Теория Электростатического Термоядерного Реактора

[Astrodrive]

Теория Электростатического Термоядерного Реактора.

Посмотрев как работает в теории термоядерный реактор типа Поливелл мы предлагаем ещё более компактный Электростатический термоядерный реактор.

Реактор ITER (типа Токамак) весит аж 23,000 тонн. Реактор NIF (типа Инерциальное Сжатие) с его 192 лазерами занимает целое здание и использует капсулу из алмаза ценой 1 миллион фунтов. И не каждый раз удаётся поджечь термоядерную реакцию из-за несовершенства оболочки капсулы.

Объём ITERа расчитан на выдачу энергии в 10 раз больше чем он потребляет. Уже доказано экспериментально и теоретически, что реакторы Токамак с меньшим объёмом не дают больше энергии чем потребляют. Для компактного Термоядерного Реактора нужны другие инженерные решения.

Остаётся рассмотреть компактные реакторы типа Поливелл и Магнитное Зеркало.

Мы должны учитывать неоходимость компактных термоядерных реакторов для космических кораблей без тяжёлых и громоздких магнитных катушек (как в Токамаке).

Также все текущие реакторы магнитного удержания плазмы (включая Поливелл и Магнитное Зеркало) потребляют слишком много электроэнергии для создания мощных магнитных полей. Это уменьшает выход полезной электроэнергии из термоядерного синтеза.

Известно что электрическое поле более сильное чем магнитное. Это объясняется тем, что константа пропорциональности электрической силы это порядок 9*10^9, а константа магнитной силы порядок 10^-7.

То есть заряд в один кулон будет создавать намного большую электростатическую силу, с помощью которой можно удерживать высоко нагретую плазму для термоядерного синтеза. Движущийся заряд в один кулон будет создавать намного более слабую магнитную силу.

Имеет смысл создать компактный термоядерный реактор на основе электростатической силы, а не магнитной.

Предлагаем следующую схему Электростатического Термоядерного Реактора.

1) В сферу, сделанную из сплава стали с бериллием с радиусом 50 сантиметров мы накачиваем газ, смесь из Трития и Дейтерия. Затем лучом лазера ионизируем путь из вехней точки А в нижнюю точку Б (Картинка 1).

Вы не можете просматривать это вложение.

2) Получается тонкий стержень из плазмы, проводящий электричество (Картинка 2).

Вы не можете просматривать это вложение.

3) По этому плазменному стержню мы проводим электрический ток.
Электрический ток проходящий из точки А в точку Б создаёт отрицательно заряженный Виртуальный Электрод (Картинка 3).

Вы не можете просматривать это вложение.

4) Виртуальный Электрод разогревает газ, через корорый проходит, с которым контактирует по сторонам, превращая его в плазму и начинает термоядерный синтез. Положительно заряженные ионы плазмы сдерживаются Виртуальным Электродом вокруг центральной оси реактора и не касаются металлических стенок реактора. Электроны плазмы не могут удалиться на большое расстояние от ионов и тоже не касаются стенок реактора (Картинка 4).

Вы не можете просматривать это вложение.

Термоядерный синтез идёт до тех пор пока плазма из лёгких элементов Трития и Дейтерия не превратится в плазму из более тяжёлого Гелия. Синтез прекращается, реактор останавливается, охлаждается и снова наполняется газом.

Если нам нужно получать электричество без остановки, мы включаем второй реактор, когда отключается первый. Таким образом мы можем включать один реактор за другим, безпрерывно снабжая электроэнергией космический корабль или город.

Сплав стали и бериллия хорошо пропускает нейтроны, произведённые термоядерной реакцией. Нейтроны и тепловое излучение нагревают воду в охладительных трубах, расположенных вокруг металлической сферы реактора, пар воды крутит турбину и вырабатывается электричество.

Топливо для Термоядерного Реактора можно довольно дёшево получить. Требуется только накопать Литиевых минералов и облучить их нейтронами. Получается термоядерное топливо - газ Тритий. Поток нейтронов образуется в обычных ядерных реакторах, или в результате термоядерного синтеза Дейтерия. Дейтерий получается из тяжёлой воды, отобранной из морской воды. Смесь Трития и Дейтерия является оптимальным топливом для термоядерного реактора.

[спец]

Форум все больше превращается в филиал Кащенко...

[algol5720]

Чтобы понять, что ты тупой, необходимо быть достаточно разумным...

[Astrodrive]

Мною предложенный реактор практически является Z-пинчем.

https://en.wikipedia.org/wiki/Z-pinch

На вики написанно, что у плазмы хорошая проводимость, практически равная меди.

Z-пинч основан на применении магнитной силы. Когда два параллельных электрических провода, проводящих ток в одном направлении приближают друг к другу, они притягиваются.

Когда ток проводится через плазму, то частицы плазмы притягиваются друг к другу (с помощью магнитной силы). Плазма удерживается в форме тонкого стержня.

Копмания Zap Energy провела эксперимент с проведением электрического тока через плазму. Плазма была стабилизированна путём создания несколько потоков плазмы: внутреннего и внешнего. Внешний цилиндр плазмы двигается быстрее чем внутренний стержень плазмы. Это дополнительно стабилизирует внутренний стержень плазмы. Называется "поток стабилизация".

https://en.wikipedia.org/wiki/Zap_Energy

Текущая установка компании называется FUZE. Внизу картинки: схематика установки, фотография стержня плазмы и график силы тока/выхода энергии из термоядерного синтеза.

Сама установка FUZE 2 метра длинной и стержень из плазмы 50 сантиметров длинной.

Моделирование показывает, что для получения энергии из синтеза нужен ток силой 650 кА. Недавно на установке FUZE было протестировано 500 кА.

На установке типа Z-пинч [скорость термоядерного синтеза] = [сила тока]*10^11. Поэтому для получения энергии из синтеза нужна лишь только сила тока.

Хотя эта приблизительная модель основанна на адиабатической плазме и не включает все виды поведения плазмы.

У установки FUZE нет магнитов, а используется только электрический ток. Электрод сделан из меди, покрытой карбидом вольфрама.

Компания Zap Energy хочет добится положительного выхода энергии и построить коммерческий реактор.

Мною было предложенно использовать электростатическую силу, а не магнитную. Конечно в реальности на плазму будут действовать сразу две силы: магнитная и электростатическая.

С помощью лазера мы сразу создаём стержень из плазмы и потом проводим через него электрический ток. Нам не нужно проводить ток для создания стержня плазмы. Мы проводим ток только для поддержания сжатия плазмы.

Zap Energy уже испытала ток силой 500 кА и плазма держалась в стержне, выделяя значительное количество энергии. Надо экспериментально проверить мою гипотезу на той же самой установке или установке похожего типа.

Сферу реактора можно поменять на цилиндр. В случае создания стержня плазмы лазером, форма реактора не влияет на процесс поддержания стержня плазмы.

Вы не можете просматривать это вложение.

Вы не можете просматривать это вложение.

Вы не можете просматривать это вложение.

[Astrodrive]

Стержень из плазмы очень нестабилен. В Z-пинче его смогли удержать только с помощью дополнительного ускорения внешнего слоя плазмы. "Поток стабилизация".

Мы просто предлагаем испытать лазер для стабилизации стержня из плазмы. Получается всё просто на бумаге. В реальности нужно экспериментально проверять на установке типа Z-пинч.

Хотя Zap Energy уверяет, что уже стабилизировала стержень плазмы с помощью "поток стабилизации" и теперь хочет получить полезную энергию из термоядерного синтеза.

У их установки типа Z-пинч абсолютно нет расхода энергии на магнитное поле и нет самих магнитов, которые очень сильно нагреваются потоком нейтронов из термоядерного синтеза. Так что выглядит хорошо на приведённом выше графике сила тока/выход энергии.

[Chilik]

Стержень из плазмы очень нестабилен. 

Чтобы узнать эту мудрость, можно было почитать учебники по физике плазмы.
Если непонятно, где именно в учебниках читать про конкретно этот вид неустойчивости, можно почитать то, что давны-давно было написано (называется неустойчивость Крускала-Шафранова). Оригинальная статья В.Д. Шафранова по-русски: https://j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/download/82/75

У их установки типа Z-пинч абсолютно нет расхода энергии на магнитное поле и нет самих магнитов, которые очень сильно нагреваются потоком нейтронов из термоядерного синтеза.

Зато есть электроды, которые умирают на много порядков быстрее, чем катушки магнитной системы.

Меня вот один интересный вопрос занимает: есть много лет работающая установка Z в лаборатории Сандия, которая умеет пропускать через нагрузку ток масштаба 25 МА. Что они делают не так, что реактора до сих пор нет?

[Astrodrive]

Зато есть электроды, которые умирают на много порядков быстрее, чем катушки магнитной системы.

Меня вот один интересный вопрос занимает: есть много лет работающая установка Z в лаборатории Сандия, которая умеет пропускать через нагрузку ток масштаба 25 МА. Что они делают не так, что реактора до сих пор нет?

У Zap Energy есть "поток стабилизация" плазмы.

Электроды они хотят сделать толще, из графена и попытаются их охлаждать.

В данный у Zap Energy момент электроды сделаны из меди покрытой карбидом вольфрама, а у других компаний наверное нет. Эрозия электродов увеличивается при увелечении силы тока.

25 МА просто расплавит любые электроды. Zap Energy нужно достич всего 500 кА. Этот ток можно поддерживать длительное время если электроды из графена и с охлаждением.

[Chilik]

Я тут некоторое время назад по поводу этой Zap Energy выразился:

Зато есть электроды, которые умирают на много порядков быстрее, чем катушки магнитной системы.

Внезапно оказалось, что они каким-то чудом смогли опубликовать статью в приличном журнале:
M. C. Thompson, S. C. Simpson, C. J. Beers, J. Dadras, E. T. Meier, P. H. Stoltz; Electrode durability and sheared-flow-stabilized Z-pinch fusion energy // Phys. Plasmas, 2023, Vol. 30, No. 10, paper 100601. https://doi.org/10.1063/5.0163381
Пишу "чудом", потому что, похоже, им повезло и попались очень добрые рецензенты. Но я не про это.
Они там попробовали оценить, сколько времени проживут электроды в их реакторе. Цитирую:

A solid tungsten electrode could lose ∼600 kg per hour if SFS Z-pinch electrode erosion rates reach those seen in high current, high-pressure discharges

Короче, килограмм вольфрама за 6 сек. Гении оптимизма.
На всякий случай: допустимая концентрация вольфрама в термоядерной плазме не должна превышать доли 1E-7.  Иначе плазму не удастся нагреть из-за излучения многозарядных ионов вольфрама. Это очень сильная проблема для крупных токамаков.
Про графитовые электроды цифру не цитирую, она заведомо глупая, поскольку цитированные ими источники не знают ничего про химическую эрозию графита в водороде, которая много быстрее физической при температурах выше 800 градусов. То ли они про это сами не знают, то ли знают, но заметают под ковёр.
Короче, уныло.

[Astrodrive]

Короче, килограмм вольфрама за 6 сек. Гении оптимизма.
На всякий случай: допустимая концентрация вольфрама в термоядерной плазме не должна превышать доли 1E-7.  Иначе плазму не удастся нагреть из-за излучения многозарядных ионов вольфрама. Это очень сильная проблема для крупных токамаков.

Спасибо, что нашли статью.

Zap Energy планирует использовать катод из графита. У него расход 3 килограмма в час, а не 600 кг в час как у вольфрама.
Вы правы про химическую эрозию графита в водороде они не говорят.

A power plant level pinch will have a current of ∼1.5 MA lasting for ∼200 μs, which equates to 300 C of charge. A nominal 200 MW thermal SFS Z-pinch power core will fire at roughly 10 Hz.6 At that rate of operation, approximately 1.1 × 107 C per hour will pass through the cathode. If the cathode is simple solid carbon, then we expect it will be subject to erosion similar to or greater than the very high mass losses of carbon electrodes that are seen in the operational experience of arc smelting furnaces where typical values are ∼1.7 tons per 24 h at 80 kA arc current, or ∼2.5 × 10−4 g/C.20,30 Applying that erosion rate to a 107 C per hour SFS Z-pinch electrode yields an expected mass loss of ∼3 kg per hour. A solid tungsten electrode could lose ∼600 kg per hour if SFS Z-pinch electrode erosion rates reach those seen in high current, high-pressure discharges.

Дальше они планируют охлаждать катод,

One means of addressing the thermal challenges of preventing the melting or sublimation of surfaces exposed to extremely high heat fluxes is transpiration cooling. Transpiration cooling typically involves moving gas or liquid through small pores in the outer wall of the body being cooled and letting the heated gas or vaporized liquid escape. As the coolant leaves the surface it takes its entrained heat with it.

Есть ещё одна идея покрыть катод жидким металлом.

... one would expect the surface of a liquid-metal transpiration-cooled electrode to be completely covered with liquid metal. At that point, the solid substrate should be completely protected by the liquid metal layer. Indeed, the idea of using a liquid metal cathode in high-power systems goes back to at least the late 1960s in the context of electric space propulsion and electrical switching. This approach could also prove effective in an SFS Z-pinch power plant.

[Astrodrive]

Вот как будет выглядить будущий реактор от Zap Energy.

Все картинки можно посмотреть на
https://pubs.aip.org/aip/pop/article/30/10/100601/2915124/Electrode-durability-and-sheared-flow-stabilized-Z

Вы не можете просматривать это вложение.

[Astrodrive]

Вот что пишут учёные из Zap Energy. На https://pubs.aip.org/aip/pop/article/30/10/100601/2915124/Electrode-durability-and-sheared-flow-stabilized-Z

Установка работает в пульс режиме. На компьютерной симуляции для коммерческого реактора с током в 1 МА, один пульс термоядерной реакции 200 микро секунд, затем остановка на 100 мили секунд. Каждый пульс даёт 19 МДж энергии.

Установки FUSE уже стали использовать графитовый катод, так как вольфрам быстро испаряется.

На установках FUSE и FUSE-Q конус катода покрыт графитом. Его уже испытали с током в 0.3 МА. Графитовый электрод не показывает никакого повреждения после 1000 разрядов.

Внизу картинка объясняющая как работает поток стабилизации плазмы. По краям катода создаётся более быстрый поток плазмы, который сжимает основной центральный поток силой Лоренца. Таким образом плазма не расползается по реактору.

Вы не можете просматривать это вложение.

[Astrodrive]

Надо заметить, что Zap Energy использует новый принцип в технологии термоядерного реактора - пульс реакция.

https://pubs.aip.org/aip/pop/article/30/10/100601/2915124/Electrode-durability-and-sheared-flow-stabilized-Z

Реакция термоядерного синтеза идёт за 200 микро секунд, нагревает плазу и сам реактор. Потом ток отключается, реактор охлаждается отдавая тепло контуру охлаждения.

Тепло контура охлаждения нагревает водяной пар, который крутит динамо машину и производит электричество.

Реактор охлаждается 100,000 микросекунд (или 100 мили секунд) и затем опять включает ток.

Такой подход позваляет получить энергию равную потраченной на ток при токе в 600 - 700 МА.

Графитовый Электрод (катод) можно менять в принципе раз в день. В данный момент скорость разрушения Графитового Электрода не измерена. Его включали на 1000 пульсов и разрушения не было.

Ждём тест новых установок с Графитовым Электродом FuZE и FuZE-Q.

Расчёт показывает, что каждый пульс реактора производит 19 МДж энергии, а на ток тратится 200 МДж/сек. При токе в 600 - 700 МА термоядерная реакция поддерживает саму себя полученной энергией.

[Astrodrive]

Если у внеземой цивилизавии есть некая другая математика, то возможно они удерживают термоядерную плазму без сильного электростатического поля и используют ток только для поджигания плазмы.

Им точно не нужно лить расплавленный Литий по стенкам реактора. Тогда бы реактор слишком дорого стоил и они бы вернулись к ядерным реакторам.

Для Электростатического Реактора первого поколения (давайте так его назовём), жидкий Литий пока необходим.

Основной вопрос, что происходит с графитовым электродом в Водороде при сильном нагреве.

[Astrodrive]

Вот есть одна реакция, которая не требует Водорода.

Она чисто Гелевая. Гелий - благородный газ, он не реагирует с графитом. Благородный газ вообще не реагирует не с чем.

He-2 + He-3 -> He-4 + 2p + 12.9 MeV

Ток пропускаемый через плазму достаточно мощный, чтобы поджечь термоядерную реакцию. Протоны, образующиеся в результате реакции легко удерживаются электростатическим полем и силой Лоренца, образующейся вокруг струи плазмы.

Протоны остаются в плазме и дополнительно её нагревают. Излучение от нагретой плазмы нагревает стенки реактора и греет воду в охладительных трубах. Пар крутит турбину и получается электричество.

Естественно стенки реактора покрыты жидким Литием, чтобы не засорять струю плазмы.

Получается электростатический термоядерный реактор второго поколения - Гелиевый!

[Chilik]

He-2 + He-3 -> He-4 + 2p + 12.9 MeV

К чему здесь полумифический гелий-2?
И почему количество нуклонов в реакции не сохраняется? 
Кстати, гелий реагирует с графитом. Ещё как реагирует из-за своей массы. Просто физическое распыление, заметно сильнее, чем у водорода вне "метанового пика". И ещё он любит собираться в пузырьки (voids) внутри кристаллической решётки и портить свойства вещества.

Основной вопрос, что происходит с графитовым электродом в Водороде при сильном нагреве.

Слово "сильный" непонятно. Что это такое? При 900 К это один механизм разрушения графита, при 1500 К - другой, при 4500 К - третий. И зря Вы думаете, что это кому-то неизвестно из тех, кому это реально нужно.

[Дем]

Она чисто Гелевая. Гелий - благородный газ, он не реагирует с графитом. Благородный газ вообще не реагирует не с чем.

Международная команда исследователей из России, Китая, США, Германии и Италии бросила вызов основам классической химии и объявила, что ей удалось создать первое стабильное соединение гелия – гелид натрия. В работе принимали участие сразу несколько российских специалистов, работающих как на родине, так и за рубежом
Гелид натрия представляет собой твёрдое вещество, структура которого похожа на флюорит – соединение кальция с фтором, который является соседом гелия по периодической таблице. В кристаллической решётке каждый атом гелия окружён восемью атомами натрия. Для лучшего понимания можно представить себе трёхмерную шахматную доску, половина кубов которой занята атомами гелия, а в центре второй части локализованы электроны.

[Astrodrive]

He-2 + He-3 -> He-4 + 2p + 12.9 MeV

К чему здесь полумифический гелий-2?
И почему количество нуклонов в реакции не сохраняется? 

Это Гелий 3 плюс Гелий 3 = Гелий 4 + 2 протона + энергия.

Хорошая реакция так как Гелий благородный газ и ни с чем не реагирует. Гелий не реагирует с графитом и это позволяет достичь очень высоких температур катода.

Протоны не вылетают из струи плазмы (как нейтроны) и дополнительно нагревают её.

Ток определённой мощности может запустить термоядерную реакцию в Гелии.

[Chilik]

Это Гелий 3 плюс Гелий 3 = Гелий 4 + 2 протона + энергия.
Хорошая реакция.

Хорошая.
У кондово-замшелой реакции D+T максимум сечения в районе 5 барн.
Сколько у Вашей на чистом гелии-3? Порядков на 6-7 меньше, в зависимости от энергии?
Если сходу по памяти ответить не можете, то дам подсказки. Сечение этой реакции можно найти, например, тут (и ещё на всякий случай - там в основном S обсуждается, это не сечение реакции, но ничего, пересчитать не трудно):
https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.4.1532
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0375947487905306?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269396013263?via%3Dihub
Ну, удачи в строительстве.

Из хороших реакций я бы ещё посоветовал взглянуть на 4 протона в альфа-частицу.
Тоже никаких нейтронов и на Солнце работает прекрасно.

[vlad7308]

p - B11 еще

[Astrodrive]

Хорошая.
У кондово-замшелой реакции D+T максимум сечения в районе 5 барн.

Зачем, что-то строить?

У Вас есть уравнение задержки протонов в тонкой струе плазмы? Нет.

У протонов есть большая тепловая энергия. Плюс радиация из плазмы отражается от Литиевых стенок реактора. Эта суммарная энергия дополнительно подогревает плазму. Плюс здесь уже говорили, что ток может поджечь Гелиевую плазму, но не может её удержать в реакторах текущего поколения.

Вы наверное об этом тоже не подумали.

Прежде чем что-то строить нужно уравнение, а его нет ...

... И у меня его нет.

А Борон никому не нужен, наверное опасный газ.

Спасибо, учёные, что объяснили текущие проблемы в строительстве термоядерных реакторов. Идеи хорошие, есть смысл двигаться к Гелиевой реакции если в Тритии растворяется Вольфрам. Просто переходим на анализ реактора следующего поколения.