היתוך לא מזהם – האם יש מסלול אפשרי אחר?
הניסוי FOCUS
התוצאות שהושגו עד היום אינן בעלות רמת אמינות זהה לזו של מכונת Z בסנדיה, אך נראה לנו מעניין להזכיר ניסויים אלה כדי להדגים את הטווח הרחב מאוד שמאפשרת MHD, בכל הנוגע להגברת הצפיפות והטמפרטורה של פלזמה. בתחום זה, הניסוי Focus הוא מקורי מאוד. נשאלת השאלה, במקרה זה, אם הטמפרטורות הגבוהות שנמדדו באמצעות שטף קרינת X תואמות בפועל את טמפרטורת הפלזמה או את אפקט ההתנגשות עם האנודה. E. Lerner, הרחוק מלהחזיק באמצעים של המעבדה החזקה של ניו מקסיקו, משוכנע כי הדבר מעיד על השגת טמפרטורה של יותר ממיליארד מעלות (100 keV). אנו נותן לו את האחריות על מסקנה זו.
עקרון הפעולה
1° ביוני 2006
FOCUS הוא ניסוי עליו מדברים לא מעט אנשים מאז תחילת שנות ה-2000. ניתן למצוא פרטים באנציקלופדיה Wikipedia בכתובת:
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus
היתוך, עבור כל אדם, מזכיר מיד שני מסלולים בלבד.
- היתוך בטוקמקים, התואם לניסוי ITER היקר, שיוקם בקדראש, מצפון לאקס-אן-פרובנס.
- היתוך באמצעות לייזרים, כמו "קתדרלה מהנדסים" אחרת – פרויקט Megajoule, הממוקם בבארפ, ליד בורדו.
במונח "היתוך" מבינים גם באופן בלעדי את זה של דאוטריום וטריטיום, שהוא זה המתרחש בטמפרטורה הנמוכה ביותר. דאוטריום הוא איזוטופ ראשון של מימן, שגרעינו מורכב מפרוטון ונייטרון. גרעין הטריטיום מכיל פרוטון ושני נייטרונים.
ההיתוך שלהם, המתרחש כאשר הטמפרטורה מגיעה למאה מיליון מעלות (בקצב מהיר), מייצר גרעין הליום ונייטרון (מהיר) בעל אנרגיה של 14 Mev (14 מיליון אלקטרון-וולט). במרכז השמש, הטמפרטורה של "הדוד" היא רק 15-20 מיליון מעלות, וההיתוך מתרחש שם בקצב איטי בהרבה (אחרת השמש הייתה מתפוצצת).
מולקולות מימן כבד דומות מאוד למולקולות מימן קל. הן בעלות אותן תכונות כימיות:
משמאל, מולקולה D-D ומימין, מולקולה T-T. הקשר מובטח על ידי אלקטרונים, המיוצגים כאן על ידי דבורים. ה"נוקליאונים" מיוצגים על ידי שדים. הפרוטונים, טעונים חשמלית, הם בסגול, והנייטרונים, ניטרליים חשמלית, הם באדום.
מעל 3000° המימן "מיונן לחלוטין", האלקטרונים עוזבים את הגרעינים והמימן (קל או כבד) הופך לפלזמה, תערובת של "גז אלקטרונים" וגרעינים טעונים חשמלית. אך סביב 100-150 מיליון מעלות, גרעינים אלה נוטים להגיב:
הנה תרשים ההיתוך של מימן כבד:
הקורא יכול להת familiarize עם כל המושגים הקשורים לאנרגיה גרעינית על ידי עיון בספר הקומיקס שלי, הזמין להורדה בחינם:
Energétiquement Vôtre
זמין באתר
http://www.savoir-sans-frontieres.com
בכתובת:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
פליטת נייטרון ההיתוך של 14 Mev היא זו שיוצרת בעיה, מכיוון שחלקיקים אלה גורמים לרדיואקטיביות מוקנית בכל המבנים המרכיבים את הכור. נייטרונים אלה נכנסים לחומרי המבנים של הכור ויוצרים חומרים רבים לא יציבים שהופכים ipso-facto לרדיואקטיביים ויהוו פסולת. שטף הנייטרונים פוגע גם במבני הכור, עלול בסופו של דבר לפגוע בחוזק רכיביו ולפגוע בתפקוד התקין של הסולנואידים המבצעים את הכליאה של הפלזמה.
הציור לעיל מזכיר את רגנרציית הטריטיום. בפועל, נייטרוני ההיתוך לא רק יוצרים טריטיום מחדש. הם יוצרים גם איזוטופים רדיואקטיביים רבים, באמצעות אפקט של רדיואקטיביות מלאכותית (בניגוד ל"רדיואקטיביות טבעית" הקשורה לאיזוטופים רדיואקטיביים הקיימים בטבע, שנוצרו במקור בהתפוצצות סופרנובות, ואז נכללו במסת הארץ בעת היווצרותה). מעטפת ליתיום מתנהגת כמו "חומר פורה" שמיועד לייצר טריטיום באופן מתמשך, שהוא רדיואקטיבי (זמן מחצית חיים: 12 שנים) ולא קיים בטבע.
האדם הפשוט אינו יודע בדרך כלל שההיתוך הוא כמו "כימיה של גרעינים", שבה מתחילים מ"תערובת היתוך", מ"תגובה", ומקבלים "תוצרי תגובה". היתוך דאוטריום-טריטיום הוא רק אחת התגובות האפשריות. אך מכיוון שזו היא זו המתרחשת בטמפרטורה הנמוכה ביותר
תגובות היתוך לא מזהמות, נטולות רדיואקטיביות ופסולת רדיואקטיבית!
ראינו, במאמר המוקדש למכונת Z, כי טמפרטורה של שני מיליארד מעלות הושגה ב-2005 במעבדות Sandia, בניו מקסיקו. נציין בין היתר כי מטרת הניסוי לא הייתה להשיג טמפרטורות גבוהות כל כך, אלא ליצור מקור פשוט של קרינת X, תחת כמה מיליון מעלות. אך, באופן בלתי צפוי, המדחף הפלזמתי הזה סיפק... שני מיליארד מעלות, באופן לחלוטין לא ניתן לערעור. תוצאה זו
outsider
יצרה מיד אי נוחות בקרב הצוותים שמנהלים זה עשרות שנים פרויקטים יקרים אלה:
- היתוך באמצעות לייזר (בצרפת: Megajoule)
- היתוך במכונות טוקמק (בצרפת: ITER)
אך אנו נראה כי מכונת Z
לעיתים
לא תהיה
היחידה שיכולה לייצר פלזמות חמות כל כך (בעוד שמכונת ITER, הפועלת ברציפות, לא יכולה להגביר את הטמפרטורה שלה). באנלוגיה, ניתן לומר שיש הבדל גדול בין הדור החדש הזה של מכונות היתוך, בטמפרטורה גבוהה, לבין הטוקמק, כמו בין מנועי בעירה ומכונות קיטור.
כך, בהשוואה, ITER היא מכונת הקיטור של הזמנים המודרניים
כדי להבין טוב יותר סוגים אלה של מכונות, יש להת familiarize עם הכוחות האלקטרומגנטיים הפועלים במוליכים חשמליים, ואז בפריקות.
ניקח סולנואיד "גמיש", פשוט לולאה שבה אנו מעבירים זרם. לולאה זו תייצר שדה שיפעל על החוט שעובר דרכו הזרם החשמלי באמצעות כוח Laplace I
x B
התפשטות של לולאה תחת השפעת השדה המגנטי שלה עצמה
זהו טיפוסי הניסוי שראיתם בבית הספר התיכון או בארמונו של התגליות.
אם הזרם אינטנסיבי מספיק, זה יכול לגרום להתפוצצות של המוליך החשמלי. במעבדה שלי בשנות ה-60 יצרנו שדות מגנטיים של 2 טסלה (20,000 גאוס) באמצעות זרמים של 50,000 אמפר, מסופקים על ידי סוללת קונדנסטורים. הסלילים היו עשויים פח נחושת. אם הם לא היו קשורים היטב (מוחזקים על ידי מעטפת סיבי זכוכית דבקה לארלדית), סולנואידים אלה התפוצצו מיד ופיזרו פסולת במעבדה.
כעת ניקח פרקה חשמלית. כולם כבר ראו את הניסוי של שבירת פרקה חשמלית בין שני מוטות מתכת. זו "עולה" ולבסוף נשברת.
אנו מוצאים את תרשים הלולאה של לפני כן, להבדיל שהזרם עובר במוליכים מתכתיים ובסוג של גז מיונן, פלזמה. אך העיקרון הוא אותו דבר. "לולאה" זו נוטה להתפשט.
מעבר לגאדג'ט, אנו מגיעים למושג תותח פלזמה (plasma rail gun). אם העוצמות המוזרקות הן מספיקות גדולות, ניתן ליצור פלזמה, תחת כוח Laplace משמעותי, שתגרום לתנועת גז מסיבית. מסת הגז המיונן הזו יכולה אז להפוך לחייד. המהירות שהושגה יכולה להיות על-קולית, ופליטת הקשת הפלזמית הזו מלווה בגל הלם.
תותח פלזמה (rail gun)
הפיזיקה של הפלזמה יכולה להתאים לכל הגיאומטריות האפשריות והדמיוניות, ובתוך מכשירים אלה יכולים להתרחש תופעות רבות, יותר או פחות מוכרות ומבוקרות, יתר על כן. לפני כן שקלנו לולאה יחידה. אך אנו יכולים גם לדמיין מערכת של לולאות מסודרות לפי טורוס: התקנה בסגנון טוקמק. ניתן לדמיין בקלות שאם היו לולאות של חוט חשמלי על מעטפת גמישה, דומה לצמיג, עשויה מבד מבודד, מעבר הזרם "ינפח" אותה. גם כאן, מעבר זרם אינטנסיבי מדי יכול לגרום להתפוצצות. מערכות המגנטיזציה של טוקמק נתונות כך למאמצים מכניים ויש לחזק אותן היטב.
מערכת סולנואידים של טוקמק (סכמטית). כוח התפוצצות.
הכל מתנהג כאילו מערכת המוליכים הזו נתונה ל"לחץ מגנטי" שערכו הוא:
B 2 /2 m o
והיכן, במערכת MKSA:
m o = 4 p 10 -7 C
כמו ב"plasma rail gun", ניתן לדמיין שבתוך הגיאומטריה הטורואידית של שכבת הזרם חלק היא "חופשייה להתפשט". נקבל לדוגמה את תרשים המיינן הפריאטלי (בצורת מלכודת זאב)
מיינן פריאטלי
זה יוצר סוג "מטרייה של פלזמה" שנוטה להידחף הרחק מהדופן".
כעת נגיע לתרשים מכונת "FOCUS", שהמושג הבסיסי שלה מקורו בשנות ה-50 (כמעט כמו כל המושגים הבסיסיים של MHD. זה לא יותר מאשר MHD: אתם יודעים, זה התחום שנטשנו בצרפת בסוף שנות ה-50 "כי זה לא עבד" ושבגלבו יש לנו היום, ביחס לאמריקאים ולרוסים, שלושים שנים טובות של פיגור).
FOCUS
תיראה כמו סוג של תותח פלזמה "כפוף לפי ציר". יש אנודה מרכזית, מוקפת על ידי קתודה. הנה התמונה כפי שהיא מופיעה ב-Wikipedia.
מכונת Focus V
הנה המכונה, במבט פרספקטיבי, עם פליטות של "מטריית הזרם":
מכונת Focus, עם פליטת "המטרייה" של הפלזמה
כאשר מטריית הפלזמה הזו נדחפת מחוץ לצילינדר, נוצר חבל פלזמה שמחזיק אותה לרגע קצר באנודה:
Focus: יצירת חבל הפלזמה
כאן יש להכניס אפקט שני: צמצום של חבל פלזמה, תמיד תחת השפעת השדה המגנטי שלו עצמו). התרשים הבא מדבר בעד עצמו.
אפקט הצמצום בחבל פלזמה
מכונת FOCUS משלבת אפוא את שני האפקטים. תחת השפעת השדה המגנטי שלה עצמה, "מטריית הפלזמה" נדחפת. ואז, ברגע שהיא נוטה להתנתק מהאלקטרודות, מה שלבסוף קורה, נוצר חבל פלזמה שבו פועל אפקט צמצום אלים. לא ידוע היטב מה קורה בתוכו. בכל מקרה, הדחיסה הזו יוצרת טמפרטורות משמעותיות. חלק סבורים כי בתוך חבל זה נולדות אי יציבויות גיאומטריות מורכבות למדי, הזרם נוטה אז ליצור סוגים של סיבים, זרמים כפופים, בתוכם יתרחשו אפקטי צמצום חדשים, המגבירים את עליית הטמפרטורה. In fine "נקודות חמות" יופיעו בתוך עמוד הפלזמה הזה.
גיאומטריה (משוערת) של הזרם
אי יציבויות MHD יש "שם רע". הן עכבו במשך עשרות שנים את הפיתוח של הטוקמקים. הן קרסו בסוף שנות ה-60 את המאמץ של MHD תעשייתי ב"טמפרטורה בינונית" בגלל אי יציבות של Velikhov (נראה כי אני מוכר כמעט לכל המומחים הרוסים ל-MHD בגלל עבודותי בנושא, ובמיוחד בגלל שני הניסויים שבהם, באמצעות שתי שיטות שונות, הצלחתי, ב-1965 וב-1982, לבטל אי יציבות זו). אי יציבויות אלה הן תופעות לא ליניאריות מאוד, קפריזיות. אי יציבות "אינה טובה ואינה רעה". במקרה של מכונת Focus, אי יציבויות אלה מנצלות כדי להשיג, מקומית, סטיות טמפרטורה גבוהות מאוד.
מהן התוצאות?
מכונות מסוג Focus אלה הן חסרות חסרונות ופשוטות להפליא. אך מה הן נותנות? הנה קודם כל תמונות של פרקה זו, מצולמות במצלמה מהירה במיוחד, המראות את אפקט הדחיפה של כותרת הפלזמה, מלווה בצמצום:
הסרט של האירועים יש לקרוא מלמטה למעלה
הנה מכונת Focus שנבנתה על ידי Fillipov (נפטר כעת) בשנות ה-60 במכון Kurchatov לטמפרטורות גבוהות במוסקבה:
Fillipov לפני מכונת Focus שלו, במכון Kurchatov לטמפרטורות גבוהות במוסקבה
ניתן לדמיין מכונות Focus בגדלים שונים, פרמטרי הדמיון מבוקרים יחסית היטב (ראו המאמר ב-Wikipedia). המכונה לעיל תואמת לכ-100 קילואמפר עם זמן עלייה של שלושה מיקרו-שניות. האנודה היא באורך 16 ס"מ וקוטר 1 ס"מ. מכונות כאלה נחקקות כעת ב-8 מדינות. חלק מהצוותים טוענים שהשיגו תוצאות שיאפשרו לדמיין את היתכנות של הפקת אנרגיה מתגובת היתוך לא מזהמת Bore
11
Hydrogène
1
נותנת 4 גרעיני הליום ו-8.7 Mev אנרגיה. התגובה Li
6
plus D
2
(דאוטריום) נותנת 22.4 Mev.
ניתן למצוא זאת ב:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
מכונת Focus האמריקאית יש אנודה חלולה, מה שמייצג וריאציה של ההתקנה הכללית.
מכונת Focus אמריקאית, עם אנודה חלולה
התקנה זו מאפשרת לאנודה לשמש כמסך לקרינת X שהיא פולטת כאשר האלקטרונים של הפרקה פוגעים בה. לא את ה-X האלה החוקרים רוצים למדוד, אלא את אלה שנפלטים ישירות על ידי הפלזמה ויאפשרו לדעת את הטמפרטורה שלה.
כדי לקבע את הסולם, ההתקנה היא באורך רגל.
למרות שהמושג נולד ב-1958, יש לקבע את "תעודת הלידה" של מכונות Focus ב-1964, אז הן דומות בו-זמנית בארה"ב על ידי Mather וברוסיה על ידי Fillipov. בסוף שנות ה-60 ותחילת שנות ה-70, Winston Bostick ו-Victorio Nardi, מ-Stevens Institute of Technology, Hoboken, New Jersey, פיתחו מודל תיאורטי לפיו עלייות הטמפרטורה יתרחשו ב"נקודות חמות" או "פלזמואידים", הקשורים לערכים מקומיים עצומים של השדה המגנטי. תיאוריה זו יש מתנגדים. חלק סבורים להפך שהאנרגיה מפוזרת יותר בתוך הפלזמה. ב-1986, Eric Lerner הציע תיאוריה כמותית של DPS (Dense Plasma Focus), תמיד מבוססת על מושג "הנקודות החמות". מחקרים אלה נעצרו עד תחילת שנות ה-90 בגלל חוסר מימון.
ב-1994, מחקרים ניסויים חודשו על התקנות קטנות באוניברסיטת אילינוי. ב-2001, ניסויים שנערכו באוניברסיטת A&M בטקסס בוצעו על ידי Lerner. הוא מדווח על כך במאמר:
http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0205/0205026.pdf
עבודות אלה מזכירות גם ב:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Lerner מפרש את המדידות שלו באומרו ששטף קרינת X שהוא מודד מקורו מפלזמה הפרקה ולא מהפגיעה של האלקטרונים על האלקטרודה. הוא מסביר כיצד הוא ניסה להסתיר פליטה שנייה על ידי מסך עופת בעובי 5 ס"מ. ייתכן. במקרה כזה, הטמפרטורה שהושגה תהיה בפועל של יותר ממיליארד מעלות. עניין להמשך. בדרך כלל, הצוותים העובדים על ניסויים מסוג focus נשארים מעוכבים על ידי חוסר מימון ולכן חוסר אמצעי אבחון תקפים ומדויקים.
תוצאה זו היא בוודאי פחות אמינה מזו של Sandia (מכונת Z) אך נראה לנו מעניין להזכיר גישה אחרת זו.
17 בפברואר 2008
: דיוק לגבי תגובות טפיליות הקשורות לנוסחה
B 11 + H 1
לבור יש 5 מטענים חשמליים, למימן אחד. לפחמן 6 ולחנקן 7.
הקירון הרדיאטיבי של הפלזמה מתבצע על ידי קרינת בלימה. ההספק הנפלט משתנה כמו ריבוע המטען החשמלי. ההספק הנפלט בקרינת X על ידי אלקטרון הספירלי סביב אטום בור הוא אפוא 25 פעמים גבוה יותר מההפסד בספירלה סביב אטום מימן (קל או כבד, המטען הוא מה שחשוב)
B 11 + H 1
נותן C
11
- n + 2.8 Mev
זמן חיים של הפחמן C
11
: 20 דקות. ניתן לפתוח בבטחה את התא 10 שעות לאחר עצילת הפעולה
B 11
- He
4
נותן N
11
- n + 157 keV
הגנה: 20 ס"מ של B 10
או 1 מטר של מים.
רדיואקטיביות מוקנית באנודה עשויה בריליום: 5 מיקרו-קירי לשנה (נתונים: הרצאה של Lerner)
לפי Lerner, בהיתוך פולסי
אנו משתמשים
באי יציבויות MHD. תיאורו של המנגנונים הוא כדלקמן. הפרקה החשמלית "בצורת מטרייה" נוטה קודם ליצור עיבויים של פלזמה דומים "לוויילת המטרייה הזו". ואז סיבים אלה נכפפים לפי הציר כדי ליצור חבל פלזמה. זה, באמצעות אי יציבות Kink, מסתרג "כחבל טלפון ספירלי". ואז בתוך מבנה זה נוצרים "פלזמואידים עצמי-כלואים", נקודות חמות של נפח זעיר, פחות מיקרו-מטר מעוקב. בתוך פלזמואידים אלה השדה המגנטי יש טופולוגיה טורואידית. צמצום חדש לפי הציר של פלזמואיד-טיפה. ואז, לפי Lerner, מתרחשות תגובות ההיתוך.
הרצאה של Lerner על מכונת Focus:
http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl
ראו גם את הדף
http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion
של Wikipedia האנגלית, שצריך לתרגם לצרפתית. זה יאיר את הדעת של רבים