Neznečistá fúze, jiný možný směr?
Manipulace FOCUS
Výsledky dosažené dosud nemají stejnou spolehlivost jako ty z Sandiiny Z-mashiny, ale považovali jsme za zajímavé zmínit tyto experimenty, aby byla ukázána velká škála, kterou MHD umožňuje zvýšit hustotu a teplotu plazmatu. Na tomto poli je manipulace FOCUS velmi originální. Zůstává však otázkou, zda v tomto případě vysoké teploty měřené pomocí toku rentgenového záření skutečně odpovídají teplotě plazmatu nebo efektu nárazu na anodu. E. Lerner, který nemá prostředky silného novomexického laboratoře, je přesvědčen, že to naznačuje teplotu vyšší než miliarda stupňů (100 keV). Necháme mu odpovědnost za tuto závěrečnou myšlenku.
Princip činnosti
- června 2006
FOCUS je experiment, o kterém mluví spousta lidí od začátku 2000. Najdete informace v encyklopedii Wikipedia na:
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus
Fúze, pro každého, okamžitě vyvolává dvě jedinečné cesty.
-
Fúze v tokamácích, což odpovídá drahé manipulaci ITER, která bude umístěna v Cadarache, na severu od Aix-en-Provence
-
Fúze pomocí laserů, což je jiná "katedrála pro inženýry" nazývaná projekt Megajoule, umístěný v Barp, blízko Bordeaux.
Fúze znamená také výhradně fúzi deuteria a tritia, která probíhá při nejnižší teplotě. Deuterium je první izotop vodíku, jehož jádro je tvořeno jedním protonem a jedním neutronem. Jádro tritia obsahuje jeden proton a dva neutrony.
Jejich fúze, která nastává, když teplota dosáhne 100 milionů stupňů (rychle), produkuje jádro helia a neutron (rychlý) s energií 14 MeV (14 milionů elektronvoltů). Uvnitř 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 podobají téměř přesně molekulám lehkého vodíku. Mají stejné chemické vlastnosti:
Na levé straně je molekula D-D a na pravé straně molekula T-T. Vazba je zajištěna elektrony, zde znázorněnými včelami. "Nukleony" jsou znázorněni jako čerti. 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 mění na plazma, směs "elektronového plynu" a elektricky nabitých jader. Ale kolem 100 až 150 milionů stupňů se tato jádra začnou reagovat:
Zde je schéma fúze těžkého vodíku:
Čtenář se může seznámit s všemi těmito koncepty spojenými s jadernou energií prostřednictvím mého komiksu, který můžete zdarma stáhnout
Energéticky Váš
na stránce
http://www.savoir-sans-frontieres.com
na adrese:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
Je to výron neutronu fúze o 14 MeV, který způsobuje problém, protože tyto částice způsobují
indukovanou radioaktivitu
ve všech strukturách tvořících reaktor. Tyto neutrony se vstřebávají do materiálů struktur reaktoru a vytvářejí řadu nestabilních látek, které se okamžitě stávají radioaktivními a tvoří odpad. Tento tok neutronů dále poškozuje struktury reaktoru, může nakonec ohrozit pevnost jeho komponent a poškodit fungování cívek zajišťujících udržení plazmatu.
Níže uvedený obrázek naznačuje regeneraci tritia. Ve skutečnosti neutrony fúze nevytvářejí jen tritium. Vytvářejí také řadu radioaktivních izotopů, díky umělé radioaktivitě (na rozdíl od "přirozené radioaktivity" spojené s radioaktivními izotopy, které existují v přírodě a byly původně vytvořeny ve výbuchech supernov, a následně zahrnuty do hmoty Země v době jejího vzniku). Litiem obalený materiál se chová jako "plodný materiál", který má být vytvářen kontinuálně tritium, které je radioaktivní (poločas rozpadu: 12 let) a neexistuje v přírodě.
Občan většinou neví, že fúze je jako "chemie jader", kde se začíná s "směsí fúze", s "reakcí" a vznikají "produkty reakce". Fúze deuterium-tritium je jen jednou z možných reakcí. Ale protože je to reakce, která probíhá při nejnižší teplotě
Nepolutantní reakce fúze, bez radioaktivity a radioaktivních odpadů!
Viděli jsme v díle věnovaném Z-mashině, že v roce 2005 byla dosažena teplota dvou miliard stupňů ve Sandiiných laboratořích v Novém Mexiku. Na tomto místě je třeba upozornit, že cílem manipulace nebyl dosažení tak vysokých teplot, ale vytvoření jednoduchého zdroje rentgenového záření při několika milionech stupňů. Překvapivě však tento plazmový kompresor poskytl ... dvě miliardy stupňů, zcela nezpochybnitelně. Tento výsledek
outsider
okamžitě vyvolal neklid mezi týmy, které řídí tyto drahé projekty po desítky let:
-
fúze pomocí laserů (ve Francii: Megajoule)
-
fúze v tokamácích (ve Francii: ITER)
Ale uvidíme, že tato
Z-mashina
může
nebýt jediná, která může produkovat tak horké plazmaty (zatímco zařízení ITER, fungující kontinuálně, nemůže zvýšit svou teplotu). Pokud bychom použili analogii, můžeme říct, že je stejný rozdíl mezi touto novou sérií vysokoteplotních fúzních strojů a tokamakem jako mezi výfukovými motory a parními stroji.
Takže, porovnáním, ITER je parní stroj moderní doby
Abychom lépe pochopili tyto typy strojů, je třeba se seznámit s elektromagnetickými silami, které působí v elektrických vodičích, pak v výbojích.
Vezměme si "měkký" cívku, jednoduchý kroužek, ve kterém prochází proud. Tento kroužek vyvolá pole, které bude působit na vodič, kterým prochází elektrický proud podle síly Laplace I
x B
Roztažení kroužku 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 vést k prasknutí elektrického vodiče. V mé laboratoři v šedesátých letech jsme vytvářeli magnetická pole o síle 2 tesla (20 000 Gausů) pomocí proudů 50 000 ampér, dodávaných baterií kondenzátorů. Cívky byly z měděného plechu. Pokud nebyly pevně zajištěny (držené skleněnou vlákninou lepenou aralditem), tyto cívky okamžitě praskly a rozptýlily laboratoř.
Nyní vezměme elektrický výboj. Všichni jste viděli manipulaci, při které se mezi dvěma kovovými tyčemi vytvoří elektrický výboj. Tento výboj "stoupá" a nakonec se přeruší.
Zde najdeme schéma kroužku z předchozího, s výjimkou toho, že proud prochází kovovými vodiči a typem ionizovaného plynu, plazmatem. Ale princip je stejný. Tento "kroužek" se snaží roztažit.
Kromě toho, mimo "hádanky" se dostaneme k konceptu kanónu s plazmatem (plazmový rail gun). Pokud jsou zavedené intenzity dostatečně vysoké, můžeme vytvořit plazma, které pod vlivem významné síly Laplace způsobí masivní pohyb plynu. Tato hmotnost ionizovaného plynu může být pak přeměněna na projektil. Dosažená rychlost může být nadzvuková a výstřel tohoto plazmového oblouku bude doprovázen rázovou vlnou.
Plazmový kanón (rail gun)
Fyzika plazmatu se dá uplatnit ve všech možných a představitelných geometriích a uvnitř takových zařízení mohou probíhat různé jevy, více nebo méně známé a ovládané. Předtím jsme uvažovali o jediném kroužku. Ale můžeme si také představit soubor kroužků uspořádaných do tvaru toru: konstrukce podobná tokamaku. Snadno si lze představit, že pokud bychom umístili elektrické vodiče na měkkou obálku, podobnou nárazníku, tvořenou izolačním materiálem, procházející proud by "nafoukl" tuto obálku. Opět, pokud je proud příliš vysoký, může vést k prasknutí. Tím pádem jsou systémy magnetizace tokamaku vystaveny mechanickým zátěžím a musí být pevně zajištěny.
Systém cívek tokamaku (schématicky). Síla prasknutí.
Vypadá to, že tento soubor vodičů je vystaven "magnetickému tlaku", jehož hodnota je:
B 2 /2 m o
a kde, v MKSA:
m o = 4 p 10 -7 C
Stejně jako v "plazmovém rail gunu" můžeme předpokládat, že v této toroidní geometrii proudu se část "může volně rozšířit". Můžeme například získat schéma ionizátoru stěny (ve tvaru koštěte)
Ionizátor stěny
Tento zařízení vytváří druh "plazmového stínítka", které se snaží být vypuzováno daleko od stěny.
Nyní se dostaneme k schématu stroje "FOCUS", jehož základní koncept sahá do let 50. (stejně jako prakticky všechny základní koncepty MHD. To není nic jiného než MHD: víte, tato disciplína, kterou Francie opustila na konci 50. let "protože to nefungovalo" a dnes máme vůči Američanům a Rusům třicet let zpoždění).
FOCUS
by se podobal nějakému druhu plazmového kanónu "svinutého podél osy". Má centrální anodu, obklopenou katodou. Tady je obraz, jak se objeví ve Wikipedia.
Stroj Focus V
tady je stroj, pohledem zepředu, s výstupem "plazmového stínítka":
Stroj Focus, s výstupem "plazmového stínítka"
Když se toto plazmové stínítko vypouští z válce, vzniká plazmový řetězec, který ho udržuje na anodě na krátkou dobu:
Focus: vznik plazmového řetězce
Zde je třeba zahrnout druhý efekt: stlačení plazmového řetězce, vždy pod vlivem jeho vlastního magnetického pole). Schéma níže hovoří samo za sebe.
Efekt stlačení v plazmovém řetězci
Stroj FOCUS tedy kombinuje oba efekty. Pod vlivem svého vlastního magnetického pole "plazmové stínítko" je tedy vypuzováno. Pak, když se snaží odtrhnout od elektrod, což nakonec nastane, vzniká plazmový řetězec, kde probíhá silný efekt stlačení. Nevíme přesně, co se v něm děje. V každém případě tato komprese způsobuje vysoké teploty. Někteří si myslí, že v tomto řetězci vznikají složité geometrické nestability, proud má tendenci vytvářet takzvané vlákna, vinuté proudy, ve kterých probíhají nové efekty stlačení, zvyšující teplotu. Nakonec se v této slupce objeví "teplé body".
Geometrie (předpokládaná) proudu
MHD nestability mají "špatnou pověst". Během desetiletí bránily vývoji tokamaků. V roce 1960 se zhroutil průmyslový vývoj MHD v "dvou teplotních" systémech kvůli nestabilitě Vélikhov (je známo, že jsem téměř znám všem ruským odborníkům na MHD díky mé práci na tomto tématu, zejména díky dvěma experimentům, ve kterých jsem v roce 1965 a 1982 úspěšně zneškodnil tuto nestabilitu). Tyto nestability jsou velmi ne lineární, kaprízní. Nestabilita není "dobrá nebo špatná". V případě stroje FOCUS jsou tyto nestability využity k dosažení lokálně velmi vysokých teplotních výkyvů.
Jaké jsou výsledky?
Tyto stroje typu FOCUS jsou neuvěřitelně hrubé a jednoduché. Ale co dají? Zde jsou nejprve obrázky tohoto výboje, zachycené rychlou kamerou, ukazující tento efekt vypouštění plazmového stínítka, doprovázený stlačením:
Film událostí se čte od spodu nahoru
Níže je stroj FOCUS postavený Fillipovem (nyní zemřelým) v roce 1960 v Institutu vysokých teplot Kurtchatov v Moskvě:
Fillipov před svým strojem FOCUS v Institutu vysokých teplot Kurtchatov v Moskvě
Můžeme si představit stroje FOCUS různých velikostí, parametry podobnosti jsou relativně dobře ovládané (viz článek v Wikipedia). Uvedený stroj odpovídá stovkám kiloampér s dobou náběhu tří mikrosekund. Anoda má délku 16 cm a průměr 1 cm. Takové stroje jsou nyní studovány ve 8 zemích. Některé týmy tvrdí, že dosáhly výsledků, které by umožnily zvážit možnost výroby energie z neznečišťující fúzní reakce Bore
11
Hydrogène
1
dávající 4 jádra helia a 8,7 MeV energie. Reakce Li
6
plus D
2
(deuterium) dává 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 ochranný překrývající se záření X, které vysílá, když elektrony výboje na ni dopadají. Tyto X-ky nejsou cílem vědců, ale ty, které jsou přímo vysílány plazmatem a umožňují určit jeho teplotu.
Pro určení měřítka má tento systém délku jednoho stopa.
I když byl koncept zaveden v roce 1958, považujeme za narození strojů FOCUS za rok 1964, kdy byly vynalezeny současně ve Spojených státech Matherem a v Rusku Fillipovem. Na konci šedesátých a začátku sedmdesátých let Winston Bostick a Victorio Nardi z Stevens Institute of Technology v Hoboken, New Jersey vyvinuli teoretický model, podle kterého by teplotní nárůsty probíhaly ve "teplých bodech" nebo "plasmoidech", spojených s velkými místními hodnotami magnetického pole. Tato teorie má své odpůrce. Někteří si myslí, že energie je více rozptýlená ve plazmatu. V roce 1986 Eric Lerner navrhl kvantitativní teorii DPS (Dense Plasma Focus), stále založenou na konceptu "teplých bodů". Tyto výzkumy zůstaly v klidu do začátku devadesátých let kvůli nedostatku financování.
V roce 1994 byly experimentální výzkumy znovu zahájeny na malých zařízeních na univerzitě v Illinois. V roce 2001 byly experimenty prováděny na Texas A&M University Lernerem. Ten to popisuje 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 svá měření tím, že tok rentgenového záření, který měří, pochází z plazmatu výboje a ne z dopadu elektronů na elektrodu. Vysvětluje, jak se snažil zakrýt tuto druhou emisi olověným štítěm o tloušťce 5 cm. Možná. V tom případě by dosažená teplota byla skutečně vyšší než miliarda stupňů. Záleží na tom. Obecně řečeno, týmy pracující na manipulacích typu FOCUS jsou omezeny nedostatkem finančních prostředků a tedy i přesnými a vhodnými diagnostickými prostředky.
Tento výsledek je pravděpodobně méně důvěryhodný než ten z Sandie (Z-mashina), ale považovali jsme za zajímavé zmínit tuto jinou metodu.
- února 2008
: Přesnost ohledně vedlejších reakcí spojených s rovnicí
B 11 + H 1 L
Bor má 5 elektrických nábojů, vodík má jeden. Uhlík 6 a dusík 7.
Ochlazování plazmatu zářením probíhá zářením brzdným. Výkon vyzařovaný se mění jako druhá mocnina elektrického náboje. Výkon vyzařovaný rentgenovým zářením elektronu, který se otáčí kolem atomu boru, je tedy 25krát vyšší než ten ztracený při otáčení kolem atomu vodíku (lehkého nebo těžkého, počítá se náboj)
B 11 + H 1
dává C
11
- n + 2,8 MeV
Životnost uhlíku C
11
: 20 minut. Můžeme bezpečně otevřít komoru 10 hodin po vypnutí.
B 11
- He
4
dává N
11
- n + 157 keV
Ochrana: 20 cm B 10
nebo 1 metr vody.
Indukovaná radioaktivita na elektrodě z berylia: 5 mikrocurie za rok (údaje: Lernerova konference)
Podle Lernera, v této impulsní fúzi
se používají
MHD nestability. Jeho popis mechanismů je následující. Elektrický výboj "parasol" nejprve tenduje vytvářet kondenzace plazmatu podobné "balech toho samého parasolu". Pak se tyto vlákna vinou podél osy, aby vytvořily plazmový řetězec. Tento řetězec, díky nestabilitě Kink, se konfiguruje "jako zahnutý telefonní drát". Pak ve stejné struktuře se tvoří "samozásobující se plasmoide" - teplé body o malém objemu, menší než krychlový mikrometr. V těchto plasmoidech má magnetické pole toroidní topologii. Nové stlačení podél osy tohoto plasmoide-kapky. A pak, podle Lernera, probíhají reakce fúze.
Konference Lernera o stroji FOCUS:
http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl
Viz také stránka
http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion
anglického Wikipedia, která by měla být přeložena do francouzštiny. To by osvětlilo více lidí