Наноструйный термоядерный реактор

НАНОСТРУЙНЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
Предисловие.
главная
Констатируем реальный факт, что за многие десятилетия исследований еще не удалось создать работоспособный
промышленный термоядерный реактор. Причем во многих странах мира термоядерные исследования - приоритетное
направление в науке (историческая - на сотни лет перспектива для энергетики!), и финансирование было нормальным, в
частности, в мире созданы десятки установок различных типов. Конечно, результаты этих исследований не пропали, в
частности, произошло становление физики плазмы (объем научной информации очень велик). Безусловно, для каждого
типа реакторов есть свои причины неудач.
Для крупных исследовательских реакторов большой проблемой является неустойчивость плазмы, которая весьма
склонна к появлению различных неустойчивостей
и колебаний. В частности, для токамаков остается проблема
"большого срыва", при которой плазменный токовый шнур сначала стягивается к оси камеры, затем ток прерывается и
на стенки камеры сбрасывается большая энергия, при этом камера испытывает тепловой и механический удары.
Проблемой остается и образование пучков быстрых электронов, приводящее к сильному возрастанию потоков тепла и
частиц поперек поля. Еще одна трудность - проблема примесей, ведущая к резкому росту энергетических потерь при
электромагнитном (тепловом) излучении плазмы. И требуются чрезвычайные усилия (совершенные вакуумные насосы;
применение устройств для улавливания атомов примесей и т.п.), чтобы содержание примесей в плазме оставалось
ниже допустимого уровня (меньше 0,1%).
Для сверхбыстродействующих систем УТС (управляемый термоядерный синтез) с инерциальным удержанием
имеются свои трудности, например, трудность осуществления устойчивого сферически - симметричного сжатия
мишеней и другие проблемы.
В принципе, в основе этих трудностей лежит необходимость организовать работу плазмы с высокими концентрацией
и температурой. Конечно, проблемы постепенно решаются, в частности, имеем большой успех - выход на достаточно
реальный экспериментальный международный реактор ИТЭР. Да и установка NIF (США) с лазерным облучением
мишеней вполне обеспечит эффективное прохождение процесса УТС.
Главная проблема в другом. Установка NIF имеет 192-пучковую лазерную систему на неодимовом стекле с энергией в
1,8 МДж в каждом импульсе наносекундного диапазона, и для обеспечения работы такой сложной системы
расположена в корпусе в 7 этажей и длиной более длины 2-х футбольных полей. Аналогично, ИТЭР - это система из
многих конструкций с общей массой до 30 тысяч тонн. Безусловно, для наземной техники и энергетики - это вполне
допустимые параметры. Однако по своим характеристикам эти реакторы (оба типа) - монстры, которые нельзя
разместить даже на крупных кораблях типа авианосцев, не говоря уж о космической технике.
Отметим, что ИТЭР и NIF используют реакцию (d - t), и эта реакция дает мощный поток быстрых нейтронов. И
согласно оценкам физиков, в таком D - T реакторе радиационные повреждения материалов стенки, обращенной к
плазме (первая стенка), ограничивают срок ее службы в 3...6 лет. А замена первой стенки на новую каждые 3-6 лет в
реакторе - токамаке будет очень сложной, длительной и дорогой. Причем разработка материалов стенки с многократно
повышенной радиационной стойкостью представляется маловероятной. Отметим, что радиационная защита
термоядерного реактора от потока быстрых нейтронов будет весьма тяжелой, на одном уровне с защитой
существующих твердофазных реакторов (на уране).
Поэтому предлагается использовать в реакторах "чистые" реакции типа (d – 3He), для которой требуется увеличенный
коэффициент Лоусона и более высокие параметры плазмы, в частности, увеличение температуры до 60- 70 кэв с
соответствующим ростом излучения плазмы. Считается, что такой реактор вряд ли возможен на основе токамака (типа
ИТЭР), если в нем не будет существенно повышена величина  (отношение давлений плазмы и магнитного поля). Более
реальными представляются амбиполярные реакторы, однако даже в демонстрационном реакторе на 700 МВт общая
масса сверхпроводящих катушек с бандажами около 300 тонн, и это без массы других многочисленных систем. Причем
имеются большие сомнения, что можно ограничить массу реактора и получить, например, легкий реактор с массой на
уровне 200 т и мощностью менее 100 МВт, сейчас это невозможно. Таким образом, сейчас создание реакторов с (d –
3He) реакцией на основе токамака или лазерного синтеза просто нереально.
Однако и для реактора с (d – 3He) есть крупная проблема, состоящая в одновременном прохождении и параллельных
реакций (d - d) с образованием трития и быстрых нейтронов, причем максимальное сечение этой реакции всего в ~ 3
раза меньше сечения реакции (d – 3He). При этом и образующийся тритий может вступить в реакцию (d - t), сечение
которой больше (до 5 раз), чем сечение (d – 3He). Таким образом, в условиях стационарной работы реактора при
использовании плазмы с d и 3Не все равно возникает мощный поток нейтронов, который составит (в зависимости от
оценок) в среднем до
~ 10 % от числа нейтронов при использовании только реакции (d - t). Конечно, и такое
уменьшение нейтронного потока для реактора с (d – 3He) весьма положительно, например, благодаря этому срок
службы первой стенки реактора возрастает на порядок и более, вплоть до 100 лет. Однако и в этом случае
радиационная защита будет серьезной, так как замедление и поглощение быстрых нейтронов требует определенной
длины пробега нейтрона и толщины защитной стенки для этого, и эта длина не зависит от величины потока нейтронов.
Поэтому и в случае (d – 3He)-реактора радиационная защита уменьшится лишь в 2...3 раза по сравнению с реактором (d t).
Очевидные трудности создания реакторов на основе ведущих концепций (токамак, лазерный синтез) стимулирует
поиск новых идей и концепций осуществления УТС, например, согласно обзору [1]. Заметим, что вышеприведенный
текст - это сильно сокращенный обзор по [1], где автор лишь пересказывал суть многочисленных научно-технических
публикаций.
Здесь же автор, как еретик, может высказать и свою личную позицию.
Главное физическое достоинство и одновременно - главный недостаток токамака -использование в постоянном
режиме самоподдерживающейся реакции синтеза, что требует высокой концентрации плазмы с большими объемами и
ее высокой температуры. Именно это приводит к эффективной работе реактора лишь при объеме плазмы на уровне
тысячи кубических метров. Конечно, можно создать ИТЭР и на его основе - демонстрационную термоядерную
электростанцию, а затем и промышленную станцию. Более того, на основе энтузиазма разработчиков и физиков,
рекламы и лоббирования, пользуясь технической безграмотностью политиков, вполне возможно во второй половине
21-го века создать в нескольких странах термоядерные электростанции на основе токамаков (на основе ИТЭР), которые
будут предметом гордости политиков этих стран. Однако эти установки обречены быть прекрасными и уникальными
техническими достижениями человечества, и ничем больше!
Дело в том, что с точки зрения автора (еретика)нужно быть очень наивным человеком и технически безграмотным
(гуманитариями, типа политиков), чтобы верить, что реактор с плазмой в миллионы градусов и объемом на уровне
тысячи кубометров(объем многоэтажного здания) может быть простым по конструкции и легким по массе. Да, можно
надеяться на постепенное усовершенствование элементов конструкции, но лишних систем в конструкции реактора
просто нет. И масса обслуживающих систем в тысячи тонн для реактора типа ИТЭР - это печальная неизбежность,
поэтому их нельзя установить на транспортные средства, будь-то даже крупные корабли типа авианосцев, а уж о
космической технике нужно забыть . Просто это реальный уровень развития современной техники - материалов и
технологий, конструкций, применяемых в системах реактора. Такие реакторы - только для наземной энергетики, но и
здесь они не станут основой энергетики. Главная проблема - большие объемы горячей плазмы весьма капризны, имеют
множество видов колебаний, пульсаций и прочих нестабильностей в поведении. Поэтому реактор должен иметь
множество устройств для подавления всех этих нестабильностей объема плазмы, собственно, именно этим физики
десятки лет и занимаются. Иначе, как инженерное устройство - реактор весьма сложен и строг в эксплуатации, и на его
фоне твердофазный реактор (на уране) - это примитивная и простая конструкция (аварии - только из-за человеческого
фактора). Поэтому реакторы типа ИТЭР на реакции (d - t) слишком сложны и дороги при строительстве, весьма строги в
эксплуатации (при малейшем отклонении параметров плазмы -"большой срыв") и требуют жесточайшего постоянного
контроля.
Заметим, что автор за строительство реактора ИТЭР, как весьма интересной физической исследовательской
установки, необходимой для развития науки. Однако автор не видит ни малейшего шанса для электростанций на
основе ИТЭР (на d - t) стать чем-то большим для земной энергетики, кроме экзотики и предмета для "надувания щек"
от гордости для политиков.
Более интересен вариант импульсной установки NIF, где объем реактора с мишенями достаточно мал, а различные
технологические тонкости - манипуляции со свойствами мишени (ее конструкции) вполне приведут к эффективной
организации термоядерной реакции. Помимо проблемы совершенства мишени, здесь имеется и большая проблема
совершенства систем для получения импульсов излучения, и именно из-за этого получается реактор - монстр. Однако
это технические проблемы, и по мере накопления опыта работы будут появляться более совершенные и легкие
конструкции систем реактора. При этом для перехода с современного уровня - монстра NIF до уровня реактора в массой
до тысячи тонн все же потребуются десятки лет работы на таких реакторах.
Именно поэтому автор считает разумным поиск более простых принципов организации работы термоядерных
реакторов, чем основные сейчас направления на основе токамака или импульсного нагрева мишеней излучением.
Концепция наноструйного термоядерного реактора.
1. Введение.
Отметим основные требования к идеальному процессу синтеза, оптимально - сразу на основе
чистой реакции (d - 3He).
1). Требуется высокая плотность (концентрация) реагирующих компонентов ( d и 3Не).
2). Необходимо максимально уменьшить тепловое излучение полученной при синтезе
высокотемпературной плазмы, что требует резкого уменьшения плотности плазмы.
3). Необходимо удерживать поток реагирующих компонентов (ионов d и 3Не) с помощью
магнитного поля, которое имеет ограниченные возможности (по давлению и энергии) для
современных полей (с индукцией до 10 Тл для постоянного поля) по удержанию ионов, а это
резко ограничивает параметры потока по плотности.
4). Необходимо получить реактор на основе чистой реакции (d - 3He), предельно снизив, идеально
- до нуля, осуществление параллельной реакции (d - d).
Столь противоречивые требования к условиям в реакторе для осуществления реакций синтеза
привели автора к концепции наноструйного реактора, излагаемой ниже. Эта концепция
использует сочетание известных в физике идей термоядерных реакторов с использованием
встречных пучков ионов, также с использованием плазмы Z- пинча и других [1].
2. Идея наноструйного реактора.
Здесь в наноструйном реакторе осуществляют подачу смеси изотопов реагирующих
компонентов (d и 3Не) в виде потока криогенной жидкости через отверстия с диаметром 10 -11  107
м = 10-2  100 нм, то есть наноструйки. Причем поток каждой струйки подают строго и точно по
магнитным силовым линиям постоянного магнитного поля (вектор скорости потока точно
соответствует вектору магнитного поля). Затем следует процесс ионизации (на выходе из
отверстия) и ускорение электрическим полем до необходимой энергии, с получением потока
ускоренной резко анизотропной плазмы, удерживаемой магнитными силовыми линиями. После
этого в зоне реакций (горения) происходит синтез термоядерных реакций, и образовавшиеся
частицы улетают в зону сброса частиц, их использования и поглощения. Схема такого реактора
приведена на рис.1.
Рис. 1. Схема наноструйного реактора
1- система подачи; 2- мембрана с наноотверстиями; 3- емкость с компонентами топлива; 4- камера реактора; 5 - ионизатор; 6ускоритель; 7- магнит; 8 -постоянное магнитное поле от магнита; 9- пучки-наноструйки; 10- зона реакций (горения); 11 - зона сброса
частиц; 12-источник дополнительного электрического поля;
Рассмотрим подробнее основные этапы рабочего процесса в реакторе.
В качестве простейшего варианта подачи: в емкости смешивают жидкие изотопы d и 3Не, при
этом смесь состоит, в зависимости от температуры, или из смеси жидкого дейтерия и пара
насыщенного 3Не при температуре ~ 20 К, или из смеси жидкого гелия с нанокрупинками d при
температуре ~ 4 К. Такая смесь находится под давлением 10... 100 МПа, а после перемешивания их
подают к мембране и через наноотверстия поток истекает в вакуум камеры реактора. При этом
смесь проходит через наноотверстия-благодаря малой вязкости, которая для жидкого гелия в 600
 1000 раз меньше вязкости воды, а для жидкого водорода вязкость в 50  100 раз меньше
вязкости воды [2].
Рассмотрим для примера и наглядности единичную наноструйку (d - 3He) с диаметром dС = 1,0
нм = 10-9 м.
Для жидкого гелия скорость сКР ~ 180  220 м/с [2], в среднем сКР ~ 200 м/с. Тогда верхний
предел секундного расхода можно оценить величиной
mС1 =СР . cКР . FС = СР. cКР . dС2 /4
(1)
.
3
3
где СР = 0,1 10 кг/м , средняя плотность смеси (d - 3He), тогда имеем mC1 ~ 1,5 .10-14 кг/с .
Естественно, для жидкой смеси реальная скорость истечения меньше сКР , и тогда mC1 ~ (0,5 1,5 )
.
10-14 кг/с. Концентрация молекул жидкости nC ~ 2 .1028 м-3 = 2 .1022 см-3 , и для наноканала с dС =
1,0 нм и длиной LC = 106 нм = 0,1 см имеем объем канала 7,8 .10-22 м3 = 0,78 .10-15 см3, что
соответствует числу молекул в канале ~ 1,5 .107 мол/кан или среднее число молекул на 1 нм длины
канала ~ 15 мол/нм. Истекающая из отверстия мембраны наноструйка движется направленной
струей, при этом в силу малого числа молекул по сечению струйки расходимость в вакууме
минимальна. При этом начинается ускорение молекул струйки до необходимой энергии, и для
этого возможны различные схемы ускорения.
Отметим, что в качестве одного из определений плазмы используется формулировка:
ионизированный газ называется плазмой, если дебаевская длина мала по сравнению с
размерами объема, занимаемого газом. Поэтому для наноструйки с dС , которое меньше
дебаевского радиуса D , нельзя строго говорить как о плазме. Подчеркнем, что наноструйка - это
молекулярный пучок, превращенный в ионизированный и ускоренный пучок (поток ионов с
примесью электронов малой энергии).
Первая и традиционная схема ускорения включает ионизацию наноструйки и ускорение как
плазмы. Возможны различные известные схемы ионизации, применяемые в технике. Это
использование технологии ВЧ-разряда, аналогичное получению низкотемпературной плазмы при
криогенной температуре исходного вещества. Это и технологии, аналогичные применяемым в УТС
для получения ускоренных потоков нейтральных частиц, впрыскиваемых затем в реактор. Это ,
например, и создание облака ионов или электронов у поверхности мембраны, обеспечивающие
ионизацию наноструйки, и ряд других возможных технологий.
Подчеркнем, что обычная плазма характеризуется частыми столкновениями частиц, что
"перемешивает" энергию хаотического движения частиц в разных направлениях и приводит к
изотропному давлению плазмы. Здесь же, для наноструйки нет частых столкновений частиц, и в
силу разного ларморовского радиуса rЛ практически образуется два слоя частиц - электронов и
ионов, и в этом случае частицы "связываются" самосогласованным электрическим полем. То есть
здесь вариант бесстолкновительной плазмы, при этом давление различное в продольном Р|| и
перпендикулярном Рнаправлениях по отношению к постоянному магнитному полю. Причем это
достигается за счет того, что давление Р определяется в основном энергией и температурой
ионизации молекул на выходе из отверстия мембраны, например, ТIo  Тeo ~ 0,2  1 эв = 2200 
11000 К. А давление Р|| определяется энергией и температурой ускоренных частиц, ионов, с
помощью электрического поля системы электродов, имеющее четко направленное электрическое
поле (вектор напряженности поля) вдоль вектора магнитных силовых линий магнитного поля и
вектора скорости движения истекшей наноструйки. При этом электрическое поле ускоряет
именно ионы (электрическое поле электродов заряжено отрицательно), и после ускорения имеем
Тi ~ 108 109 К и электроны c Te ~ 2,5 .105 K (при примерно одинаковой скорости ионов и
электронов). То есть, на выходе из отверстия мембраны ионы попадают в зону электрического
поля от системы электродов, которое ускоряет ионы именно и прежде всего вдоль магнитных
силовых линий в продольном направлении с получением Р|| >> Р (и лишь малая часть энергии
электрического поля идет на Р ), и Р|| на 3 - 7 порядков больше Р .
Здесь после прохождения наноотверстия холодный высокоплотный поток попадает в
ионизатор, где происходит ионизация (нагрев) частиц потока. При этом на начальном этапе
энергия ионизации невелика, на уровне 3...10 эв, то есть это энергия хаотичного теплового
движения ионов с V и Р, и здесь благодаря малой энергии этот поток свободно удерживается
магнитным полем. При этом происходит замагничивание электронов (е / >> 1), а для ионов
такая мера замагниченности ~ 1, иначе - электроны замагничены и свободно перемещаются
только вдоль силовых линий поля, а на движение ионов магнитное поле лишь влияет. В этом
случае электроны будут привязаны к магнитному полю, а ионы удерживаются в той же
области пространства электрическим полем, создаваемым электронной компонентой [3]. При
этом из-за разности ларморовских радиусов получаем систему из двух слоев, где один слой наружный слой ионов (диаметр слоя 10...100 нм), а другой слой - внутренний слой электронов
(диаметр слоя 0...10 нм).
Одновременно с ионизацией эти образовавшиеся ионы попадают в электрическое поле от
системы электродов ускорителя, которое ускоряет ионы именно и только вдоль магнитных
силовых линий в продольном направлении с получением Р|| >> Р , то есть получаем большую
кинетическую энергию при минимальной тепловой энергии. При этом электроны удерживаются
полем ионов (на дебаевском радиусе), обеспечивая в целом нейтральность наноструйки для
"внешнего" мира. Заметим, что электроны вынужденно двигаются за ионами, и при примерном
равенстве скоростей ускоренных ионов и увлекаемых электронов (против электрического поля
ускорителя) имеем температуру ионов Тi >> Тe, температуры электронов (из-за разности масс).
Именно сильная анизотропия плазмы (молекулярного пучка) позволяет обеспечить высокую
концентрацию плазмы (точнее, смесь ионов и электронов),а постоянное магнитное поле с В =
5...15 Тл удерживает давление наноструйки плазмы с Р, а сама плазма для осуществления
реакций имеет давление Р|| и концентрацию до 1026 -1027 м3. Отметим, что такое высокое
давление Р|| не позволяет практически создать эффективной магнитной "пробки" для отражения
столь концентрированного потока частиц и его повторного использования, поэтому сейчас это
одноразовый процесс прохождения частиц и осуществления реакций.
Подчеркнем, что ключевой элемент - электрическое поле (от ускорителя) - это поле прямого
сильного воздействия на ион, и траектория движения иона в поле, например, высоковольтного
линейного ускорителя имеет вид прямой линии. В частности, именно это позволяет получать в
линейных ускорителях сильнейшие токи ионов при слабых магнитных полях в перпендикулярном
направлении к вектору движения ионов.
И здесь для варианта оптимального расположения системы электродов ускорителя
(относительно наноструйки и магнитного поля) имеем, что до 99,9 % энергии электрического поля
идет именно на ускорение ионов и продольную скорость V|| , тогда при V|| ~ 107 м/с имеем V ~
103  104 м/с, и выполняется соотношение Р|| >> Р .
3. Схемы ускорения.
Другой ключевой элемент - ускорение совместно в наноструйке ионов d и 3He.
Простейший вариант (как отмечалось выше) - подача смешанной вместе смеси компонентов d
и 3He. В этом способе электрическое поле (генератор) ускорителя разгоняет изотопы 2Н (d ) и 3He в
одном поле с примерно одинаковой силой (для одинакового электрического заряда ионов). При
этом ион 2Н приобретает в силу меньшей массы более высокую скорость, чем тяжелый ион 3He ,
то есть возникает относительная скорость ионов 2Н и 3Не.
Второй вариант подачи компонентов - подача жидких 2Н и 3Не через одни и те же
нанометрические отверстия (каналы) мембраны поочередно и импульсами, с длительностью
каждого импульса от 10-5 с до 10-2 с, например, с помощью системы насосов. Такое время
соответствует длине каждой порции компонента от 10-3 м до 1 м, которые и ускоряют полями.
При этом порции одного компонента с большой скоростью догоняют порции другого компонента
с меньшей скоростью и при их столкновении происходит взаимодействие с осуществлением
реакций синтеза.
Причем второй вариант можно и усложнить. Например, на постоянную составляющую
ускоряющего поля накладывают дополнительную импульсную составляющую ускоряющего поля,
причем эту составляющую синхронизируют именно с моментом подачи в ускоритель легких
атомов (иначе - частота подачи легких атомов равна частоте подачи импульсной составляющей
ускоряющего поля). И это обеспечивает более быстрый разгон легких атомов и увеличивает их
абсолютную скорость, что позволяет уменьшить их абсолютную скорость для получения
необходимой относительной скорости. Например, при увеличении импульсной составляющей
ускоряющего поля в 3 раза на легкие ионы дейтерия по сравнению с полем на тяжелые ионы,
ускорение 2Н в 4,5 раза больше ускорения тяжелых атомов 3Не. Безусловно, такой вариант
импульсной порционной подачи компонентов в сочетании с импульсами составляющей
ускоряющего поля требует усложнения конструкции, однако она соответствует современному
уровню техники.
Напомним, что для УТС наиболее перспективны реакции синтеза
d + 3Не  4Не + р + 18,4 Мэв; макс = 0,71 барн
р + 11В  3 . 4Не + 8,7 Мэв; макс = 0,6 барн
(2)
Оценим необходимый уровень ускорения частиц, согласно требованию
Vdom = Vd - VHe
(3)
где Vdom - относительная скорость атома (иона) d;
Vd абсолютная скорость атома (иона) d;
VHe абсолютная скорость атома (иона) 3Не.
При этом условие получения термоядерной реакции
Vdom  Vdo
(4)
где Vdo - оптимальная скорость иона d для получения максимального сечения реакций ( d, 3He),
получаемая для варианта Vdom  Vdo и VHe = 0 (тяжелая частица неподвижна, справочная
характеристика, соответствует величине макс).
Для сравнения параметров частиц в различных способах подачи и ускорения - общей смесью; и
порциями с импульсным дополнительным полем (3-х кратное увеличение силы ускорения легких
атомов); также вариант дипольного ускорения (описание - ниже). Для сравнения приведем
результаты и для реакции (р, 11В), при этом технология расчетов одинакова. И результаты
вычислений (опуская арифметические выкладки) сведены в таблицу 1.
Таблица 1
__________________________________________________________________________________
Реакция
Параметр
синтеза ____________________________________________________________________ ________
(d ,3Не) Vdo
Tdo
VHe
Vd
Td
VHe
THe
вариант способа -......
км/с кэв
км/с
км/с
кэв
км/с
кэв
ускорения
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ ------------------------------------------ --
130
0
20550 4230
13700
2820
общей смесью
.6850
компонентов
--------------------------------------------------------------------8810
777
1960
58
порциями с -.
имп. полем
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -- -7900
625
1050
16,6
дип.молекулы
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------(р, 11В)
Vpo
Tpo
VB
Vp
Tp
VB
TB
вариант способа
км/с кэв
км/с
км/с
кэв
км/с
кэв
ускорения
---------------------------------------------------------------------------------------------------- ------- .
11600 675
0
12760
817
1160
74
общей смесью
компонентов
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------11960
717
360
7,1
порциями с
-имп.полем
___________________________________________________________________________
.................
Таким образом, наиболее простой вариант ускорения с общей смесью компонентов
неудовлетворителен для реакции (d ,3Не), где доля требуемой энергии ускоренных ионов
составляет весьма заметную часть от энергии термоядерных частиц. Однако этот вариант
ускорения эффективен для реакции (р, 11В), где доля требуемой энергии ускоренных частиц на
уровне 10% от получаемой энергии термоядерных частиц. Более сложный вариант ускорения с
подачей компонентов порциями и наложением импульсного дополнительного поля для d
обеспечивает отличные характеристики способа и перспективно для работы реактора на (d ,3Не),
также немного улучшая характеристики реактора и на (р, 11В).
Большой интерес представляет возможный 3-й способ ускорения наноструек, в том числе с
общей смесью компонентов (с простой системой подачи) или порционной подачей без
дополнительного импульсного поля, где осуществляют ускорение диполей - поляризованных
молекул 2Н и 3Не. Поляризация - упорядоченное смещение связанных зарядов под действием
внешнего электрического поля (положительные заряды смещаются по направлению вектора
напряженности поля Е, а отрицательные - против него). В результате поляризации каждая
молекула становится электрическим
диполем, при этом в молекуле индуцируется
электрический момент. Причем жидкие водород и гелий имеют достаточно высокую
диэлектрическую проницаемость (молекулы сильно реагируют на электрическое поле),
составляющую для 2Н В  1,28 и для 3Не имеем Не  1,035. И в результате поляризации
индуцируется электрический момент. Опуская промежуточные выкладки по оценке параметров
(изложенные в [1]),получаем, что при одинаковом электрическом поле Е возникающий
электрический диполь водорода рВ имеет момент в 8 раз больше, чем на диполь 3Не. Однако в
неоднородном электрическом поле сила воздействия на электрический диполь
F = p х
(5)
где х -градиент электрического поля. И учитывая еще и в 1,5 раза большую массу 3Не, это
значит, что диполь 2Н будет ускоряться до 12 раз быстрее, чем диполь 3Не. Учитывая
несовершенство таких процессов и грубый оценочный характер такого расчета, примем
среднее увеличение ускорения 2Н в ~ 7,5 раз, и этот вариант ускорения диполей и приведен в
таблице 1 как "дипольные молекулы". Здесь общая сумма энергий ускоренных молекул ~ 642
кэв и намного меньше энерговыделения реакции в 18,4 Мэв, что делает выгодным такое
ускорение.
Однако отметим и другой исключительно важный фактор. Для точечных диполей,
дипольные моменты р1 и р2 которых направлены вдоль соединяющей их прямой, имеется
сила взаимодействия
F = 6 . p1. p2 / r4
(6)
где r - расстояние между диполями. При этом диполи притягиваются, если они обращены друг к
другу противоположно заряженными концами, и отталкиваются в противном случае. Кроме того,
диполь в целом нейтральная частица, поэтому и на дальних расстояниях нет отталкивания, нет
кулоновского барьера, который составляет порядка 200 кэв (сейчас термоядерные реакции в
токамаках происходят лишь благодаря туннельному эффекту, просачиванию части частиц под
кулоновским барьером). А это потенциально
повышает эффективность прохождения
термоядерных реакций.
Собственно ускорение диполей, молекул осуществляют системой электромагнитных полей.
Например, известны способ и устройство для ускорения диполей, предложенные американским
изобретателем J. Cox [2], причем им был проведен многолетний этап разработок и опубликован
ряд статей, и по его оценкам, наибольшая эффективность ускорения диполей обеспечивается
именно при низкой, криогенной температуре ускоряемого вещества. Также используется
воздействие на диполи неоднородного электрического поля в источниках молекулярных пучков.
Однако в целом это направление в экспериментальной физике и технике весьма слабо, и его
нужно развивать. Принципиально здесь требуется ускорение молекул до 10...1000 кэв, и такие
энергии потенциально способны обеспечить электростатические поля. Этот интерес вполне
объясним, так как ускорение диполей 2Н и 3Не обеспечит фантастическую картину реактора:
наноструйки из порций молекул-диполей 2Н и 3Не с криогенной тепловой температурой (это
обеспечит минимальное расхождение потока диполей в магнитном поле) и необходимой
скоростью ускоренных диполей (очень большая разница отношения Р|| и Р) имеют высокую
концентрацию молекул (близкую к жидкости) на всей длине зоны реакций в разреженном
потоке горячей плазмы. Очень интересная и реальная картина реактора, если удастся
ускорить диполи до нужных параметров.
Из других интересных вариантов отметим пока экзотическое возможное использование
ультрахолодных ионов гелия, охлажденных до температуры 20 мК = 2 .10-2 К, согласно новому
методу охлаждения [4], возможности которого потенциально очень высоки и по удержанию
магнитным полем, и по соотношению скоростей и давлений в продольном и поперечном
векторах движения.
Подчеркнем, что в наноструйном реакторе ускоренные частицы движутся только в одном
общем направлении, причем на частицы одного компонента действуют одинаковым
электрическим полем, в частности, на пучок ионов 2Н (диполи), поэтому у всех ионов
одинаковый вектор скорости, причем и абсолютная величина скорости ионов 2Н пучка
(диполей) практически одинакова (тепловое движение ионов минимально). Поэтому
относительная разница скоростей между отдельными ионами 2Н (диполями) в порции пучка
минимальна и Vdom  0, отсюда следует вывод о невозможности осуществления реакции (d , d).
Причем воздействие горячей разреженной плазмы в зоне реакций на наноструйки минимально,
поэтому и эта плазма не вызовет появления значительной относительной скорости между
ионами.
Таким образом, реактор на наноструйках использует только чистую реакцию (d ,3Не)
или чистую реакцию (р,11В), то есть не требует значительной радиационной защиты реактора,
и это по-настоящему чистый реактор для промышленности.
4. Динамика ядерных процессов.
Оценим динамику реакций синтеза как взаимодействие ядерных частиц.
Для единичной наноструйки, в которой проходят реакции, имеем
__
q = n1 n2 v
где q - число реакций, происходящих в единице объема за единицу времени;
v- среднее значение для данной температуры;
n1 = nd - концентрация дейтерия; при n2 - концентрации 3Не.
Для идеального варианта за произвольное время t при полном осуществлении
термоядерных реакций имеем
__
q t = t nd n2 vn2
и учитывая необходимость полного использования 3Не (из-за его дороговизны), принимаем
избыток дейтерия в 20%, то есть nd = 1,2 . n2отсюда получаем
__
__
n2 = 1/ t vnd = 1,2 / t v(9)
__И для
3
.
реакции (d , Не) при Vdo ~ 6850 км/с (тяжелые ядра неподвижны) величина v ~ 5 10 cм3 с-1 [5],
тогда имеем nHe  2 .1015 / t .
Для примера выберем длину зоны горения - эффективного взаимодействия реакций (d ,3Не)
равной LЭФ = 10 м, тогда время осуществления реакций в зоне горения
t = LЭФ / Vd
(10)
Для реакции (d ,3Не) именно для варианта дипольного ускорения имеем оценку абсолютной
скорости Vd  7900 км/с и время t  1,2 .10-6 с. Тогда согласно (9) имеем концентрацию nHe  1,8
.
1021 см-3 = 1,8 .1027 м-3 и nd  2,1 .1021 см-3 = 2,1 .1027 м-3 , и общая концентрация при столкновении
в зоне горения nЗГ  4 .1021 см-3 = 4 .1027 м-3 . При концентрации молекул жидкости nC  2 .1022 см-3 =
2 .1028 м-3 это означает запас по концентрации nC /nЗГ , равный 5, на возможное расхождение
наноструйки в пространстве. Для ускорения d и 3Не порциями с импульсным дополнительным
полем запас по концентрации равен ~10, то есть расходимость наноструйки по площади
допустима до 10 раз по сравнению с площадью сечения наноструйки на выходе из мембраны в
реактор.
Таким образом, оценка динамики реакций синтеза дает теоретически полное использование
(100%) изотопа 3Не при взаимодействии с потоком 2Н для условий наноструйки. При этом длина
горения (реакций) LЭФ = 10 м вполне реальна для дипольного ускорения молекул криогенной
жидкости, это относится и к пока экзотическому варианту использования ультрахолодных ионов
гелия, имеющих низкую тепловую энергию и малую расходимость в магнитном поле. Для
наиболее реального сейчас варианта анизотропной плазмы (молекулярного пучка) требуемая
длина LЭФ до 20...50 м из-за более высокой тепловой энергии ионов и расходимости пучка в
пространстве.
Коротко рассмотрим динамику наноструйки с анизотропной плазмой. Сразу отметим, что даже
для 109 наноотверстий для диаметра реактора 4 м среднее расстояние между наноотверстиями ~
100 мкм = 105 нм, а учитывая, что и взаимодействие между зарядами обратно пропорционально
квадрату расстояния между ними, можно гарантировать отсутствие взаимодействия между
наноструйками с их слоями электронов и ионов (возможен лишь маленький эффект, на уровне
погрешности вычислений). Значит, взаимодействие ионов и электронов в единичной наноструйке
определяется только их параметрами, а также магнитным и электрическим полями без влияния
других наноструек. Здесь нет общих колебаний плазмы, как в токамаке. Фактически каждая
наноструйка - это самостоятельный реактор, никак не взаимодействующий с другими
наноструйками.
5. Идеальные характеристики реактора.
Оценим возможные идеальные параметры реактора. Здесь расход 1 наноструйки mC1 ~10-14
кг/с, что соответствует расходу ~ 5 .1011 молекул 3Не и 6 .1011 молекул 2Н, при этом в идеальном
варианте выделяемая мощность синтеза в стационарном режиме работы составляет W1H  1,5
Дж/с = 1,5 Вт на 1 наноструйку. И учитывая разброс параметров расхода жидкости через
наноотверстие, можно оценить энерговыделение в одной струйке 2Н - 3Не величиной 1...2 Вт.
Для получения мощности 1 МВт необходимое число наноструек составит 106 отверстий, а для
мощности 1 ГВт необходимо  109 отверстий, что вполне реально. Отметим, что 109 отверстий с dС
= 1,0 нм = 10-9 м имеют общую площадь отверстий 
8 .10-10 м2, что эквивалентно одному
.
-5
отверстию с диаметром  3,1 10 м = 31 мкм. Реактор представляет собой сочетание большого
числа наноструек и множества частиц от термоядерных реакций, движущихся в магнитном поле
по винтовым траекториям.
Подчеркнем, что здесь горячая плазма от реакций синтеза не используется для нагрева
наноструек, поэтому нет смысла в накоплении горячей плазмы. И эта образующаяся плазма
(вместе с остатками непрореагировавших ионов и молекул) из зоны горения сразу направляется
(по магнитному полю) в зону сброса частиц, например, на горячую стенку в дне камеры реактора
для передачи энергии от плазмы. Именно это обеспечивает низкую концентрацию полученных
термоядерных частиц в реакторе, на уровне концентрации частиц ~ 1012 см-3, что резко, на многие
порядки уменьшает тепловое излучение от частиц термоядерной плазмы.
В первом приближении можно считать распределение энергии частиц примерно равномерным
в пространстве и по площади. Тогда, даже с учетом расширения в пространстве общая площадь
наноструек до 10-9  10-7 м2 для мощности 1 ГВт. И для реактора с диаметром 4 м и площадью
2
-10
 10-8. Значит,
~12,5 м имеем соотношение площадей плазмы частиц и наноструек равным 10
наноструйки получат до ~ 10-8 от энергии частиц плазмы, и для 1 ГВт это соответствует энергии до
10 Вт. Однако уровень кинетической энергии ускоренных ионов анизотропной плазмы до 50...100
МВт и при тепловой энергии 0,01...0,1 МВт,поэтому добавляемый поток тепловой энергии в10 Вт
практически незаметен для движения наноструек.
6. Выводы.
Таким образом, концепция наноструйного реактора позволяет реализовать противоречивые
требования к рабочему процессу реактора, изложенные во введении п.1.
Здесь имеем высокую концентрацию реагирующих компонентов в наноструйках, что
обеспечивает высокую эффективность осуществления термоядерных реакций при однократном
прохождении зоны реакций с умеренной длиной до 10...50 м. При этом имеем большой диаметр
реактора и получаем низкую плотность горячей плазмы из термоядерных частиц, на уровне ~ 1012
см-3 , что на несколько порядков ниже концентрации плазмы в реакторах типа токамак, с
соответствующим уменьшением теплового излучения от такой плазмы. Также, именно такой
наноструйный реактор позволяет использовать только чистые реакции (d ,3Не) или (р,11В),
создавая реакторы без значительной радиационной защиты, то есть это именно
промышленный реактор, в том числе и для относительно маломощных транспортных средств
(корабли и т.п.).
Итак, можно утверждать, что создание наноструйного реактора на современном уровне
техники вполне реально, а главные условия для этого:
- создание стабильного во времени и однородного магнитного поля в камере реактора (у
мембраны, в зоне горения), причем магнитные силовые линии этого поля должны быть
перпендикулярными к плоскости мембраны с наноотверстиями;
- создание электрического поля системой электродов ускорителя, в том числе с
возможностью добавления переменной составляющей поля, причем создаваемая на ион
сила от поля должна с высокой точностью совпадать с магнитными силовыми линиями
однородного поля, и именно это - главная технологическая сложность при создании такого
реактора;
- создание системы ускорения дипольных молекул с криогенной температурой.
При этом используют чистые реакции, причем каждая наноструйка - это самостоятельная
физическая система, не взаимодействующая с другими наноструйками. Это позволяет за счет
регулирования числа наноструек изменять в широких пределах мощность реактора - от
десятков киловатт до уровня 1 ГВт.