Neznečištěná fúze s strojem Focus

Neznečná fúze s strojem Focus

Neznečná fúze – další možná cesta?

Manipulace FOCUS

Výsledky získané doposud nemají stejnou spolehlivost jako výsledky z Sandiiny Z-mashiny, ale zdálo se nám zajímavé zmínit tyto experimenty, aby byla ukázána široká škála možností, které nabízí MHD při zvyšování hustoty a teploty plazmatu. Co se týče tohoto aspektu, je manipulace FOCUS velmi originální. Zůstává však otázkou, zda v tomto případě skutečně odpovídají vysoké teploty měřené pomocí rentgenového záření teplotě plazmatu nebo efektu nárazu na anodu. E. Lerner, který nemá k dispozici prostředky výkonného laboratoře v Novém Mexiku, je přesvědčen, že to naznačuje dosažení teploty přes jeden miliardu stupňů (100 keV). Tuto závěrečnou úvahu necháme na něm.

Princip fungování

1. června 2006

FOCUS je experiment, o kterém se mluví od počátku let dvacátých. Informace lze nalézt v encyklopedii Wikipedia na adrese:

http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus

Fúze pro každého evokuje okamžitě dvě jediné cesty.

• Fúze v tokamácích, což odpovídá nákladné manipulaci ITER, která bude postavena v Cadarache, severně od Aix-en-Provence

• Fúze pomocí laserů, což je další „katedrála pro inženýry“, jakým je projekt Megajoule, umístěný v Barp blízko Bordeaux.

Pod fúzí se obvykle rozumí výhradně fúze deuteria a tritia, která probíhá při nejnižší teplotě. Deuterium je prvním izotopem vodíku, jehož jádro tvoří jeden proton a jeden neutron. Jádro tritia obsahuje jeden proton a dva neutrony.

Jejich fúze, která nastane při teplotě 100 milionů stupňů (rychle), vytvoří jádro helia a rychlý neutron s energií 14 MeV (14 milionů elektronvoltů). V jádře Slunce je teplota „kotle“ pouze 15 až 20 milionů stupňů a fúze se tam odehrává mnohem pomaleji (jinak by Slunce explodovalo).

Molekuly těžkého vodíku se velmi podobají molekulám lehkého vodíku. Mají stejné chemické vlastnosti:

Vlevo molekula D-D a vpravo molekula T-T. Vazba je zajištěna elektrony, zde znázorněny včelami. „Nukleony“ jsou vyjádřeny černými skřítky. Protony, elektricky nabité, jsou fialové, neutrony, elektricky neutrální, jsou červené.

Od 3000 °C se vodík „úplně ionizuje“, elektrony opouštějí jádra a vodík (lehký nebo těžký) se přemění na plazma, směs „plynu elektronů“ a elektricky nabitých jader. Přibližně kolem 100–150 milionů stupňů začínají jádra reagovat:

Zde je schéma fúze těžkého vodíku:

Čtenář si může seznámit s těmito koncepty spojenými s jadernou energií prostřednictvím mého bezplatného ke stažení komiksu

Energeticky Váš

dostupného na webu http://www.savoir-sans-frontieres.com na adrese:

http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm

Záření tohoto fúzního neutronu o energii 14 MeV způsobuje problém, protože tyto částice vyvolávají indukovanou radioaktivitu ve všech strukturách tvořících reaktor. Tyto neutrony se vstřebávají do materiálů stavebních konstrukcí reaktoru a vytvářejí množství nestabilních látek, které se okamžitě stávají radioaktivními a tvoří odpad. Navíc tento tok neutronů poškozuje struktury reaktoru, může v konečném důsledku ohrozit pevnost jeho komponent a narušit správné fungování solenoidů zajišťujících uzavření plazmatu.

Následující obrázek ukazuje regeneraci tritia. Ve skutečnosti neutrony fúze nevytvářejí pouze tritium. Vytvářejí také množství radioaktivních izotopů v důsledku umělé radioaktivity (na rozdíl od „přirozené radioaktivity“, která je spojena s radioaktivními izotopy existujícími v přírodě a původně vzniklými v explozích supernov, následně zahrnutými do hmoty Země v době jejího vzniku). Obálka lithia funguje jako „plodný materiál“, který má být kontinuálně vytvářet tritium, které je radioaktivní (poločas rozpadu: 12 let) a v přírodě neexistuje.

Obyčejný člověk obvykle neví, že fúze je jako „chemie jader“, kde se začíná s „směsí fúze“, „reakcí“ a vznikají „produkty reakce“. Fúze deuteria-tritia je pouze jednou z možných reakcí. Ale protože je to ta, která probíhá při nejnižší teplotě

Neznečňující fúzní reakce, bez radioaktivity a radioaktivního odpadu!

Ukázali jsme v předchozím článku o Z-mashině, že v roce 2005 v laboratořích Sandia v Novém Mexiku byla dosažena teplota dvou miliard stupňů. Je třeba zmínit, že cílem manipulace nebylo dosáhnout tak vysokých teplot, ale vytvořit jednoduchý zdroj rentgenového záření při několika milionech stupňů. Zcela neočekávaně tento kompresor plazmatu poskytl... dvě miliardy stupňů, zcela nezpochybnitelným způsobem. Tento výsledek mimořádný okamžitě vyvolal napětí mezi týmy, které řídí po desítky let nákladné projekty jako:

• Fúze pomocí laserů (ve Francii: Megajoule)

• Fúze v tokamácích (ve Francii: ITER)

Ale uvidíme, že tato Z-mashina může být nejedinečná ve své schopnosti vytvářet tak horká plazma (zatímco zařízení ITER, které pracuje spojitě, nemůže zvyšovat svou teplotu). Při analogii bychom mohli říci, že mezi touto novou generací vysokoteplotních fúzních strojů a tokamákem je stejný rozdíl jako mezi spalovacími motory a parními stroji.

Takže porovnáním můžeme říci, že ITER je parní stroj moderní doby

Pro lepší pochopení těchto strojů je nutné se seznámit s elektromagnetickými silami působícími v elektrických vodičích a dále v elektrických výbojích.

Zvažme „pružný“ solenoid, jednoduchou smyčku, ve které prochází proud. Tato smyčka vyvolá pole, které působí na vodič procházející elektrickým proudem prostřednictvím Laplaceovy síly I x B

Roztažení smyčky pod vlivem vlastního magnetického pole

To je typický experiment, který jste mohli vidět na střední škole nebo v Palais de la Découverte.

Pokud je proud dostatečně silný, může to způsobit prasknutí elektrického vodiče. V mé laboratoři v šedesátých letech jsme vytvářeli magnetická pole o síle 2 tesly (20 000 Gausů) pomocí proudů 50 000 ampér, dodávaných baterií kondenzátorů. Vinutí byla z měděného plechu. Pokud nebyly pevně upevněny (držené obálkou z skelné vlny lepené aralditem), tyto solenoidy okamžitě praskaly a rozptýlily po laboratoři trosky.

Nyní zvažme elektrický výboj. Všichni jste už viděli experiment, kdy se mezi dvěma kovovými tyčemi vytvoří výboj, který „vystoupá“ a nakonec se přetrhne.

Znovu najdeme schéma smyčky z předchozího obrázku, s tím rozdílem, že proud prochází kovovými vodiči a typem ionizovaného plynu, plazmatem. Princip je však stejný. Tato „smýčka“ se snaží rozšířit.

Mimo zábavu přecházíme k konceptu plazmového kanónu (plazmový rail gun). Pokud jsou dodávané proudy dostatečně velké, může být vytvořeno plazma, které pod vlivem velké Laplaceovy síly způsobí masivní pohyb plynu. Tato hmota ionizovaného plynu se pak může proměnit na projektil. Dosažená rychlost může být nadzvuková a výstřel plazmového oblouku je doprovázen rázovou vlnou.

Plazmový kanón (rail gun)

Fyzika plazmatu se dá použít pro všechny možné a představitelné geometrie a uvnitř takových zařízení může dojít k různým jevům, více či méně známým a ovládaným. Dříve jsme zvažovali jednu samostatnou smyčku. Ale můžeme si představit i soubor smyček uspořádaných do tvaru toru: zařízení podobné tokamáku. Je snadné si představit, že pokud bychom umístili smyčky elektrického drátu na pružnou obálku podobnou pneumatice tvořenou izolačním plátnem, procházející proud by tuto obálku „nafoukl“. Znovu může být příliš silný proud způsobit prasknutí. Systémy magnetizace tokamáků jsou takto zatíženy mechanickými silami a musí být pevně upevněny.

Systém solenoidů tokamáku (schématicky). Síla prasknutí.

Vše se zdá, jako by tento soubor vodičů byl zatížen „magnetickým tlakem“, jehož hodnota je:

B2/2mo

kde v MKSA:

mo= 4 p 10-7

Stejně jako v „plazmovém rail gunu“ můžeme představit, že v této toroidní geometrii proudové plochy se část „volně rozšíří“. Můžeme například získat schéma stěnového ionizátoru (ve tvaru pasti na lišku)

Stěnový ionizátor

Vytváří takovou „plazmovou stínítko“, které se snaží být vypuzeno daleko od stěny.

Nyní přejdeme k schématu stroje „FOCUS“, jehož základní koncept sahá až do padesátých let (stejně jako prakticky všechny základní koncepty MHD. To je vlastně jen MHD: víte, tato disciplína, kterou v roce 1950 v Francii opustili „protože to nešlo“ a dnes máme vůči Američanům a Rusům třicet let zpoždění).

FOCUS by vypadala jako druh plazmového kanónu „zabaleno podél osy“. Má centrální anodu obklopenou katodou. Tady je obrázek, jak se objevuje v Wikipedia.

Stroj FOCUS

Zde je stroj pohledem z boku, s vypuzením „plazmového stínítka“:

Stroj FOCUS s vypuzením „stínítka“ plazmatu

Když je toto plazmové stínítko vypuzeno z válce, vznikne plazmový provaz, který chvíli drží anodu:

FOCUS: tvorba plazmového provazu

Zde je třeba zavést druhý efekt: stlačení plazmového provazu, vždy pod vlivem jeho vlastního magnetického pole. Následující obrázek samo o sobě mluví.

Efekt stlačení v plazmovém provazu

Stroj FOCUS proto kombinuje oba efekty. Pod vlivem svého vlastního magnetického pole je „plazmové stínítko“ tedy vypuzeno. Pak, když se snaží odtrhnout od elektrod, což nakonec nastane, vznikne plazmový provaz, ve kterém probíhá silný efekt stlačení. Nevíme přesně, co se uvnitř děje. Ale je jisté, že tato komprese způsobuje vysoké teploty. Někteří si myslí, že v tomto provazu vznikají složité geometrické nestability, při kterých proud má tendenci vytvářet dráty, uzavřené proudy, uvnitř nichž probíhají nové efekty stlačení, což zvyšuje teplotu. Nakonec se v této sloupci plazmatu objeví „horké body“.

Předpokládaná geometrie proudu

Nestability MHD mají „zlou pověst“. Během desetiletí bránily vývoji tokamáků. V roce 1960 způsobily pád průmyslového vývoje MHD ve dvou teplotních režimech kvůli nestabilitě Vélikhova (zdá se, že jsem znám prakticky všem ruským specialistům na MHD díky mé práci na této otázce, zejména kvůli dvěma experimentům, kde jsem v roce 1965 a 1982 úspěšně zničil tuto nestabilitu různými metodami). Tyto nestability jsou velmi nelineární, nespolehlivé jevy. Nestabilita není „dobrá“ ani „zlá“. V případě stroje FOCUS jsou tyto nestability využívány pro lokální dosažení velmi vysokých teplot.

Jaké jsou výsledky?

Tyto stroje typu FOCUS jsou neuvěřitelně hrubé a jednoduché. Ale co dají? Zde jsou nejprve obrázky tohoto výboje, pořízené rychlou kamerou, ukazující efekt vypuzení plazmové koruny doprovázený stlačením:

Film událostí je třeba číst shora dolů

Níže je stroj FOCUS postavený Fillipovem (nyní zesnulým) v šedesátých letech na Ústavu Kurčatova pro vysoké teploty v Moskvě:

Fillipov před svým strojem FOCUS na Ústavu Kurčatova pro vysoké teploty v Moskvě

Můžeme si představit stroje FOCUS různých velikostí, přičemž parametry podobnosti jsou relativně dobře ovládány (viz článek v Wikipedia). Výše uvedený stroj odpovídá stovce kiloampérů s časem náběhu tří mikrosekund. Anoda má délku 16 cm a průměr 1 cm. Takové stroje jsou v současnosti studovány v osmi zemích. Některé týmy tvrdí, že dosáhly výsledků, které by umožnily uvažovat o možnosti výroby energie z neznečňující fúzní reakce Bore 11 + Vodík 1, která dává 4 jádra helia a 8,7 MeV energie. Reakce Li6 plus D2 (deuterium) dává naopak 22,4 MeV.

Najdete to zde:

http://www.focusfusion.org/research/billion.html

Americký stroj FOCUS má dutou anodu, což představuje variantu obecného zapojení.

Americký stroj FOCUS s dutou anodou

Toto zapojení umožňuje anodě sloužit jako ochranná stěna proti rentgenovému záření, které vysílá, když ji proudem elektronů z výboje zasáhne. Nejde o toto záření, které vědci chtějí měřit, ale o rentgenové záření přímo vysílané plazmatem, které by umožnilo určit jeho teplotu.

Pro orientaci: zařízení má délku jednoho metru.

I když koncept vznikl v roce 1958, považujeme za narození strojů FOCUS rok 1964, kdy byly nezávisle na sobě v USA vymyšleny Matherem a v Rusku Fillipovem. Na konci šedesátých a na počátku sedmdesátých let rozvinuli Winston Bostick a Victorio Nardi z Stevens Institute of Technology ve Hoboken, New Jersey teoretický model, podle kterého vzestupy teploty probíhají v „horkých bodech“ nebo „plazmoidech“, spojených s obrovskými místními hodnotami magnetického pole. Tato teorie má své kritiky. Někteří si myslí, že energie je více rozptýlená uvnitř plazmatu. V roce 1986 navrhl Eric Lerner kvantitativní teorii DPS (Dense Plasma Focus), stále založenou na konceptu „horkých bodů“. Tyto výzkumy byly zastaveny až do začátku devadesátých let kvůli nedostatku financí.

V roce 1994 byly experimentální výzkumy znovu zahájeny na malých zařízeních na univerzitě v Illinois. V roce 2001 byly experimenty provedeny na univerzitě A & M v Texasu pod vedením Lernera. Ten o nich informuje v článku:

http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0205/0205026.pdf

Tyto práce jsou také zmíněny v:

http://www.focusfusion.org/research/billion.html

Lerner interpretuje své měření tím, že rentgenový tok, který měří, pochází z plazmatu výboje a ne z nárazu elektronů na elektrodu. Vysvětluje, jak se snažil potlačit druhé záření pomocí olovného stínění o tloušťce 5 cm. Možná. V takovém případě by teplota dosažená skutečně přesáhla jeden miliardu stupňů. Záleží na dalším vývoji. Obecně jsou týmy pracující na strojích typu FOCUS omezeny nedostatkem financí a tedy i dostupnými a přesnými diagnostickými prostředky.

Tento výsledek je pravděpodobně méně spolehlivý než výsledek Sandia (Z-mashina), ale zdálo se nám zajímavé zmínit tuto další cestu. ---

17. února 2008: Přesnost ohledně vedlejších reakcí spojených s rovnicí B11 + H1

Bor má 5 elektrických nábojů, vodík jeden. Uhličitan 6 a dusík 7.

Chlazení plazmatu radiací probíhá zářením brzdění. Výkon vyzařovaný se mění jako druhá mocnina elektrického náboje. Výkon vyzařovaný rentgenovým zářením elektronu spirálovitě obíhajícího kolem atomu boru je tedy 25krát větší než výkon ztracený při spirálovém obíhání kolem atomu vodíku (lehkého nebo těžkého, důležitý je pouze náboj).

B11 + H1 dává C11 + n + 2,8 MeV

Životnost uhlíku C11: 20 minut. Můžeme bezpečně otevřít komoru 10 hodin po vypnutí zařízení.

B11 + He4 dává N11 + n + 157 keV

Ochrana: 20 cm B10 nebo 1 metr vody.

Indukovaná radioaktivita v elektrodě z berylia: 5 mikrocurie ročně (údaje: Lerner)

Podle Lernera při této pulzní fúzi používáme nestability MHD. Jeho popis mechanismů je následující. Elektrický výboj „ jako parník“ nejprve vede k kondenzaci plazmatu podobně „jako ryby v tomto parníku“. Pak se tyto vlákna stočí podél osy a tvoří plazmový provaz. Ten se pod vlivem nestability Kinku konfiguruje „jako spirálovitý telefonní kabel“. Poté se ve stejné struktuře vytvářejí „autozavřené plasmoidy“, horké body o velmi malém objemu, menším než krychle mikrometru. Ve těchto plasmoidech má magnetické pole toroidní topologii. Nové stlačení podél osy tohoto kapkovitého plasmoídu. A právě tehdy, jak říká Lerner, probíhají fúzní reakce.

Přednáška Lernera o stroji FOCUS:

http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl

Podívejte se také na stránku http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion v anglické Wikipedii, která by měla být přeložena do francouzštiny. To by osvětlilo více než jednoho.

Zpět k průvodci Zpět na úvodní stránku

Počet návštěv této stránky od 1. června 2006: