Импульсная мощность радиосистемы 3,5 гигаватт — это не так много по сравнению с мощностью лазерной установки NIF равной 500 ТВт. Комплекс NIF состоит из 192 мощных лазеров.(https://ru.wikipedia.org/wiki/National_Ignition_Facility)
В импульсе света от лазеров NIF на Т/Я мишени была сконцентрирована энергия в 1,8 Мегаджоулей, что в 51 раз превышает энергию Qgirtrn=3,54E+11 эрг СВЧ лучей импульсных гиротронов (или гироклистронов, гироЛБВ). КПД импульсных микроволновых радиосистем порядка 50%, что больше чем КПД лазерных систем NIF в 10 раз. Поэтому стоимость лазеров NIF тоже раз в 50 больше стоимости импульсных гиротронов на энергию Qgirtrn 35,4кдж.
Расчет параметров СВЧ лучей, необходимых для нагрева плазмоида и создания магнитных полей в плазмоиде для его магнитной термоизоляции:
Имена констант в расчете:
kb 1,38E-16 эрг/К постоянная Больцмана
me 9,00E-28 г масса электрона
mi 2,00E-24 г масса иона дейтерия
cs 3,00E+10 см/с скорость света
ee 4,80E-10 сгс заряд электрона
z 1,00E+00 заряд иона в относительных единицах
pi 3,14E+00 пи число пи
Расчет суммарной энергии СВЧ лучей Qgirtrn, необходимой для нагрева плазмы и генерации магнитного поля:
v имплозии 4,00E+05 см/с средняя скорость имплозии Be-цилиндра
Qgirtrn 3,54E+11 эрг энергия СВЧ лучей импульсных гиротронов (или гироклистронов, гироЛБВ)
Rp 4,50E+00 см начальный радиус плазмоида
V 3,82E+02 см^3 4/3*pi*Rp^3 начальный объём плазмоида
lx 4,50E+00 см Rp характерная длина поглощения СВЧ лучей в плазмоиде
ni 1,25E+17 см^-3 ni концентрация ионов в плазмоиде
Te 1,60E-10 эрг Kb*Te=(Qgitrn/V-Hmax^2/(4*pi))/2/ni=100 ev температура электронов в плазмоиде
ve 7,30E+08 см/с КОРЕНЬ(3*Te/me) тепловая скорость электронов в плазме
b0 4,80E-10 см2 z*ee^2/me/ve^2 прицельный параметр кулоновского рассеивания в плазме
Qs 2,17E-17 см2 2*pi*b0^2*15 сечение кулоновского рассеивания. Кулоновский логарифм=15
tau 5,05E-10 сек 1/(Qs*ve*ni) время пробега электронов в плазме
sig0 1,62E+16 сек-1 z*ee^2/me/Qs/ve электропроводимость плазмы
ts 4,57E-03 сек 4*pi*lx^2*sig0/cs^2 скиновое время рассасывания H поля в плазменной термопаре
H0 2,26E+06 Гс 4*pi*sig0*Te/cs/ee характерное H поле плазменной термопары по Веденову А.А.(Задачник по физике плазмы)
timp 1,00E-05 сек длительность СВЧ импульса микроволн от гиротронов
Qgirtrn — найдено из условия равенства энергии СВЧ лучей сумме энергий плазмы и магнитного поля в плазмоиде, пренебрегая потерями энергии на тормозное излучение и считая плазму покоящейся.
Расчёт напряжённости электромагнитного поля в окнах ввода СВЧ лучей, создающих тороидально-полоидальное магнитное поле в плазмоиде:
Hmax 1,06E+05 Гс (timp/ts)^0,5*H0 Амплитуда H поля созданного микроволнами в плазмоиде (Hfi Hr Hteta)
we 1,88E+12 c-1 ee*Hmax/me/cs электронно-циклотронная частота в плазмоиде
lambda 1,00E-01 см 2*pi*cs/we длина СВЧ волн импульсных гиротронов для циклотронного нагрева
R кам 5,00E+02 см внутренний радиус взрывкамеры
R ди 2,10E+01 см радиус диафрагмы (это внутренний радиус стволов для ввода импульсных СВЧ лучей гиротронов)
Rтём 1,46E+00 см 0,61*lambda/(R_ди/R_кам) радиус дифракционного тёмного пятна Пуассона в плазмоиде от СВЧ лучей
S ди/S кам 0,01764 40*pi*R_ди^2/4/pi/R_кам^2 относительная площадь 40шт окон ввода СВЧ лучей
E girtrn 4,91E+03 В/см (4*pi*Qgirtrn/40/timp/(pi*R_ди^2)/cs)^0,5*300 E-поле гиротрона в окне ввода СВЧ луча меньше пробойного в вакууме (30кВ/см)
Результаты расчетов, аналогичные расчётам, проведенным фирмой generalfusion: http://www.generalfusion.com/downloads/ICC2007_MGL.pdf Параметры плазмоида
Параметры плазмоида до сжатия после сжатия
концентрация плазмы, см-3 1,25E+17 1,16E+20
температура плазмы, эв 1,00E+02 2,46E+04
диаметр плазмоида, см 10 1,02E+00
магнитное поле в плазмоиде, тесла 7,00E+00 6,66E+02
давление плазмы в плазмоиде, бар 2,00E+01 4,57E+06
давление магнитного поля в плазмоиде и снаружи его, бар 1,95E+02 1,76E+06
тепловая энергия в объёме плазмоида P*V, дж 1,05E+03 2,57E+05
Время удержания плазмоида в сжатом состоянии, сек 1,73E-06
Термоядерное энерговыделение, дж 1,10E+07
радиальная скорость разлёта сдетонировавшего оксиликвита v0, км/с 5,00
максимальная радиальная скорость Be-лайнера, км/с v0*ln(M0/M) 10,00
Начальная масса Т/Я мишени Be-цилиндра с оксиликвитом М0, г 260,57
Конечная масса Т/Я мишени Be-цилиндра без оксиликвита M, г 35,27
масса оксиликвита M0-M, г 225,30
Конструкция металлического цилиндра Т/Я мишени может быть слоёная: наружный слой из меди или урана и внутренний слой из бериллия
Насчёт прочности взрывкамеры:
Она сделана из стали, вакуумирована, защищена демпфирующим слоем струй флайба. Поэтому взрывной импульс на её стенки приходит ослабленным. От радиационных повреждений защищена слоем струй флайба толщиной полметра. Незащищённые флайбом торцы патрубков для ввода излучения и флайба, заходящие внутрь камеры на глубину полметра, можно периодически менять.
Возможна например такая конструкция взрывкамеры:
Сверху в северном полюсе взрывкамеры — отверстие для забрасывания в её центр Be-цилиндра с оксиликвитом.
Снизу в южном полюсе взрывкамеры — отверстие для вывода вращающегося потока жидкого флайба и для ввода во взрывкамеру
замагниченного плазмоида диаметром 9см с обратным вмороженным магнитным полем.
На широте 40..50 градусов в стенках взрывкамеры расположены патрубки с отверстиями для ввода сфокусированных
лазерных и микроволновых лучей.
Когда плазмоид, двигаясь снизу вверх вдоль вертикальной оси взрывкамеры, доходит до её центра и заходит внутрь заранее вброшенного туда Be-цилиндра, плазмоид расстреливают через открытый верхний торец Be-цилиндра сфокусированными микроволновыми лучами на частоте электронно-циклотронного резонанса или на нижнегибридной частоте, чтобы подогреть плазмоид и создать внутри него тороидально-полоидальную конфигурацию магнитного поля, как в сферомаке.
В исходном варианте требуется возобновляемая при каждом новом выстреле коммутация формирующей линии. Поэтому появился оксиликвит, который при детонации обжимает Be-цилиндр. А микроволновые лучи по непересекающимся образующим однополостного гиперболоида вращения — для создания в плазме с помощью термоэдс вмороженной торидально-полоидальной конфигурации магнитного поля сферомачного типа.
Можно создать жидкосолевой взрывомагнитный термоядерный реактор с лазерным инициированием детонации ВВ на кольцевых металлических термоядерных мишенях, подаваемых в сферическую вакуумируемую взрывкамеру, защищенную вращающимся расплавом флайба. Диаметр взрывкамеры 8..10метров. Стенки взрывкамеры охлаждают потоками жидкого флайба. Термоядерная мишень устроена как лайнер MAGLIF Z-машины:
цилиндр из бериллия (Be), длиной 10см, диаметром 10см, толщиной стенки несколько миллиметров, располагают в центре сферической взрывкамеры в аксиальном магнитном поле 10Тесла с конфигурацией простой двухпробочной магнитной ловушки, создаваемом внешними катушками, расположенными снаружи взрывкамеры. На наружной поверхности Be-цилиндра — нанесено ВВ оксиликвит. (Оксиликвит — это пористый уголь или пористый бериллий, пропитанный жидким кислородом). На внутренней поверхности Be-цилиндра — слой DT топлива. Для компрессии осевого магнитного поля внутри Be-цилиндра, создаваемого наружными соленоидами, инициируют ВВ с наружной поверхности сфокусированными маломощными импульсными лазерными лучами.
Плазму внутри Be- цилиндра создают и предварительно разогревают до 300 электронвольт микроволновыми лучами, направленными по образующим однополостного гиперболоида внутрь Be-цилиндра через его верхний торец. Лазерные и микроволновые лучи направляют внутрь взывкамеры через окошки в её стенках. Диапазон длин волн лазеров — оптический или инфракрасный (0.5...10микрон), микроволн — миллиметровый (0,3..3мм).
В импульсе света от лазеров NIF на Т/Я мишени была сконцентрирована энергия в 1,8 Мегаджоулей, что в 51 раз превышает энергию Qgirtrn=3,54E+11 эрг СВЧ лучей импульсных гиротронов (или гироклистронов, гироЛБВ). КПД импульсных микроволновых радиосистем порядка 50%, что больше чем КПД лазерных систем NIF в 10 раз. Поэтому стоимость лазеров NIF тоже раз в 50 больше стоимости импульсных гиротронов на энергию Qgirtrn 35,4кдж.
Имена констант в расчете:
kb 1,38E-16 эрг/К постоянная Больцмана
me 9,00E-28 г масса электрона
mi 2,00E-24 г масса иона дейтерия
cs 3,00E+10 см/с скорость света
ee 4,80E-10 сгс заряд электрона
z 1,00E+00 заряд иона в относительных единицах
pi 3,14E+00 пи число пи
Расчет суммарной энергии СВЧ лучей Qgirtrn, необходимой для нагрева плазмы и генерации магнитного поля:
v имплозии 4,00E+05 см/с средняя скорость имплозии Be-цилиндра
Qgirtrn 3,54E+11 эрг энергия СВЧ лучей импульсных гиротронов (или гироклистронов, гироЛБВ)
Rp 4,50E+00 см начальный радиус плазмоида
V 3,82E+02 см^3 4/3*pi*Rp^3 начальный объём плазмоида
lx 4,50E+00 см Rp характерная длина поглощения СВЧ лучей в плазмоиде
ni 1,25E+17 см^-3 ni концентрация ионов в плазмоиде
Te 1,60E-10 эрг Kb*Te=(Qgitrn/V-Hmax^2/(4*pi))/2/ni=100 ev температура электронов в плазмоиде
ve 7,30E+08 см/с КОРЕНЬ(3*Te/me) тепловая скорость электронов в плазме
b0 4,80E-10 см2 z*ee^2/me/ve^2 прицельный параметр кулоновского рассеивания в плазме
Qs 2,17E-17 см2 2*pi*b0^2*15 сечение кулоновского рассеивания. Кулоновский логарифм=15
tau 5,05E-10 сек 1/(Qs*ve*ni) время пробега электронов в плазме
sig0 1,62E+16 сек-1 z*ee^2/me/Qs/ve электропроводимость плазмы
ts 4,57E-03 сек 4*pi*lx^2*sig0/cs^2 скиновое время рассасывания H поля в плазменной термопаре
H0 2,26E+06 Гс 4*pi*sig0*Te/cs/ee характерное H поле плазменной термопары по Веденову А.А.(Задачник по физике плазмы)
timp 1,00E-05 сек длительность СВЧ импульса микроволн от гиротронов
Qgirtrn — найдено из условия равенства энергии СВЧ лучей сумме энергий плазмы и магнитного поля в плазмоиде, пренебрегая потерями энергии на тормозное излучение и считая плазму покоящейся.
Расчёт напряжённости электромагнитного поля в окнах ввода СВЧ лучей, создающих тороидально-полоидальное магнитное поле в плазмоиде:
Hmax 1,06E+05 Гс (timp/ts)^0,5*H0 Амплитуда H поля созданного микроволнами в плазмоиде (Hfi Hr Hteta)
we 1,88E+12 c-1 ee*Hmax/me/cs электронно-циклотронная частота в плазмоиде
lambda 1,00E-01 см 2*pi*cs/we длина СВЧ волн импульсных гиротронов для циклотронного нагрева
R кам 5,00E+02 см внутренний радиус взрывкамеры
R ди 2,10E+01 см радиус диафрагмы (это внутренний радиус стволов для ввода импульсных СВЧ лучей гиротронов)
Rтём 1,46E+00 см 0,61*lambda/(R_ди/R_кам) радиус дифракционного тёмного пятна Пуассона в плазмоиде от СВЧ лучей
S ди/S кам 0,01764 40*pi*R_ди^2/4/pi/R_кам^2 относительная площадь 40шт окон ввода СВЧ лучей
E girtrn 4,91E+03 В/см (4*pi*Qgirtrn/40/timp/(pi*R_ди^2)/cs)^0,5*300 E-поле гиротрона в окне ввода СВЧ луча меньше пробойного в вакууме (30кВ/см)
Параметры плазмоида до сжатия после сжатия
концентрация плазмы, см-3 1,25E+17 1,16E+20
температура плазмы, эв 1,00E+02 2,46E+04
диаметр плазмоида, см 10 1,02E+00
магнитное поле в плазмоиде, тесла 7,00E+00 6,66E+02
давление плазмы в плазмоиде, бар 2,00E+01 4,57E+06
давление магнитного поля в плазмоиде и снаружи его, бар 1,95E+02 1,76E+06
тепловая энергия в объёме плазмоида P*V, дж 1,05E+03 2,57E+05
Время удержания плазмоида в сжатом состоянии, сек 1,73E-06
Термоядерное энерговыделение, дж 1,10E+07
радиальная скорость разлёта сдетонировавшего оксиликвита v0, км/с 5,00
максимальная радиальная скорость Be-лайнера, км/с v0*ln(M0/M) 10,00
Начальная масса Т/Я мишени Be-цилиндра с оксиликвитом М0, г 260,57
Конечная масса Т/Я мишени Be-цилиндра без оксиликвита M, г 35,27
масса оксиликвита M0-M, г 225,30
Конструкция металлического цилиндра Т/Я мишени может быть слоёная: наружный слой из меди или урана и внутренний слой из бериллия
Она сделана из стали, вакуумирована, защищена демпфирующим слоем струй флайба. Поэтому взрывной импульс на её стенки приходит ослабленным. От радиационных повреждений защищена слоем струй флайба толщиной полметра. Незащищённые флайбом торцы патрубков для ввода излучения и флайба, заходящие внутрь камеры на глубину полметра, можно периодически менять.
Возможна например такая конструкция взрывкамеры:
Сверху в северном полюсе взрывкамеры — отверстие для забрасывания в её центр Be-цилиндра с оксиликвитом.
Снизу в южном полюсе взрывкамеры — отверстие для вывода вращающегося потока жидкого флайба и для ввода во взрывкамеру
замагниченного плазмоида диаметром 9см с обратным вмороженным магнитным полем.
На широте 40..50 градусов в стенках взрывкамеры расположены патрубки с отверстиями для ввода сфокусированных
лазерных и микроволновых лучей.
Когда плазмоид, двигаясь снизу вверх вдоль вертикальной оси взрывкамеры, доходит до её центра и заходит внутрь заранее вброшенного туда Be-цилиндра, плазмоид расстреливают через открытый верхний торец Be-цилиндра сфокусированными микроволновыми лучами на частоте электронно-циклотронного резонанса или на нижнегибридной частоте, чтобы подогреть плазмоид и создать внутри него тороидально-полоидальную конфигурацию магнитного поля, как в сферомаке.
цилиндр из бериллия (Be), длиной 10см, диаметром 10см, толщиной стенки несколько миллиметров, располагают в центре сферической взрывкамеры в аксиальном магнитном поле 10Тесла с конфигурацией простой двухпробочной магнитной ловушки, создаваемом внешними катушками, расположенными снаружи взрывкамеры. На наружной поверхности Be-цилиндра — нанесено ВВ оксиликвит. (Оксиликвит — это пористый уголь или пористый бериллий, пропитанный жидким кислородом). На внутренней поверхности Be-цилиндра — слой DT топлива. Для компрессии осевого магнитного поля внутри Be-цилиндра, создаваемого наружными соленоидами, инициируют ВВ с наружной поверхности сфокусированными маломощными импульсными лазерными лучами.
Плазму внутри Be- цилиндра создают и предварительно разогревают до 300 электронвольт микроволновыми лучами, направленными по образующим однополостного гиперболоида внутрь Be-цилиндра через его верхний торец. Лазерные и микроволновые лучи направляют внутрь взывкамеры через окошки в её стенках. Диапазон длин волн лазеров — оптический или инфракрасный (0.5...10микрон), микроволн — миллиметровый (0,3..3мм).