дизайны үшін сенімді құрал ретінде пайдалануға болады. Чилиде, Чилидің ядролық энергия комиссиясында плазмалық фокус тәжірибелері килоджоульдік құрылғыларға дейін кеңейтілді және масштабтау ережелері бір джоульден аз аймаққа дейін созылды. Олардың зерттеулері плазмалық фокустың иондық тығыздығы, магнит өрісі, плазма қабығының жылдамдығы, Альфвен жылдамдығы және бір бөлшекке шаққандағы энергия мөлшерінің бірдей мәнін сақтай отырып, энергия мен өлшемдердің кең ауқымында масштабтауға болатынын көрсетті. Сондықтан, синтез реакцияларын тіпті ультрашағын құрылғыларда (мысалы, 0,1 Дж генераторларымен басқарылатын) алуға болады, өйткені олар үлкен құрылғыларда (1 МДж генераторларымен басқарылатын) да мүмкін. Алайда плазмалық қыспақтың тұрақтылығы құрылғының көлемі мен энергиясына байланысты. Тороидтық ерекшеліктер, плазмалық жарылыстар және плазмалық ағындардың пайда болуы. Сонымен қатар, осындай шағын плазмалық құрылғыларды қолдану мүмкіндіктері зерттеледі: далалық қолданыстар үшін нейтрондар мен рентген сәулелерінің радиоактивті емес көздері ретінде портативті генераторларды жасау және материалдарды зерттеу үшін қарқынды синтездік импульстер ретінде плазмалық фокус құрылғыларын плазмалық үдеткіштер ретінде пайдалану. Сонымен қатар, Чилидің ядролық энергия комиссиясы қазіргі уақытта оңтүстік жарты шардағы ең ірі плазмалық фокус қондырғысы SPEED 2 қондырғысын басқарады. 2009 жылдың басынан бері бірқатар жаңа плазмалық фокус машиналарын іске қосуда, олардың ішінде Малайзиядағы INTI плазмалық фокусы, Сингапурдағы NX3, соңғы жылдары АҚШ университетінде іске қосылған алғашқы плазмалық фокус, Канзас штаты университетіндегі KSU плазмалық фокусы (2009 жылдың Жаңа жылдық түнінде алғашқы синтездік нейтрон шығаратын қыспасын тіркеді) және Ирандағы IR MPF 100 плазмалық фокусы (115 кДж) бар.
and plasma jets generations. In addition, possible applications are explored using these kind of small plasma devices: development of portable generator as non radioactive sources of neutrons and x rays for field applications, and the use of plasma focus devices as plasma accelerators for studies of materials under intense fusion relevant pulses. In addition, Chilean Nuclear Energy Commission currently operates the facility SPEED 2, the largest Plasma Focus facility of the southern hemisphere. Since the beginning of 2009, a number of new plasma focus machines have been/are being commissioned including the INTI Plasma Focus in Malaysia, the NX3 in Singapore, the first plasma focus to be commissioned in a US university in recent times, the KSU Plasma Focus at Kansas State University which recorded its first fusion neutron emitting pinch on New Year's Eve 2009 and the IR MPF 100 plasma focus (115kJ) in Iran.
Құрылыс энергиясы
Бірнеше топтар DPF негізіндегі термоядролық энергияның экономикалық тұрғыдан тиімді болуы мүмкін екенін ұсынды, тіпті p B11 сияқты төмен нейтронды отын циклдарында да. p B11-ден таза энергия алу үшін DPF-дағы мүмкіндікті қамтамасыз ету үшін, "плазмаға қатырылған" өте күшті магнит өрісінің кванттық механикалық әсерлерінен туындайтын тежелу сәулеленуінің жоғалуын азайту қажет. Жоғары магнит өрісі циклотрон сәулеленуінің жоғары деңгейіне де әкеледі, бірақ плазма жиілігі циклотрон жиілігінен жоғары болатын тығыздықтарда, осы қуаттың көп бөлігі плазмадан шығар алдында қайта сіңіріледі. Тағы бір артықшылық – термоядролық реакция өнімдерінің энергиясын электр энергиясына тікелей түрлендіру мүмкіндігі, бұл тиімділікті 70%-дан асыруға мүмкіндік береді.
Лоуренсвилл плазма физикасы
Эрик Лернердің басшылығымен Лоуренсвилл плазма физикасы (LPP) институтында синтез қуаты үшін DPF-тің мүмкіндіктерін зерттеу мақсатында эксперименттер мен компьютерлік модельдеу жүргізілуде. Ол өзінің "Фокустық синтез" тәсілін 2007 жылғы Google Tech Talk баяндамасында түсіндірген болатын. 2008 жылдың 14 қарашасында Лернер "Фокустық синтездің" ғылыми тұжырымдамасын тексеру үшін зерттеулерді жалғастыруға қаржыландыру алды. 2009 жылдың 15 қазанында DPF құрылғысы "Focus Fusion 1" алғашқы қысымға (pinch) қол жеткізді. 2011 жылдың 28 қаңтарында LPP бастапқы нәтижелерді жариялады, оның ішінде тарихи DPF көрсеткіштерімен салыстырғанда айтарлықтай жоғары синтездік шығымды эксперименттік сынақтар да болды. 2012 жылдың наурыз айында компания 1978 жылдан бері сақталған 1,1 миллиард градус рекордын бұзып, 1,8 миллиард градус температураға қол жеткізгенін хабарлады. 2016 жылы компания 0,25 джоуль синтездік шығымға қол жеткізгенін мәлімдеді. 2017 жылы компания қоспалардың массасын 3 есеге, ал иондар санын 10 есеге азайтты. Синтездік шығым 50%-ға артты. 60 кДж энергия енгізген басқа плазмалық фокус құрылғыларымен салыстырғанда синтездік шығым екі есеге өсті. Сонымен қатар, орташа иондық энергия кез келген шектелген синтез плазмасы үшін 240 ± 20 кэВ рекордтық деңгейге жетті. Дейтерий-азот қоспасы және короналық разрядты алдын ала иондау синтездік шығымның стандартты ауытқуын 4 есеге, шамамен 15%-ға дейін төмендетті. 2019 жылы команда вольфрам электродтарын бериллий электродтарымен алмастыру бойынша тәжірибелер сериясын жүргізді (бұл "Focus Fusion 2B" деп аталды). 44 рет атудан кейін электродтың бетінде вольфрам электродтарына қарағанда әлдеқайда жұқа 10 нм тотық қабаты пайда болды, соның салдарынан қоспалар азайды және электродтың тозуы төмендеді. Синтездік шығым 0,1 джоульге жетті. Атулар саны артқан сайын шығым жалпы алғанда артты, ал қоспалар азайды.