CC BY
4
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 533.9.07
Смирнов Е.П. научный сотрудник Объединенный институт высоких температур РАН
Россия, г. Москва ТВЕЛЛАРАТОР ИЛИ УДЕРЖАНИЕ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛОЙ
Аннотация. Статья посвящена проблеме реализации управляемого термоядерного синтеза, а именно методам удержания высокотемпературной плазмы в замкнутой камере от быстрой потери плазмы через стенки камеры и изложенная в ней информация может быть использована в энергетике для создания управляемого термоядерного реактора
Ключевые слова: удержание термоядерной плазмы, линейный газовый вихрь, центробежная сила, высокотемпературная плазма, твелларатор
Smirnov E.P.
Researcher
Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences
Russia Moscow
TWIRLLARATOR OR HOLDING OF THERMONUCLEAR PLASMA BY CENTRIFUGAL FORCE
Annotation. The article is devoted to the problem of realization of controlled thermonuclear fusion, namely the methods of confining high-temperature plasma in a closed chamber from the rapid loss of plasma through the chamber walls and the information contained therein can be used in power engineering to create a controlled thermonuclear reactor.
Keywords: the holding of thermonuclear plasma, the linear gas vortex, the centrifugal force, the high temperature plasma, twirllarator
"Первой по важности задачей физики 21-ого столетия остается решение проблемы управляемого термоядерного синтеза". В.Л. Гинзбург (Задачи физики 21-ого столетия. Выступление в Курчатовском институте
2002 г)
Уже много лет прошло с тех пор, как была получена "устойчивая" плазма, просуществовавшая "целых" 0,01 секунды. За эти годы построены многочисленные установки для проведения термоядерных реакций, призванные навечно обеспечить человечество термоядерной энергией. Однако установки есть, созданы институты и заводы для этих целей, проведены конференции и чествования. Нет лишь самого термояда, для которого все это затеяно, и уже закрыт не только у нас, но и за рубежом ряд программ по термояду.
До сих пор для получения энергии люди пользовались процессами земного происхождения, наблюдаемыми в естественных условиях, например, горение, сила падающей воды, сила ветра и так далее. Синтез легких ядер при очень высоких температурах широко распространен в природе, но не на Земле, а в недрах звезд, где вещество находится в плазменном состоянии. К числу таких реакций относится образование гелия из водорода, происходящее, по современным представлениям, внутри Солнца при температуре около 20 млн. градусов. Именно эта реакция и поддерживает температуру Солнца. Освободить эту энергию в виде сравнительно спокойного горения, пригодного для мирного потребления - в этом и состоит проблема управляемого термоядерного синтеза.
В чем же причины тех исключительных трудностей, вставших на пути, который природа бесконечно давно и успешно реализует в супермасштабах? И почему физикам пришлось занести управляемый термоядерный синтез под номером 1 в список своих проблем по степени трудности и значимости?
В природе плазма удерживается благодаря гравитационным силам. Вместо гравитационных сил советские физики И.Е. Тамм и А.Д. Сахаров предложили для удержания плазмы использовать магниты. Магнитное поле действует на заряженные частицы - электроны и ионы, из которых состоит плазма. Оно закручивает их и заставляет собираться в компактный сгусток.
Построенные вначале плазменные установки, в которых магнитные силовые линии имели самые хитрые конфигурации - "бутылки", "пробки", "зеркала", "восьмерки", - действительно удерживали плазму в своих невидимых пределах, но только в течение слишком малого времени -порядка микросекунд. Оказалось, что виной тому - нестабильности плазменных образований: либо плазменный сгусток как целое начинал пульсировать и изгибаться и уходил из ловушек на стенки камеры, либо происходила внезапная передача энергии от многих частиц небольшому их числу и те с большой скоростью прорывались сквозь "окружение" [1]. Однако в настоящее время на токамаках JET и JT-60U уже получена мощность термоядерной реакции, сравнимая с мощностью создания плазмы, и на этой основе проектируется международный токамак - реактор ИТЭР. И все же до практического применения управляемого термоядерного реактора на основе удержания термоядерной плазмы магнитным полем далеко, так как на первый план выступают такие характеристики реактора, как эффективность, технологичность, цена получаемой электроэнергии, экологичность.
Нельзя ли предложить иной путь?
Мощное гравитационное поле звезды, например, Солнца, не дает основной массе нагретого до очень высоких температур водорода ускользнуть в космическое пространство. Не могут уйти и продукты реакции синтеза, выделяя тепло и разогревая другие частицы. Считается, что такой режим самонагрева и самоудержания плазмы не может быть осуществлен на Земле. Однако поведение тела в ускоренно движущейся системе
равнозначно поведению тела в присутствии эквивалентного гравитационного поля тяжести. Это качественное соображение лежит в основе общей теории относительности Эйнштейна.
Итак, на Земле можно организовать такое ускоренное движение системы, которое по действию на тело эквивалентно действию гравитационного поля тяжести. Таким ускоренным движением может быть равномерное вращение системы, которое создает в системе центробежную силу инерции и которую можно заставить служить для удержания плазмы. Таким естественным путем мы приходим к необходимости использования понятия вихря.
Начало современной теории вихревых движений положил Г. Гельмгольц, опубликовавший в 1858 г. свой мемуар "Об интеграле гидродинамических уравнений, соответствующих вихревому движению " [2,3], в котором он впервые сформулировал теорему о сохранении вихрей. Согласно этой теореме, при силах, удовлетворяющих закону сохранения энергии, невозможно создать или уничтожить уже существующий вихрь. Только после работ Гельмгольца возникла та группа вопросов и задач, которые теперь составляют предмет учения о вихрях.
ТВЕЛЛАРАТОР - новый термин, происходящий от английского слова TWIRL (вращение, кручение, вихрь). На рисунке схематически изображен ТВЕЛЛАРАТОР, который состоит из реакционной камеры 1, нижнего газового контура, куда может поступать газ с возможностью изменения его температуры и давления 2, и разделяющей их заслонки 3. В реакционной камере образуется линейный газовый вихрь 4. Вблизи реакционной камеры расположена электромагнитная система для инициирования и поддержания в реакционной камере высокотемпературной плазмы 5 , для чего возможно использование и других известных средств.
I
Картина явлений в ТВЕЛЛАРАТОРЕ следующая.
1.Нижний газовый контур и реакционная камера заполняются газом (например, смесью и Тг). Заслонка закрыта. Включают вращение системы и добиваются устойчивого вращения газового вихря в реакционной камере.
При вращении цилиндрической реакционной камеры с газом внутренний прилегающий слой газа увлекается камерой и начинает участвовать во вращательном движении. Вблизи внутренней поверхности вращающегося цилиндра слой газа приобретает со временем практически такую же линейную скорость, как и скорость точек на внутренней поверхности цилиндра реакционной камеры. Вследствие внутреннего трения момент количества движения передается соседним слоям газа и в конечном счете движение захватывает всю внутреннюю область реакционной камеры. Образуется линейный газовый вихрь. Центробежные силы создают градиент давления и в итоге система удерживается в равновесии.
В отличие от жидких вихрей, центр которых заполнен жидкостью той же плотности что и их периферия, газовый вихрь имеет трубчатую структуру с уплотненной стенкой, в которой размещается основная масса газового вихря [4]. В центральной части газового вихря давление газа понижено за счет разброса частиц из центра центробежной силой, а сам вихрь снаружи ограничен пограничным слоем с пониженными значениями температуры и вязкости и со значениями скорости вращения, плавно переходящими от скорости внешней стенки вихря к скорости вращающейся стенки реакционной камеры.
2. В нижний газовый контур подается охлажденный газ. Возможно варьирование температуры и давления газа. Заслонка открывается. Происходит отжим вихря от стенок камеры и его сжатие. Скорость вихря увеличивается.
Если на газовый вихрь по разные его стороны действует внешнее давление, то это оказывает на вихрь, как на целостную структуру, сжимающее воздействие. Сжатие тела вихря внешними силами, вызванными давлением окружающей среды, вызывает увеличение скорости вращения стенки газовой трубы вихря, причем внутреннее давление при этом падает.
В пограничном слое вокруг вихря перепады скорости, давления и температуры будут велики и значительно уменьшены вязкость и теплопроводность газа. В таких условиях кольцевое движение и тепло почти не передаются внешним слоям пограничного слоя. Такое положение вихря будет устойчивым. Стенка газового вихря будет вращаться в пограничном слое, как в подшипнике скольжения, почти не передавая пограничному слою своего движения и тепла.
3. Включают ток в электромагнитной системе возле реакционной камеры. Добиваются пробоя газа в стенке газового вихря. Газ ионизуется и протекающий по нему ток нагревает его до высокой температуры. Возможно использование и других известных средств для инициализации и поддержания высокотемпературной плазмы.
При вращении системы центробежная сила заставит холодный газ давить на стенки нижнего газового контура. Давление холодного газа в нижнем расширенном контуре, передаваемое в узкую и горячую
реакционную камеру, пересилит давление от центробежной силы легкого ионизованного газа в узкой реакционной камере.
Путем изменения радиуса нижнего газового контура при проектировании устройства, скорости вращения системы, температуры и давления газа, подаваемого в нижний газовый контур, добиваются образования в реакционной камере вихревого слоя высокотемпературной плазмы нужной температуры и его устойчивого вращения.
Использованные источники:
1.Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. - M.: Наука, 1963.
2.Helmholtz G. Wissenschaftliche Abhandlungen, Bd 1-3, Leipzig, 1882-1895; Vorlesungen uber theoretische Physik, Bd 1-6, Leipzig, 1898-1903.
3.Гельмгольц Г. Два исследования по гидродинамике. M., 1902; О сохранении силы. М.-Л.: Госиздат, 1934.
4.E.P. Smirnov - Numerical study of hydrodynamics and heat and mass transfer of two-phase flow in atmospheric tornado-forming cloud and a tornado model // High Temperature. - 2016. - № 54:2. - C. 282-289.
УДК 62
Чулин М.Д.
студент 4 курс, факультет «Автомобильно-дорожный» Санкт-Петербургский государственный архитектурно-
строительный университет Россия, г. Санкт-Петербург ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЯ ЗА СЧЕТ
СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ Аннотация: В статье рассматриваются современные системы безопасности, позволяющие автотранспортному средству избежать дорожно-транспортные происшествия.
Ключевые слова: автотранспортное средство; антиблокировочная система; антипробуксовочная система; система распределения тормозных усилий; система экстренного торможения; электронная блокировка дифференциала; система курсовой устойчивости.
Chulin M. D.
student 4 course, faculty "Automobile and road" Saint-Petersburg state University of architecture and construction
Russia, Saint-Petersburg IMPROVING VEHICLE SAFETY THROUGH MODERN SYSTEMS Abstract: The article deals with the modern security system that allows a motor vehicle to avoid traffic accident.
Keywords: vehicles; antilock braking system; traction control; brake force distribution; brake assist system; electronic differential lock; electronic stability control.
