Перспективы человечества с термоядом

[MenFrame]

Нет, это не обязательно.

Ну если основные потери идут не вдоль, а поперек ловушки, значит они идут на стенку. А значит идет эрозия стенки и отравление реактора. Если конечно речь не идет об открытом космосе.

Это не для амбиполярного, а вообще для любого. В этом плане тут никакой специфики у амбиполярной нет.

Конечно проблема золы будет у любого типа ловушки. Просто проблема золы сама себя усиливает. И даже небольшое увеличении золы приводит к серьезному изменению баланса потерь.

[AlexAV]

Конечно проблема золы будет у любого типа ловушки. Просто проблема золы сама себя усиливает. И даже небольшое увеличении золы приводит к серьезному изменению баланса потерь.

Нет, нет ничего подобного. Тут влияние вообще для любого типа ловушки совершенно одинаково, особенно если мы говорим о He-3-D реакции. Влияние одинаковых концентраций золы на реактивность плазмы совершенно не зависит от типа ловушки. На интегральную мощность тормозных и синхротронных потерь, при равном давление и температуре плазмы в ловушке, продукты He-3-D реакции вообще влиять не будут, т.к. заряды ядер He-3 и He-4, равно как D и p равны.

Такого типа проблема и в той же мере будут для любого типа открытых ловушек (её острота правда, видимо, связана с недостаточно эффективным удержанием быстрых протонов попадающих в конус потерь, но это опять проблема всех открытых ловушек, а не одной только амбиполярной, кроме, возможно, FRC, которая в, впрочем, в полном смысле открытой и не является, топология поля там замкнутая).

Так что, нет. Никакой особой повышенной чувствительностью к примесям по сравнению с иными типами открытых ловушек амбиполярная не обладает. В любом другом будет также (возможно FRC будет получше, но не из-за меньшего влияния примесей, а в следствие лучшего поглощения плазмой энергии быстрых протонов и меньшей вероятности их ухода из ловушки до термолизации, т.е. попросту исходное соотношение термоядерной мощности поглощаемой плазмой к потерям на излучение будет лучше, в следствие чего будет куда ухудшать).

[AlexAV]

Ну если основные потери идут не вдоль, а поперек ловушки, значит они идут на стенку. А значит идет эрозия стенки и отравление реактора. Если конечно речь не идет об открытом космосе.

Так поперечный дивертор всё равно нужен. Без него примеси со стенок в любом случае будут поступать, а при его наличие поперечные потери уже не такая уж проблема.

[Kaiserfrogling]

В этом смысле очень хороши ловушки которые автоматически сбрасывают продукты реакции - в первую очередь поливеллы.
Дополнительно они хороши тем, что в режимах низкой плотности, большинство падающих ионов не нашедших себе пару тоже вылетают за пределы рабочей зоны (расчеты Райдера к ним неприменимы уже за счет этого).

И кроме того, пару слов в защиту Хоры.
https://www.quora.com/Is-it-possible-to-build-a-fusion-reactor
Проблема классической лазерной обжимки в том, что обжимать плазмашар лазерами - все равно что обжимать воздушный шарик карандашами.
При этом он быстро приобретает вот такой вид.
.
Для решения этой проблемы было предложение несколько вариантов.

A. Direct drive: This is where the pellet is hit directly with laser pulses. The pulses can be shaped to get a better compression profile. However, there are instabilities that form around the compression (Rayliegh-Taylor and Richtmyer–Meshkov instabilities). These arise from a dense fluid pushing on a light fluid. You can think about it like trying to squash a water balloons with pencils, water squirts out the sides.
B. Indirect Drive: The indirect drive is supposed to get around the RM and RT instabilities by breaking compression up into two steps. You hit a gold cylinder around the outside and make X-rays. This leads to a more uniform compression. But by doing it in two stages, there is more opportunity to screw up alignment or lose energy.
C. Fast ignition: This idea also breaks compression into two steps. You use a normal laser pulse to compress the material into a tight ball. Then a second beam hits the “hot spot” with a high energy laser beam to kick off fusion. Containment is the same here as all ICF.
D. Heavy Ion Beam: This is same direct drive ICF, except that high energy particle beams are used instead of laser beams. Supporter argue that adding mass to the implosion will reduce the instabilities.
E. Magneto-inertial Fusion – This is being developed by Dr. Scott Hsu at Los Alamos with an ARPA-E grant. It is pictured below. The concept is to have a series of plasma cannons inject high density plasma into the center of a chamber. You can think of it as a version of ICF. One of the selling points is that the plasma cannon is lower density – leading to a reduction in the Rayleigh-Taylor and RM instabilities.

Хора использует идею номер три - Fast ignition, двухтактную обжимку. Один лазер обжимает, другой греет.
Плазма в этом режиме анизотропная, расчеты Райдера к ней неприменимы. Кроме того, в этом режиме вполне возможно дойти до пресловутых 6 г\см2, необходимых для рёнтгеновской непрозрачности.
Попутно напомню формулу Клейна-Нишины:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Klein-Nishina_distribution.png
 

[MenFrame]

Влияние одинаковых концентраций золы на реактивность плазмы совершенно не зависит от типа ловушки.

Ну в том то и дело что они не одинаковы.

На интегральную мощность тормозных и синхротронных потерь, при равном давление и температуре плазмы в ловушке, продукты He-3-D реакции вообще влиять не будут, т.к. заряды ядер He-3 и He-4, равно как D и p равны.

Протонная зола долго в реакторе не задерживается, копятся именно ядра гелия, а так же другие более тяжелые ионы.

Так поперечный дивертор всё равно нужен.

Дивертор предполагает наличие открытых магнитных линий, зачем их создавать если у нас и так есть конус потерь. Дивертор нужен замкнутым системам, у которых нет естественного ухода плазмы. Наличие вольфрамового дивертора, в случае гелия3 будет плазму больше портить чем чистить.

Без него примеси со стенок в любом случае будут поступать, а при его наличие поперечные потери уже не такая уж проблема.

И они будут уходить через пробки, если там не будет амбиполярного потенциала. Кстати амбиполярный потенциал будет в любом случае если его не подавлять. Только он будет с обратным потенциалом. А значит будет работать наоборот на высасывание, частиц с большим зарядом.

[AlexAV]

Ну в том то и дело что они не одинаковы.

Ну и в чём с Вашей точки зрения состоит различие? Влияние на реактивность одинаково для ловушки абсолютно любого типа. Влияние на излучение тоже. Тут нет никакой разницы амбиполяной ловушки с любой другой.

Протонная зола долго в реакторе не задерживается, копятся именно ядра гелия, а так же другие более тяжелые ионы.

Те протоны, которые успевают термолизоваться вполне себе удерживаются не сильно хуже дейтронов. Правда их термолизация идёт довольно медленно и многие будут успевать уйти до того как передать свою энергию плазме (а протоны ведь уносят 80% энергии синтеза), что на самом деле плохо. Впрочем это проблема не только амбиполярной ловушки, но вообще для любой открытой ловушки. Если быстрый протон попал в конус потерь - то он уходит и помешать этому практически невозможно.

Дивертор предполагает наличие открытых магнитных линий, зачем их создавать если у нас и так есть конус потерь. Дивертор нужен замкнутым системам, у которых нет естественного ухода плазмы.

Классическая диффузия поперёк поля есть? А значит за счёт этого без дивертора на первую стенку будет падать большой поток частиц и её сильно распылять. И всё что будет лететь со стенки - окажется в плазме.  Причём чем длиннее будет эта ловушка - тем больше окажется это поток примесей.

Дивертор нужен не только чтобы что-то выводить из плазмы, но и чтобы создать барьер для поступления примесей между основным плазменным объёмом и стенкой. Без него при реалистичных коэффициентах распыления ничего кроме D-T реакции заставить работать нельзя, да и ту с трудом. Есть твёрдая поверхность - значит между ней и основным объёмам плазмы должна быть область с такими магнитными поверхностями, чтобы частицы там не удерживались и легко уходили, т.е. тот самый дивертор. Иначе поток примесей со стенки будет совершенно неприемлемым.

Кстати амбиполярный потенциал будет в любом случае если его не подавлять. Только он будет с обратным потенциалом. А значит будет работать наоборот на высасывание, частиц с большим зарядом.

Так будет только в классической зеркальной ловушке, которая впрочем дать достаточный коэффициент усиления мощности неспособна принципиально. При сколько-нибудь эффективном концевом запирание потери идёт в газодинамическом режиме, и тогда, если нет запирающего потенциала,  потери определяются объёмом области фазового пространства в которой частицы эффективно не удерживаются, в этом случае этот электростатический потенциал на удержание влияет слабо. Если же запирающий потенциал есть - получается случай амбиполярной ловушки. Нужно отметить, что даже без запирающего потенциала в газодинамическом режиме время удержания тяжёлых ионов будет больше времени удержания лёгких (тут правда будет играть роль не заряд, а масса). Поток потерь тут будет пропорционален скорости ионов, а для тяжёлых она меньше.

Вот правда для He-3-p это всё не так существенно по той причине, что у тут заряды ионов исходного и золы попросту одинаковые, а массы отличаются не сильно. Однако если же ловушка будет плохо удерживать He-3 - то она, очевидно, для He-3-D реактора совершенно не годится, He-3 - основной компонент топлива. Если она хорошо удерживает He-4 - начинаются проблемы с золой. При этом невозможно построить ловушке, которая хорошо бы удерживала He-3, но при этом не удерживала бы He-4.  Вот такое вот получается противоречие здесь.

[MenFrame]

Тут нет никакой разницы амбиполяной ловушки с любой другой.

Разница вроде очевидна. Амбиполярная ловушка селективно накапливает ионы с большим зарядом и весом.

Те протоны, которые успевают термолизоваться вполне себе удерживаются не сильно хуже дейтронов.

Но хуже гелия.

Дивертор нужен не только чтобы что-то выводить из плазмы, но и чтобы создать барьер для поступления примесей между основным плазменным объёмом и стенкой.

И что есть работы в которых описывается необходимость дивертора в открытой ловушке?

Нужно отметить, что даже без запирающего потенциала в газодинамическом режиме время удержания тяжёлых ионов будет больше времени удержания лёгких (тут правда будет играть роль не заряд, а масса).

Малая скорость это одно. А амбиполярный потенциал их вообще будет запирать. Тогда без дивертора действительно не обойтись.

Однако если же ловушка будет плохо удерживать He-3 - то она, очевидно, для He-3-D реактора совершенно не годится, He-3 - основной компонент топлива. Если она хорошо удерживает He-4 - начинаются проблемы с золой. При этом невозможно построить ловушке, которая хорошо бы удерживала He-3, но при этом не удерживала бы He-4.  Вот такое вот получается противоречие здесь.

Противоречия здесь особого нет. Так как любой ион топлива впрыснутого в реактор, имет лишь некоторую вероятность, того что он сгорит. Для Д+Т эта вероятность чуть выше процента. Для Гелия3 повидимому эта вероятность нужна раза в два-три больше чтобы сошелся энергобаланс. Тем не менне основная часть топлива в любом случае будет вылетать не прореагировав, а вместе с ней и весь накапливаемый мусор. Потому дивертор в открытой ловушке мне кажется какой то плохой шуткой.

[MenFrame]

Проблема классической лазерной обжимки в том, что обжимать плазмашар лазерами - все равно что обжимать воздушный шарик карандашами.

Это неверная аналогия. При прямом обжатии мишени лазером не кто не концентрируется на какой то точке сферы ядерной мишени. Лупят по всей сфере. Тем не менее избежать асимметрии сжатия не получается. Где то лазерного прихода чуть больше чем надо.
Проблему возможно удастся решить с помощью ионного драйвера. Там как раз будет необходимый мягкий рентген без использования хольраума.

[AlexAV]

Разница вроде очевидна. Амбиполярная ловушка селективно накапливает ионы с большим зарядом и весом.

При анализе влияния золы для He-3-D реакции это не очень существенно по той причине, что заряды ядер продуктов реакции в точности равны зарядам реагирующих ядер. Опять же если мы вводим в модель поперечные неселективные потери, то это вообще практически нивелирует эффекты этой селективности. Не в этом тут проблема.

А амбиполярный потенциал их вообще будет запирать.

Поперечные потери всегда есть и они будут выводить ионы с высокими зарядами. Вообще при определённом соотношение запирающего потенциала и поперечного времени удержания всю эту селективность можно свести практически к нулю. Только это не поможет, т.к. не в этом проблема, а судя по всему, в недостаточно эффективной термолизации быстрых протон. Попросту они уходят из ловушки до того как успевают отдать свою энергию плазме. А это будет практически в равной мере проблемой любой открытой ловушки вне зависимости от способа концевого запирания. Попросту для 14 МэВ-ного протона любая открытая ловушка будет мало отличаться от простой зеркальной ловушки, он всех тех ухищрений, которые используют для концевого запирания вообще не заметит.

Потому дивертор в открытой ловушке мне кажется какой то плохой шуткой.

И зря. Его функция не только в том чтобы что-то выводить из плазмы, но и в том, чтобы не допускать её загрязнения. Возьмём ту же литиевую стенку. Скорость испарения лития в вакууме (термического, даже без распыления ионами) выглядит так:



Возьмём скорость испарения 10^-5 г/см² ч (такой будет при температуре ниже 300 градусов, что на самом деле уже не очень хорошо с точке зрения возможности эффективного преобразования энергии реактора). Это соответствует потоку  частиц 2,4 10¹⁴ см^-2с^-1. При типичной плотности плазмы 10¹⁴ см^-3, диаметре плазменного шнура 1 метр и времени удержания 5 секунд (это приблизительно будет соответствовать критерию Лоусена для He-3-D в точке с оптимальной температурой), если весь этот поток лития со стенки окажется в плазме, стационарная концентрация лития будет 0,48 10¹⁴ см^-3, половину всего, что находится в плазме. Естественно в этом случае ничего работать не будет. Уже эта оценка показывает, что между плазмой и стенкой абсолютно необходим барьер, который бы препятствовал попаданию того, что с этой стенки летит в плазму. Без этого ни о каком He-3-D реакторе или D-D реакторе и речи быть не может. Дивертор как раз отчасти выполняет эту функцию. Сможет ли он бороться с этим достаточно эффективно - тоже вопрос (проблема загрязнения плазмы для He-3-D и D-D реактора может быть вообще фатальной и нерешаемой), но без такого барьера точно ничего работать не будет.

[MenFrame]

И зря.

Я спорить не буду. Тонкости работы ТЯР я знаю плохо. Меня интересует, встречали ли вы в научных работах обоснование необходимости использования дивертора в открытых ловушках? Если вы правы то это для меня очередной взрыв мозга. Я всегда считал что одно из приемуществ открытых ловушек в том что роль дивертора в нем выполняет конус потерь.

Кстати если действительно устанавливать дивертор в ОЛ то исходя из ее геометрии(отношении площади стенки к энергии в плазме) тепловая нагрузка на дивертор по идее должна быть меньше чем в токамаке, потому дивертор имеет смысл делать из материала с малым Z, то есть графита или бериллия.

[MenFrame]

Попросту для 14 МэВ-ного протона любая открытая ловушка будет мало отличаться от простой зеркальной ловушки, он всех тех ухищрений, которые используют для концевого запирания вообще не заметит.

Для того чтобы вылететь из ОЛ ему все равно нужно попасть в конус потерь. Длинна ОЛ для Д+Г3 будет не маленькой, а пробки на концах можно сделать очень сильные. Итого конус потерь будет очень узким, а значит есть высокая вероятность для достаточной термализации протона.

   Кстати насколько велик канал термализации протона 14 мэв через взаимодействие с ионами плазмы. Я слышал что для протонов с энергией выше 5 мэв сечение кулоновского взаимодействия сравниваются с ядерным. Не отсюда ли идет термин "Горение на ядрах отдачи"

[Kaiserfrogling]

Возьмём ту же литиевую стенку.

А зачем нужна литиевая стенка в д-ге3 и остальных типах безтритиевого термояда, не нуждающихся в регенерации трития?
Строго говоря - зачем она  в ДТ?

[MenFrame]

А зачем нужна литиевая стенка в д-ге3 и остальных типах безтритиевого термояда, не нуждающихся в регенерации трития?

Для того чтобы снизить потери плазмы связанные с загрязнением ионами поступающей с первой стенки. Сейчас предлагают использовать бериллий заряд 4, вес 9, у лития заряд 3 вес 7. Соответственно у лития  тормозные потери будут в 1,7 раз меньше, потери на рекомбинацию в 2,37 раз меньше. Ну и время жизни в ловушке в 1,4 раза меньше.

[Kaiserfrogling]

Это так. Однако рассуждая об использование поляризованных ядер для вещества со столь большим Z, как бор часто забывают одну мелочь.  Оператор спина ядра не коммутирует с гамильтонианам водородоподобного иона, а это значит, что возникающие при фоторекомбинации водородоподобные ионы не будут иметь определённого значения спина ядра, т.е. фоторекомбинация будет вести к деполяризации ядер плазмы.  А сечение фоторекомбинации растёт с зарядом ядра как Z5 и для бора его скорость будет превышать скорость синтеза. Ядро бора будет деполяризовываться быстрее, чем сгорит (для ядер водорода это не так, т.е. путём поляризации эффективность D-T поднять можно, но для более тяжёлых ядер, из-за очень быстрого роста сечений процессов деполяризации с ростом заряда ядра, этот путь совершенно не годится).

Чуть не забыл.
http://adsabs.harvard.edu/abs/1998APS..DPPR8M309M

Spin Polarization of proton and B^11 Beams for the Colliding Beam Fusion Reactor (Monkhorst, Hendrik J.; Rostoker, Norman; Binderbauer, Michl)
The kinematics of the p+B^11 resonant fusion reaction, including angular momentum conservation, shows that it is possible to enhance its cross section by polarizing the spins of p and B^11 (N. Rostoker, M. Binderbauer and H.J.Monkhorst, Science 278), 1419(1997).. The maximum spin enhancement is 60 percents, to be compared with enhancements of 50 percents for d-t and d-He^3 fusion. There may be an additional enhancement for p-B^11 due to the prolate, nonspherical shape of the B^11 nucleus. However, this effect would be probably small. Schemes for nuclear polarization will be explained. These methods will use optical pumping, Stern-Gerlach and/or rf techniques. Results of some polarization kinetics will be reported. The FRC plasma at the heart of the Colliding Beam Fusion Reactor is ideally suited for the use of polarized fuel. It will be shown that depolarization rates are negligible on fusion and diffusion time scales (H. J. Monkhorst, M. W. Binderbauer and N. Rostoker, Conference Proceedings, in the press). This situation is unlike that for tokamaks, for which these rates are unacceptably large (B. Coppi et al),Phys. Fluids, 29, 4060 (1986)..

Q=4 это конечно немного, большая часть энергии установки будет уходить на поддержание горения. Тем не менее коммерческий термояд вполне возможен и на таком Q

[MenFrame]

Тем не менее коммерческий термояд вполне возможен и на таком Q

Как источник отопления...

[AlexAV]

It will be shown that depolarization rates are negligible on fusion and diffusion time scales (H. J. Monkhorst, M. W. Binderbauer and N. Rostoker, Conference Proceedings, in the press).

Если фоторекомбинацией пренебрегать, что в случае с бором делать нельзя. Константа скорости фоторекомбинации для бора выше константы скорости термоядерной реакции при этом она будет обеспечивать эффективную деполяризацию. Сильно упрощённо это выглядит так:

B⁵⁺(I=3/2) + e = B⁴⁺ (F = 2) + hv

или (с почти равной вероятностью)

B⁵⁺(I=3/2) + e = B⁴⁺ (F = 1) + hv

А далее обратная ионизация:

B⁴⁺ (F = 2) + e = B⁵⁺(I=3/2) + e + e

B⁴⁺ (F = 1) + e = B⁵⁺(I=3/2) + e + e

B⁴⁺ (F = 1) + e = B⁵⁺(I=1) + e + e (с почти равной вероятностью)

В результате этого цикла с вероятностью ~1/4 ядро бора при фоторекомбинации будет менять проекцию спина на 1/2. В результате скорость фоторекомбинации и деполяризации для бора будут величинами одного порядка.  А константа скорости фоторекомбинации для бора превышает константу скорости термоядерного горения.

Q=4 это конечно немного

Вообще цикл производства не замыкается. КПД преобразования энергии уходящий из плазмы в электроэнергию (почти вся мягкий рентген, который можно преобразовывать только тепловыми машинами) - в лучшем случае около 40%. КПД гиротронов вводящих энергию в плазму процентов 60%, генераторов нейтральных пучков <50%. Итого 4*0,4*0,6 < 1. Т.е. такой реактор обречён потреблять из сети больше электроэнергии, чем производить.

Минимальный коэффициент усиления мощности при котором можно говорить о коммерческом термояде Q = 10.   

[Kaiserfrogling]

Как источник отопления...

А почему бы и нет?
Нейтроны при п-Б все таки есть, от реакции бора с альфа-частицами.
Но ее сечение очень низкое, поэтому нейтронов от п-Б намного меньше чем от уранового реактора. Долгоживущих изотопов реактор не производит.
Поэтому, в холодном климате без сейсмоактивности, например в России, вполне возможно использовать п-Б как термоядерную теплоэлектроцентраль.

А особо мнительным и бескомпромиссным рекомендую обратить внимание на плазменный фокус.
При росте магнитного поля гирорадиус электрона падает, что не только напрямую сокращает вероятность столкновения электронов с ионами, но в сильным магнитных полях - и ставит минимальный предел на передачу энергии от иона электрону (в русской научной традиции это называется "квантовой реверсией", а в английской "QUANTUM MAGNETIC FIELD EFFECT"). По расчетам Лернера, при выходе плазмафокусера на рабочие условия взаимодействие ионов с электронами упадет в 30 раз.
Дополнительно - в плазмафокусере есть возможность запирания циклотронного излучения.   

[Kaiserfrogling]

Константа скорости фоторекомбинации для бора выше константы скорости термоядерной реакции при этом она будет обеспечивать эффективную деполяризацию.

ЭЭЭЭЭЭ, а вот это тебя не смущает:
https://bourabai.ru/physics/3373.html

т. е. фоторекомбинация может играть заметную роль лишь в плазме малой плотности при не слишком низких темп-pax
Температурная зависимость коэффициента фоторекомбинации:

[AlexAV]

ЭЭЭЭЭЭ, а вот это тебя не смущает:
https://bourabai.ru/physics/3373.html

Для водорода - это так. А вот для более тяжёлых ядер не совсем. Сечение фоторекомбинации растёт как Z⁵ и для бора, даже при температуре электронов в 100 кэВ, её скорость отнюдь не мала (в сравнение со скоростью термоядерных реакций).

[Kaiserfrogling]

Долгоживущих изотопов реактор не производит.

И небольшое уточнение. Долгоживущих изотопов прямая п-б11 реакция не производит, но есть параллельная:
11B + p → 11C + n − 2.8 MeV.
К счастью она эндотермична, и чем ниже температура - тем ниже ее сечение. При стандартных температурах для П-б11, ее сечение очень низкое. Кроме того, время полураспада углерода-11 20,3 мин., через 3-4 часа после остановки реактора он полностью выгорает.

Хуже обстоят дела с п-б10.
Главная реакция тут 10В+р → 4Не+4Не+3Не. Все аналогично бору-11, только вместо одной из альф ядро гелия-3.
Проблема в параллельной 10В+р → 7Ве+4Не.
Бериллий-7 имеет полураспад 53 сут, и энергию распада 477 Кев - изотоп достаточно неприятный.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Изотопы_бериллия
http://www.cyclotronzao.ru/products/the-cyclotron-radionuclides-selected/berilliy-7.php
Поэтому природный бор нуждается в тщательной очистке от бора-10, который может использоваться в нейтронной защите реактора (немного нейтронов от реакции все таки есть).