Маленький Шаг в Будущее

Системы самой сложной машины ЧеловечестваИтогом всех вышеописанных физических коллизий стал простой вывод.Нужно строить не просто токамак. И даже не просто токамак предельных параметров по оборудованию. А токамак предельных параметров чудовищного размера. И другого пути к устойчивому горению плазмы наука просто-напросто не видит. Может, они будут лет через двадцать - но работать надо уже сейчас. В том числе - нарабатывать данные на новом масштабе установки.Исследовательский термоядерный реактор ITER - именно эта машина будет определять развитие физики плазмы ближайшие десятилетия. И он столь огромен, масштабен и сложен, что каждый отдельный элемент его - настоящий инженерный шедевр. А целые системы - каждая является сложным комплексом из совершенно безумного в своей навороченности оборудования.Человечество готово взламывать преграды на этом пути "брутфорсом" - грубой силой масштаба установки.Каждая система этого токамака начинается с простой констатации факта - "самая большая и сложная в истории".Вот по системам мы дальше и пойдем - описывая сложности проектирования, изготовления и создания таких научных шедевров.Из чего состоит токамак?Самые большие и сложные в мире:Криостат - огромная банка, внутри которой собран токамак и поддерживается температура, близкая к нулю. Кельвина.Магнитная система - сложной конфигурации гигантские сверхпроводящие магниты. Вернее, три магнитных системы разного назначения.Вакуумная система - поддерживает внутри огромного рабочей камеры глубокий вакуум, превышающий разреженность межпланетного пространства Солнечной СистемыРабочая камера - сама тороидальная, она же бубликовая, рабочая зона горения плазмы с изумительной точностью изготовленияПередняя стенка - отдельно изготовленная и периодически меняющаяся поверхность рабочей камеры, что будет принимать на себя все нагрузки и контактировать с горячей плазмой при срыве удержания магнитной системой. А такое происходит регулярно.Дивертор - особый слой передней стенки, на который отводится часть плазмы. Большой разговор почему же именно так, но - надо. И на дивертор приходится постоянная контактная нагрузка в миллионы градусов.Диагностически-измерительная система - у нас же исследовательская установка, её главная задача генерировать ценные данные. Для этого надо разместить и обслуживать целую прорву датчиков всех видов, утыкав ими токамак чаще, чем волосы у гориллы на головеРобототехническая система обслуживания - после первого же запуска наш токамак начнёт беспощадно фонить, и залезть внутрь уже не выйдет. На любую работу предстоит отправлять не кожаных мешков, а железных кадавров самых разных видовСистема электропитания - на входы надо подавать весь зоопарк токов, напряжений и герцовок - от десятков до миллиона вольт. И этим всем надо управлять с предельной точностью. Как-то обходясь без коротких замыканий на миллионе вольт.Система подачи топлива - пускай его там считанные граммы - подавать надо, и строго по рецепту. С тщательным подбором рецептуры в ходе экспериментаТритиевая система - отдельный топливный компонент, работу с которым начнут далеко не сразу. Вынесен в свою систему в силу огромной опасности для человека - тритий есть радиоактивный водород, течет сквозь всё, радостно образует воду и та попадает в наш любимый человеческий организм. Кошмар любого радионадзорного ведомства, головная боль японцев на Фукусиме.И наконец, вишенкой на торте - система нагрева плазмы.Вернее, аж четыре разных системы нагрева плазмы, каждая - по своим принципам работы.Вот с них и начнём погружение в детали!Пока одноразовый завод по производству токамака работает над его созданием - у нас с вами ещё есть время!👨🏼‍💻Маленький человек🚶🏼

Квадраты, кубы и четвертые степениГреть плазму “в лоб” у нас не выходит - она остывает быстрее, чем мы ее нагреваем. Излучение работает в беспощадной четвертой степени - чем сильнее мы греем, тем сильнее она, бессердечная, остывает. И если на низких температурах это еще лечится, то при росте температуры до ста с гаком миллионов градусов - эта беспощадная четвертая степень рубит все наши попытки на корню.Ведь подведение тепла с повышением температуры ни разу не упрощается! Скорее наоборот - чем выше температура плазмы, тем необычнее способы применяются для разогрева дальше. Подогреть что угодно до таких температур - редкостно творческий процесс.Итог ключевой проблемы прост - завести Управляемый Термоядерный Синтез “в лаборатории”, как мы спичку зажигаем - в малых масштабах - в ближайшие десятилетия невозможно. Но ученых такой ответ не устраивает, у них всегда есть идеи, как обходить узкие места. Как сделать еще шажок к заветной цели.Давайте представим наш плазменный сгусток в виде “сферического в вакууме”, из известного анекдота. Как поверхность с объемом, как шар. В этом случае у нас тепловое равновесие той самой, мечтаемой, “горящей без внешнего подвода” реакции будет определяться двумя процессами - излучением и выделением тепла в процессе нашего синтеза. Подогревом изнутри.Вот в этой простейшей идее и заложена страшная судьба всех работ по УТС в ближайшие полвека. Излучение у нас идет с поверхности. А вот выделение тепла - в объеме. Поверхность - это функция от квадрата радиуса нашей “сферической в вакууме” фигуры. А вот ее объем - функция куба радиуса. Даже если у нас "бублик" реакционной зоны токамака - соотношения все равно такие же.То есть в ситуации, когда у нас излучение хронически обгоняет генерацию энергии самой реакцией у нас остается только этот самый, грубый и понятный, метод. Надо печку побольше построить, вот и всего-то делов. Тогда и согреемся.Чем больше радиус - тем больше это соотношение, объема к поверхности. Если наш шар метровый - это одно соотношение, если стометровый - совсем другое. Именно этим законом и обеспечивается такая жуткая мощь муравья, что таскает десятки своих масс, и огромные ноги слона в паре с его невозможностью прыгнуть или упасть с какой-то высоты без травм. При росте размеров - массы, функция объема, растут явно быстрее площадей и поперечных габаритов. Если мы муравья сделаем размером с человека, ничего другого в нем не поменяв - он никаких сорока своих масс не унесет, он под своей собственной массой сломается. А некоторые микроскопические пылинки, например, имеют это отношение - квадратов с кубами - столь маленькое, что давление света Солнца, идущее по площади, больше притяжения звезды, что есть функция массы, то есть объема - и пылинка улетает в космос от Солнца, что на первый взгляд просто быть не может. Однако - это один из потенциальных механизмов переноса жизни, споры некоторых бактерий достаточно малы, чтобы так перемещаться.Облако плазмы все же не есть сфера - там сложно с поверхностью. Нет ее в четком виде, как например границы земной атмосферы - она плавно уходит в бесконечность космоса, и даже на высоте МКС некое влияние еще оказывает. Черты да\нет у астмосферы не существует. Но все же излучение из центра облака на большую часть поглощается, а вот с края - уходит хорошо. Увеличиваем размер реакционной зоны - соотношение теплопотерь к теплогенерации улучшается.Вот поэтому последнее поколение термоядерных установок - это чудовищные монстры по своим размерам. Мы строим их совместными силами, пытаясь достигнуть того размера реакционной зоны, что позволит выйти в плюс на нынешнем уровне технологического развития Человечества.Тихонько надеясь, что в Светлом Будущем - это все удастся как-то уменьшить. Строить каждый раз завод по производству токамака на месте его будущей работы - это очень дорого. А сами дизайны “энергетических” реакторов на текущих технологиях - это завод по производству завода по производству одного токамака.Может, кто-то из бегающих сейчас по дворам малышей - решит эту проблему по-другому...#УТС👨🏼‍💻Маленький человек🚶🏼

Главная проблема термоядерного горения - тройное произведениеМногие пытались когда-то в своей жизни зажечь спичку с поврежденной головкой. Когда запала - меньше, чем надо. Происходит резкая вспышка, что не успевает поджечь дерево и тухнет, к разочарованию исполняющего трюк человека.Что происходит? Выделяется тепло, но его не хватает для выхода реакции - химического окисления древесины кислородом - на самоподдерживающийся уровень. Приток дармового тепла от стартового запала кончается - а нового еще слишком мало. Реакция тухнет, человек ищет целую спичку.Вот и с синтезом - та же засада. Мы можем вкачать в наше будущее топливо много тепла, много энергии - а вот сделать так, чтобы эта “спичка” зажглась и мы смогли бы выключить нагрев - упорно не выходит.Дело в том, что плазма очень быстро остывает. А когда параметры приближаются к нужным - тут просто не хватает никаких слов, как быстро. Зверски, чудовищно, невообразимо быстро скидывает энергию материя, раскаленная до сотни миллионов градусов.Самый простой из механизмов сброса энергии в окружающую среду - тепловое излучение. Работает по закону Стефана-Больцмана, и его формула имеет в своем составе температуру. Что логично - чем теплее, тем быстрее остываем. Вот только температура - в ЧЕТВЕРТОЙ степени! А нам надо - сотню миллионов градусов! С четверкой, маленькой такой, вверху-справа. Просто попробуйте написать подряд четыре раза по восемь ноликов и не сбиться со счета. Забавное занятие, я с трудом так могу.Надо не просто нагреть, а еще и удержать нагретое. В идеале - постоянно держать! А не доли секунды, и не десятки-сотни, как в лучших токамаках мира нашего времени.И нагретое при этом - должно быть достаточно плотным! Синтез - это столкновение малых частиц в одну большую с выделением энергии. Толку нам с того, что наши частицы носятся с бешеной скоростью и долго в нашем объеме, если их так мало, что они просто не находят друг друга лбами? Они же ведь неслыханно маленькие! Попробуй еще попади! Там же толпа нужна - метро в час пик отдыхает на три порядка.Научным языком это называется “Тройное произведение” - температура на плотность на время удержания. Плазмы. Раскаленной до невообразимых температур.Знаете, у меня уже начинает уставать фантазия подбирать эпитеты. В этой теме - все приходится описывать исключительной силы формулировками. Ну как, блин, сто миллионов градусов опишешь? Температура миллиона туристических котелков на огне? Не сильно-то лучше стало.Все наше привычное восприятие пасует перед такими масштабами проблемы. Слишком много ноликов. Слишком. В каждом элементе.А нам ведь не просто равенства надо добиться - чтобы подвод энергии сходился с потерями - а превосходства. Выход энергии должен резко превосходить подвод - чтобы и на подержание синтеза хватило, и реакция шла устойчиво, и еще снять что-то с плазмы можно было.Техническим языком это называется Q - соотношение подведенной и отведенной энергии. Один - мало. Даже не загорится. Два - тоже. Потухнет, как спичка с половиной головки. Надо пять-семь-десять.Мы же все эти сложности преодолеваем с простой и понятной целью - пользоваться. Чайку себе там вскипятить кружечку или стали из чугуна сварить, тонн этак триста. И то и то - энергия в первую очередь.В теории - она, практически бесконечная, у нас уже есть. А на практике - у нас есть тройное произведение, что - как пятиметровый барьер для скакуна - в лоб не берется. Нет у нас еще таких скакунов, чтобы до высокого Q доскакать.И есть целый пучок самых разных идей, как же это дело преодолевать.О них мы и поговорим в следующих частях!#УТС👨🏼‍💻Маленький человек🚶🏼

Начало термоядерной гонкиЭтой великой Мечте - о чистой энергии - уже больше полувека. И каждый раз ученые убеждают политиков, что - вотвотсейчас и запустится неслыханная доселе топка! Наше, местное, доморощенное солнышко - и сразу заменит все электростанции!Да вот раз за разом натыкаются ученые на новые сложности этого процесса. Физика плазмы, оказывается, совершенно бессердечная штука!На старте этой гонки все казалось таким простым - берем водород, сжимаем и нагреваем, удерживаем магнитным полем чтобы не сбежал. И в какой-то момент начинается та же реакция, что идет на солнце - термоядерный синтез водорода в гелий. Плазма начинает греть сама себя, давать лишнее тепло - а мы им кипятим свою любимую паровую турбину с генератором. И все это живет долго и счастливо!Эх, как наивны были первые мечтатели! И реакция на Солнце явно хитрее, и сжимать да греть надо... адски просто.Запустил гонку и первые 15 лет вел ее в одиночку против самого себя - естественно, страна одних галош, верхняя вольта с ракетами - наша с вами Родина, СССР. Придумали Лаврентьев, Сахаров, Тамм и все остальное созвездие блестящих ученых как слово само - токамак - тороидальная камера с магнитными катушками, так и саму идею пробили перед такими тупыми партийными чинушами. Через десять лет после жуткой войны - начали строить токамаки нарастающей мощности и сложности. Сейчас это называется буржуйским словом “скейлинг”, изобретатели же концепции управляемого термояда, что полтора десятилетия не имели конкурентов вообще - звали это русским словом “масштабирование”. На третьей итерации масштабирования - когда добились температуры в десять с гаком миллионов градусов - до прогрессивного и всего такого ультратехнологичного Запада, присудившего самому себе в 30 раз больше “нобелевок”, чем русским и поверившего, что этим судом и меряется наука - вдруг дошло. Не только первый космос, не только первая АЭС, а еще и это теперь!!! Наверное, любимая американская мечта - стать миллионером и сдохнуть на горе денег - сказалась. Трудно устоять от магии этого слова западному человеку.Десять миллионов! Градусов! У русских! Да не может быть, у нас с трудом сотня тысяч выходит!Где-то год длилась феерическая стадия отрицания. Медведи в лесу - и какой-то, блин, токамак! Да просто врут они, ведь все знают - главные изобретения Человечества сделаны на Западе и только на Западе! Поверили лишь когда Союз сжалился над законченными расистами с их столетиями русофобии и пустил-таки главных расистов - британцев с собственной аппаратурой. Приборы увидели 11,6 миллиона градусов. Отрицать стало глупо, пошла следующая стадия известной последовательности.Словом, на 16 год термоядерной гонки джентльмены с ковбоями очнулись и начали яростно думать, как же догнать медведей с балалайкой. А теперь еще - и с токамаками. Где-то к двадцатому году гонки появился первый демократический, выстраданный, токамак - когда у нас уже пятый был.И уткнулись в это же самое, беспощадное. В физику плазмы. От 10 миллионов до нужных сотен миллионов - много этапов масштабирования. Назвали это скейлингом, договорились - русским за токамаки ни в коем случае наград не давать и всячески игнорировать, авось когда-то обгоним. Тогда и будем нобелевки брать. А пока - нет этой темы для Нобелевского комитета, вот и все. Сначала скопируем у русских, потом улучшим что-то и скажем - наше. Вот оно, мировое открытие.Только вот с масштабированием каждый раз - то одна проблема, то сразу три. С каждым шагом температуры, плотности, времени удержания плазмы - одна история за другой, и все печальные. Раз за разом новые физические эффекты всплывают! И один - сложнее другого. Все фундаментальнее их объяснения! Уже вся наука только о физике плазмы и говорит!Пришлось-таки давать нобелевки. Своим, естественно, кому же еще. За разные эффекты плазмы.Ну не изобретателям и строителям первых трех токамаков же! Как можно!Вот только термоядерный синтез от замазывания чужих успехов все равно не заводится...Он вообще все еще толком не заводится, и почему - мы и будем говорить в этом цикле.#УТС👨🏼‍💻Маленький человек🚶🏼

Channel created