Введение
Машина для генерации ионизированного газа типа "щипок"
Плотноплазменный фокус (DPF) – это тип плазменной генерационной системы, первоначально разработанной в качестве устройства для термоядерной энергии, начиная с начала 1960-х годов. Система продемонстрировала зависимости масштабирования, которые показали, что она не будет эффективна для коммерческого производства энергии, и с 1980-х годов она используется главным образом как учебная система по термоядерному синтезу, а также как источник нейтронов и рентгеновского излучения. Исходная концепция была разработана в 1954 году Н. В. Филипповым, который заметил этот эффект во время работы над ранними щипковыми машинами в СССР. В СССР была проведена масштабная исследовательская программа по ДПФ в конце 1950-х годов, которая продолжается и по сей день. Другая версия той же базовой концепции была независимо открыта в США Дж. В. Мэтер в начале 1960-х годов. Эта версия получила некоторое развитие в 1970-х годах, и различные модификации продолжают разрабатываться. Базовая конструкция происходит от концепции z-щипка. И ДПФ, и z-щипок используют большие электрические токи, пропускаемые через газ, для его ионизации в плазму и последующего сжатия для повышения плотности и температуры плазмы. ДПФ в основном отличается формой; большинство устройств используют два концентрических цилиндра и формируют щипок на конце центрального цилиндра. В отличие от этого, системы z-щипка обычно используют один цилиндр, иногда тор, и сжимают плазму к центру. Плазменный фокус аналогичен устройству высокоинтенсивного плазменного пистолета (HIPGD) (или просто плазменному пистолету), который выбрасывает плазму в форме плазмоида, не сжимая её. В 2012 году Кришнан провел всесторонний обзор плотного плазменного фокуса и его разнообразных применений.
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.
Концепция "щипки"
Устройства, основанные на сжатии плазмы (pinch), стали первыми системами, серьезно разработанными для исследований в области термоядерного синтеза, начиная с небольших машин, построенных в Лондоне в 1948 году. Обычно они имели одну из двух форм: линейные устройства сжатия плазмы – это прямые трубки с электродами на обоих концах для подачи тока в плазму, а тороидальные устройства сжатия плазмы – машины в форме тора (бублика) с большими магнитами, обернутыми вокруг них, которые обеспечивают ток посредством магнитной индукции. В обоих типах машин мощный импульс тока подается на разреженный газ внутри трубки. Этот ток первоначально ионизирует газ, превращая его в плазму. После завершения ионизации, которая происходит за микросекунды, плазма начинает проводить ток. Вследствие силы Лоренца этот ток создает магнитное поле, которое заставляет плазму сжиматься в нить, подобно молнии. Этот процесс очень быстро увеличивает плотность плазмы, что приводит к повышению ее температуры. Ранние устройства быстро выявили проблему стабильности этого процесса. Когда ток начинал течь в плазме, возникали магнитные неустойчивости, известные как "сосиска" и "перекручивание", которые вызывали нестабильность плазмы и в конечном итоге приводили к ее контакту со стенками контейнера. При этом горячая плазма вызывала отслоение атомов металла или стекла, которые попадали в топливо, быстро охлаждая плазму. Если плазму не удавалось стабилизировать, этот процесс потерь делал термоядерный синтез невозможным. В середине 1950-х годов было предложено два возможных решения. В концепции быстрого сжатия линейное устройство подвергалось сжатию настолько быстро, что плазма в целом оставалась неподвижной, при этом сжимался только внешний слой, создавая ударную волну, которая поддерживала процесс после отключения тока. В концепции стабилизированного сжатия добавлялись новые магнитные поля, которые взаимодействовали с полем тока, создавая более стабильную конфигурацию. Однако в ходе испытаний ни одна из этих систем не показала работоспособности, и к началу 1960-х годов направление исследований, основанное на сжатии плазмы, было в значительной степени заброшено.
Концепция ПФД
Во время экспериментов с линейной щипковой машиной Филиппов заметил, что определенные расположения электродов и трубки приводят к формированию плазмы в новые конфигурации. Это привело к разработке концепции DPF. Типичная машина DPF состоит из двух цилиндрических электродов. Внутренний, как правило, массивный, физически отделен от внешнего изолирующим диском на одном конце устройства и остается открытым на другом конце. В результате получается конструкция, напоминающая кофейную кружку, в которой посередине стоит хот-дог, разрезанный пополам и поставленный вертикально. При подаче тока возникает дуга на пути наименьшего сопротивления, вблизи изолятора. Это вызывает быструю ионизацию газа в этой области, и ток начинает течь через него к внешнему электроду. Ток создает магнитное поле, которое начинает толкать плазму вниз по трубке к открытому концу. Плазма достигает конца за микросекунды. Достигнув конца, она продолжает двигаться некоторое время, но концы плазменного слоя остаются прикрепленными к концам цилиндров. Это приводит к тому, что плазменный слой изгибается, принимая форму, похожую на зонт или шляпку гриба. После этого дальнейшее движение прекращается, и продолжающийся ток начинает сжимать область вблизи центрального электрода. В конечном итоге бывшая кольцеобразная область сжимается в вертикальный столб, выступающий из конца внутреннего электрода. В этой области плотность значительно возрастает. Весь процесс протекает во много раз быстрее скорости звука в окружающем газе. По мере продвижения токовой оболочки по оси, ее часть, контактирующая с анодом, скользит по поверхности анода осесимметрично. Когда фронт сходящейся ударной волны сливается с осью, от оси исходит отраженный фронт ударной волны, пока он не встретит движущуюся токовую оболочку, которая затем формирует осесимметричную границу сжатой или сфокусированной колонны горячей плазмы. Плотная плазменная колонна (аналогичная Z-щипку) быстро сжимается, становится неустойчивой и разрушается. Интенсивное электромагнитное излучение и всплески частиц, в совокупности называемые мульти-излучением, возникают во время фаз плотной плазмы и распада. Эти критические фазы длятся обычно от десятков наносекунд для малой (кДж, 100 кА) фокусирующей машины до примерно микросекунды для большой (МДж, несколько мА) фокусирующей машины. Весь процесс, включая осевую и радиальную фазы, может длиться от нескольких микросекунд (для малого фокуса) до 10 микросекунд для более крупной фокусирующей машины. У машины Филиппова осевая фаза значительно короче, чем у фокуса Матэра.
Приложения
При работе с использованием дейтерия испускаются интенсивные вспышки рентгеновского излучения и заряженных частиц, а также продукты ядерного синтеза, включая нейтроны. Ведутся исследования, демонстрирующие потенциальные области применения в качестве источника мягкого рентгеновского излучения для литографии микроэлектроники нового поколения, микромеханической обработки поверхностей, импульсного рентгеновского и нейтронного источника для медицинского обследования и обеспечения безопасности, а также для модификации материалов и других целей. В области ядерного оружия устройства с плотным плазменным фокусом могут использоваться как внешний источник нейтронов. Другие применения включают моделирование ядерных взрывов (для испытаний электронного оборудования) и короткий, но интенсивный источник нейтронов, полезный для бесконтактного обнаружения или контроля ядерных материалов (урана, плутония).
Текущие исследования
Сеть из десяти идентичных ПЧФ (плазменных фокусировочных устройств) работает в восьми странах мира. Эта сеть производит научные работы по таким темам, как оптимизация и диагностика машин (мягкие рентгеновские лучи, нейтроны, электронные и ионные пучки), применение (микролитография, микрообработка, модификация и изготовление материалов, визуализация и медицинские применения, астрофизическое моделирование), а также моделирование и вычисления. Сеть была организована Сингом Ли в 1986 году и координируется Азиатско-Африканской ассоциацией по обучению плазме (AAAPT). Для этой сети был разработан программный пакет, Модель Ли, но он применим ко всем устройствам фокусировки плазмы. Код обычно обеспечивает отличное соответствие между вычисленными и измеренными результатами и доступен для загрузки в качестве Универсальной лаборатории фокусировки плазмы. Институт исследований плазменного фокуса (IPFS) был основан 25 февраля 2008 года для продвижения правильного и инновационного использования кода Модели Ли и стимулирования применения численных экспериментов с плазменным фокусом. Исследования IPFS уже распространили численно выведенные законы масштабирования нейтронов на многомегаджоулевые эксперименты, которые предстоит подтвердить. Численные эксперименты с кодом также привели к составлению глобального закона масштабирования, указывающего на то, что хорошо известный эффект насыщения нейтронов лучше коррелирует с механизмом ухудшения масштабирования. Это связано с возрастающим доминированием динамического сопротивления осевой фазы, поскольку импеданс банка конденсаторов уменьшается с увеличением энергии банка (емкости). В принципе, резистивное насыщение можно преодолеть, работая с импульсной энергосистемой при более высоком напряжении. Международный центр плотных намагниченных плазм (ICDMP) в Варшаве, Польша, управляет несколькими плазменными фокусировочными устройствами для международной исследовательской и учебной программы. Среди этих устройств есть одно с энергетической емкостью 1 МДж, что делает его одним из крупнейших плазменных фокусировочных устройств в мире. В Аргентине с 1996 года действует Межинституциональная программа исследований плазмы в фокусе, координируемая Национальной лабораторией плотных намагниченных плазм (www.pladema.net) в городе Тандил, Буэнос-Айрес. Программа также сотрудничает с Чилийской комиссией по ядерной энергии и объединяет Аргентинскую национальную комиссию по энергетике, Научный совет Буэнос-Айреса, Университет Центра, Университет Мар-дель-Плата, Университет Росарио и Институт физики плазмы Университета Буэнос-Айреса. Программа управляет шестью плазменными фокусировочными устройствами, разрабатывая приложения, в частности ультракороткую томографию и обнаружение веществ с помощью нейтронного импульсного допроса. PLADEMA также внесла вклад в разработку нескольких математических моделей плазменного фокуса в течение последнего десятилетия. Термодинамическая модель впервые позволила разработать карты проектирования, сочетающие геометрические и эксплуатационные параметры, показывающие, что всегда существует оптимальная длина ствола и давление заряда, которые максимизируют эмиссию нейтронов. В настоящее время существует полный код конечных элементов, проверенный по многочисленным экспериментам, который может быть уверенно использован в качестве инструмента проектирования для плазменного фокуса. В Чили, в Чилийской комиссии по ядерной энергии, плазменные фокусировочные эксперименты были расширены до устройств с энергией менее килоджоуля, а правила масштабирования были расширены до области менее одного джоуля. Их исследования показали, что можно масштабировать плазменный фокус в широком диапазоне энергий и размеров, сохраняя одинаковые значения плотности ионов, магнитного поля, скорости оболочки плазмы, скорости Альфвена и количества энергии на частицу. Следовательно, реакции синтеза даже могут быть получены в ультраминиатюрных устройствах (приводимых в действие генераторами мощностью 0,1 Дж, например), как и в более крупных устройствах (приводимых в действие генераторами мощностью 1 МДж). Однако стабильность плазменного сжатия в значительной степени зависит от размера и энергии устройства, что проявляется в тороидальных сингулярностях, всплесках плазмы и генерации плазменных струй. Кроме того, изучаются возможные применения с использованием таких небольших плазменных устройств: разработка портативных генераторов в качестве нерадиоактивных источников нейтронов и рентгеновских лучей для полевых применений и использование плазменных фокусировочных устройств в качестве плазменных ускорителей для изучения материалов под воздействием интенсивных импульсов, релевантных для синтеза. Кроме того, Чилийская комиссия по ядерной энергии в настоящее время эксплуатирует объект SPEED 2, крупнейший плазменный фокусировочный объект в Южном полушарии. С начала 2009 года было введено в эксплуатацию/в процессе ввода в эксплуатацию несколько новых плазменных фокусировочных устройств, включая ПЧФ INTI в Малайзии, NX3 в Сингапуре, первое плазменное фокусировочное устройство, введенное в эксплуатацию в университете США в последнее время, ПЧФ KSU в Канзасском государственном университете, который зарегистрировал свой первый выделяющий нейтроны синтеза сжатие в канун Нового года 2009 года, и плазменный фокус IR MPF 100 (115 кДж) в Иране.
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.
Мощность термоядерного синтеза
Несколько групп предположили, что термоядерная энергия на основе ДПФ может быть экономически целесообразной, возможно, даже с низконейтронными топливными циклами, такими как p-B11. Реализуемость получения чистой энергии от p-B11 в ДПФ требует уменьшения потерь на тормозное излучение за счет квантово-механических эффектов, индуцированных чрезвычайно сильным магнитным полем, "замороженным" в плазме. Высокое магнитное поле также приводит к высокой интенсивности излучения циклотронного излучения, но при прогнозируемых плотностях, где плазменная частота превышает циклотронную частоту, большая часть этой энергии будет поглощена обратно, прежде чем покинет плазму. Еще одним заявленным преимуществом является возможность прямого преобразования энергии продуктов термоядерного синтеза в электричество с эффективностью, потенциально превышающей 70%.
Лоуренсвилл Плазменная физика
Эксперименты и компьютерное моделирование для изучения возможности использования ДПФ в термоядерной энергетике ведутся в Lawrenceville Plasma Physics (LPP) под руководством Эрика Лернера, который объяснил свой подход "Фокусный синтез" в 2007 году в рамках Google Tech Talk. 14 ноября 2008 года Лернер получил финансирование для продолжения исследований с целью проверки научной осуществимости Focus Fusion. 15 октября 2009 года устройство ДПФ "Focus Fusion 1" достигло первого удержания плазмы (pinch). 28 января 2011 года LPP опубликовала предварительные результаты, включая экспериментальные данные, демонстрирующие значительно более высокую производительность синтеза, чем исторические показатели ДПФ. В марте 2012 года компания объявила о достижении температуры в 1,8 миллиарда градусов, превзойдя прежний рекорд в 1,1 миллиарда, который сохранялся с 1978 года. В 2016 году компания заявила о достижении производительности синтеза в 0,25 джоуля. В 2017 году компания в три раза уменьшила количество примесей по массе и в десять раз – количество ионов. Производительность синтеза увеличилась на 50%. Производительность плазменного фокусирования удвоилась по сравнению с другими устройствами плазменного фокусирования при той же энергии ввода 60 кДж. Кроме того, средняя энергия ионов достигла рекордного значения 240 ± 20 кэВ для любой плазмы термоядерного синтеза с удержанием. Использование смеси дейтерия и азота, а также предварительной ионизации коронным разрядом позволило снизить стандартное отклонение производительности синтеза в 4 раза – до примерно 15%. В 2019 году команда провела серию экспериментов по замене вольфрамовых электродов на бериллиевые (обозначенные как Focus Fusion 2B). После 44 импульсов на электроде образовался значительно более тонкий оксидный слой толщиной 10 нм, что привело к меньшему количеству примесей и меньшей эрозии электрода по сравнению с вольфрамовыми электродами. Производительность синтеза достигла 0,1 джоуля. В целом, производительность увеличивалась, а количество примесей уменьшалось с увеличением числа импульсов.