» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
 » Все публикации автора

Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Ноябрь, 2018 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №11 (20) 2018

Автор: Елочкин Сергей Владимирович, Пенсионер
Рубрика: Физико-математические науки
Название статьи: ТОКАМАК 2_0

Статья просмотрена: 4219 раз
Дата публикации: 23.10.2018

УДК 621.039.6.02

ТОКАМАК 2.0

Ёлочкин Сергей Владимирович

 

Аннотация. Попытаемся рассмотреть три варианта возможности эффективного термоядерного синтеза, используя простейшие возможности.

Ключевые слова: электрон, протон, дейтерий, тритий, коэффициент усиления, термоядерный реактор, Токамак, ИТЭР, отношение тепловой мощности, омического электрического тока плазмы.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

“Эксперименты на токамаках ведутся уже более 50 лет в различных лабораториях мира. Поскольку установка типа «Токамак» представляет собой сложную инженерную конструкцию, то для успешной работы этой устаноки требуется комплексное решение физических, технологических, инженер-ных задач. Опыт в решении таких задач, накопленный в результате полувековых исследований, позволил сформули-ровать основные принципы и начать проектировние первого международного термоядерного экспериментального реактора-токамака ИТЭР.

В этом пособии будет рассмотрено современное состояние исследований на токамаках, работающих в России и за рубежом, будут сформулированы основные проблемы, которые еще предстоит решить в преддверии создания первого реактора-токамака.” [5, с.7]

Чтобы термоядерный реактор имел экономический смысл, мощность тепловыделения в плазме должна быть достаточной, чтобы сохранялись благоприятные условия для протекания термоядерных реакций, а значение Q (коэффициент усиления или отношение тепловой мощности, генерируемой реактором, к затрачиваемой на поддержание его рботы мощности) было больше единицы. Например, у строящегося сейчас экспеиментального реактора ITER значение Q хотят довести до 10, а в других проектах - до ещё более высоких значений.

"Несколько лет назад в Японии автору случилось оказаться поздним вечером в пультовой второго по величине токамака JT60U полубезлюдный зал, заставленный дисплеями в углу, у доски небольшая группа - человек тридцать - усталых молодых людей, видимо, инженеров и физиков, у доски кто-то из лидеров. Оперативка. Что-то не ладится - видно по лицам. Вошедших не замечают. Как же всё у нас одинаково! Через день, два, а может, через месяц кто-то из них найдёт решение, препятствие преодолеют и снова пойдут дальше. Когда эта статья уже писалась, с JT60U было получено известие - Q=1,25! Токамаки продолжают движение. До конца века ещё целый год. [4, с.37]"

Я попытаюсь рассмотреть три варианта возможности эффективного термоядерного синтеза, используя простейшие возможности.

 

Первый вариант – нынешний обычный ТОКАМАК.

 

Попытаемся рассмотреть простейший вариант ТОКАМАКа. В тороидальную камеру равномерно впрыскивается смесь D (дейтерий) и T (тритий).

Рис. 1

Выражаем поступающую смесь как C (C = Const) – количество частиц в единицу времени Dt, поступающих в камеру. N(t) – в этом случае будет общее количество частиц, получающееся в камере. В простейшей схеме, можем не рассматривать либо высокую скорость поступающую смесь, либо разгонную полученную смесь в камере. При этом скорости частиц v_i, летающие по тороидальному камеру, перевычисляются все эти скорости частиц со средней скоростью:

vТi = vi – vср ,     где vср = S vi / n

(1)

В таком случае, все эти скорости v^Т_i могут иметь значение Т (температуры).

Плотность же получается просто, при делении N(t) на объём камеры.

Выберем вероятность a как ядерный синтез пары частиц в ту же единицу времени Dt. В таком виде можно записать такую формулу:

DN(t) = (C - aN(t))Dt

(2)

Преобразуя (2) и переходя к пределу при Dt®0, получим дифференциальное уравнение

N(t) + 1/a N'(t) = 1/aC

(3)

            Решение этого уравнения имеет вид :

N(t)= 1/aC( 1 – e - at )

(4)

Будем помнить о том, что вероятность a весьмя мала, но растёт при росте температуры и протности. И следует помнить, что происходят столкновения D–D, T–T и D–T. Тогда вероятность столкновения D–T получает a/3.

Однако, всего вышеуказанного совершенно недостаточно. Необходимо учитывать влияние омического электрического тока плазмы.

"Омическим режимом называется режим удержания плазмы, в котором нагрев плазменного шнура осуществляется только за счет протекания по плазме электрического тока, создаваемого вихревой обмоткой. Мощность нагрева в этом случае рассчитывается как P_heat=I_pU_L, где  I_p — ток плазмы,  U_L— напряжение на обходе плазменного шнура. L — длина связи, т.е. расстояние от области пробоя до стенки вдоль линии магнитного поля. [5, с. 14]"

Будем рассматривать как будет происходить электрического тока плазмы, выбрав небольшой отрезок тороидальной камеры, заполненного смесью ядер и свободных электронов, с учётом приложенного извне электрического поля (см. Рис. 2).

Рис. 2

"…можно записать, что сила, действующая в какой-то точке данной части пространство на любой электрический заряд величиной  q, равна:

F=qE

(5)

Здесь F зависит от того, в какой точке находтся заряд q, потому что E следует брать для этой точке." [1, с.123].

 Кроме того, "Результирующая сила, действующая на тело, равна произведению массы этого тела m на его ускорение a: " [1, с.78].

F=ma

(6)

А теперь, мы можем приравнять левые части уравнений формул (5) и (6), предварительно указав значения для электронов и протонов: m_e – масса электрона, e^- - заряд электрона, a_e – ускорение электрона, m_p – масса протона, e⁺ - заряд протона, a_p – ускорение протона.

me ae = e-E,    =>     ae = e-E/me	(7.1)
mp ap = e+E,    =>    ap = e+E/mp	(7.2)

Причём, следует помнить о соотношении значений: m_p = 1836m_e, e⁺ = -e^- (или |e⁺| = |e^-|), и тогда получается, что a_e = -1836a_p.

Следуя тому, что электрону и протону приходится, под воздейсвием электрического поля, двигаться по направлению противоположно друг другу, то они либо пролетают мимо, либо отклоняются по гиперболическим  или параболическим отклонениям, либо сталкиваются. В случае же эллиптических происходит рекомбинация частиц.

Выберем среднее время свободного движения частиц до столкновения – τ, (с). Можно упомянуть, что используются энергетическое время жизни – τ_e [5, с.14], или характерное время «остывание» плазмы [3, с.12].

В таком случае, что v_e = τ a_e и v_p = τ a_p , и v_e = 1836v_p (без учёта знака).

Тогда, получается, что полный ток плазмы будет соответствовать сумме токов протонов и электронов: I = I_e + I_p, где I_e = 1836 I_p.

Из всего вышеуказанного, получается, что подавляющее количество столкновений частиц плазмы будут составлять столкновения между протонов и электронов, что при увеличении тока будут всё больше получаться нейтроны [6, с.8], что и происходит в указанных ТОКАМАКах. В этом случае, вероятность a будеть практически ничтожна.

 

Второй вариант – встречные пучки D и T.

 

Попытаемся рассмотреть что в шаровую камеру впрыскиваются D и T с противоположных сторон. В этом случае происходят столкновения исключительно D и T.

Кроме того, летят друг в друга со скоростями частиц v_i, т.е. перевычислять со средней скоростью в формуле (1) не требуется.

Вероятность a как ядерный синтез пары частиц в ту же единицу времени Dt (как C=Const – количество частиц, поступающих в камеру). В таком виде можно записать такую формулу:

N = aC

(8)

В этом смысле a как вероятность имеет значение площади эффективного взаимодействия не зависит от температуры (хотя эта величина вероятности тоже весьма мала).

 

Третий вариант – объединим первый и второй.

 

Попытаемся рассмотреть вариант две тороидальные камеры ТОКАМАКа, равномерно впрыскивается D (дейтерий) в одну тороидальнуя камеру и T (тритий) в другую, объединяет обоих камер в восьмёрку:

 

В этом случае происходят столкновения частиц в области встречных потоков. Получается, что, с одной стороны, это уравнение (4) справедливо для первого варианта ТОКАМАКа, но значения вероятности a - во втором, т.к зависеть не от v^Т_i, а от v_ср в формуле (1), что такая вероятность во много раз больше. Кроме того, вероятность столкновения D–T получает не 1/3a, а просто a.

Если посмотреть с верхней стороны, можно использовать четыре вида ТОКАМАКа 2.0 :

Заштрихована область, в которой происходят столкновения встречных потоков частиц исключительно D–T, вне этих областях столкновений никаких не происходит.

Кроме того, следует помнить, что в заштрихованной области будет отсутствовать ток. Вне зависимости, было ли поджиги двойного ТОКАМАКа или впрыскивания встречных потоков ядер.

 

Заключение.

 

Таким образом, нет необходимости строить колоссальные реакторы обычных нынешних ТОКАМАКов огромной энергии, а построить что-нибудь более мелкого, в котором указывается энергия около 10 Кэв (или чуть больше) при D–T (при D–D указывается энергия около 100 Кэв).

А ведь может и получится новый термоядерный реактор. Или даже космический двигатель.

К сожалению, мною написанная статья весьма примитивна, ввиду моей инвалидности. Но ведь найдётся кто-нибудь, кто либо разгромит эту статью, либо более обширно и грамотно её использует.

А назвать этот новый термоядерный реактор можно хоть «ТОКАМАК 2.0», хоть «Дубль ТОКАМАК» - да как кому угодно. Хоть «Ауслейзерская Пупка».

 

Список литературы:

1. "Берклеевский Курс Физики, том I Механика", Ч.Киттель, У.Найт, М.Рудерман
2. "Берклеевский Курс Физики, том II Электричество и магнетизм", Э. Парселл
3. "Токамаки: триумф или поражение?", Природа, №11, 1999 г., С.В. Мирнов
4. "Токамаки: триумф или поражение?", часть 2, Природа, №12, 1999 г., С.В. Мирнов
5. "Современные исследования на установках «Токамак» ", Федеральное агенство по образованию Московский инженерно-физический институт (Государственный Университет), Учебное пособие, Москва 2008, Н.А. Кирнева
6. "О некоторых особенностях взаимодействия электрона с протоном", Попенко В.И., «Молодий вчений», № 7 (22), Частина 1, липень, 2015 р.
7. "Справочный по математике (для научных работников и инженеров)", Корн Г., Корн Т. Издательство “Наука”, Москва, 1972 г.



Комментарии:

Фамилия Имя Отчество:
Комментарий: