Fusi non-polutan, alternatif lain yang mungkin?
Eksperimen FOCUS
Hasil yang diperoleh hingga saat ini tidak memiliki tingkat keandalan yang sama dengan hasil dari Z-machine di Sandia, namun kami merasa menarik untuk membahas eksperimen-eksperimen ini guna menunjukkan rentang sangat luas yang dimungkinkan oleh MHD (Magnetohydrodynamics) dalam hal meningkatkan densitas dan temperatur plasma. Dalam hal ini, eksperimen Focus sangat orisinal. Masih perlu dipastikan apakah suhu tinggi yang diukur dengan bantuan fluks sinar-X benar-benar sesuai dengan suhu plasma atau merupakan efek benturan pada anoda. E. Lerner, yang jauh dari memiliki sumber daya laboratorium kuat di New Mexico, yakin bahwa hal ini menunjukkan bahwa suhu lebih dari satu miliar derajat (100 keV) telah dicapai. Kami akan menyerahkan tanggung jawab atas kesimpulan ini kepadanya.
Prinsip Kerja
1 Juni 2006
FOCUS adalah eksperimen yang banyak dibicarakan orang sejak awal tahun 2000. Informasi dapat ditemukan dalam ensiklopedia Wikipedia di:
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus
Bagi kebanyakan orang, fusi nuklir langsung mengingatkan pada dua jalur tunggal.
-
Fusi dalam Tokamak, yang sesuai dengan eksperimen ITER yang mahal, yang akan dibangun di Cadarache, utara Aix-en-Provence.
-
Fusi dengan laser, lihat "katedral untuk insinyur" lainnya, yaitu proyek Megajoule, yang terletak di Le Barp, dekat Bordeaux.
Dengan fusi, orang juga secara eksklusif merujuk pada fusi deuterium dan tritium, yang terjadi pada suhu terendah. Deuterium adalah isotop pertama hidrogen yang intinya terdiri dari satu proton dan satu neutron. Inti tritium mengandung satu proton dan dua neutron.
Fusi mereka, yang terjadi ketika suhu mencapai seratus juta derajat (pada laju cepat), menghasilkan inti helium dan neutron (cepat) dengan energi 14 MeV (14 juta elektron-volt). Di inti matahari, suhu "ketel" hanya 15 hingga 20 juta derajat dan fusi di sana berlangsung pada laju yang jauh lebih lambat (jika tidak, Matahari akan meledak).
Molekul hidrogen berat sangat mirip dengan molekul hidrogen ringan. Mereka memiliki sifat kimia yang sama:
Di kiri, molekul D-D dan di kanan molekul T-T. Ikatan dijaga oleh elektron, di sini digambarkan sebagai lebah. "Nukleon" digambarkan sebagai iblis kecil. Proton, yang bermuatan listrik, berwarna ungu, sedangkan neutron, yang netral secara listrik, berwarna merah.
Di atas 3000°, hidrogen "terionisasi sepenuhnya", elektron meninggalkan inti dan hidrogen (ringan atau berat) berubah menjadi plasma, campuran "gas elektron" dan inti bermuatan listrik. Namun, sekitar 100-150 juta derajat, inti-inti ini cenderung bereaksi:
Berikut adalah skema fusi hidrogen berat:
Pembaca dapat membiasakan diri dengan semua konsep terkait energi nuklir ini dengan membaca komik saya yang dapat diunduh secara gratis:
Energétiquement Vôtre
tersedia di situs
http://www.savoir-sans-frontieres.com
di alamat:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
Emisi neutron fusi 14 MeV inilah yang menjadi masalah karena partikel-partikel ini menyebabkan
radioaktivitas terinduksi
pada semua struktur yang membentuk reaktor. Neutron-neutron ini terintegrasi ke dalam material struktur reaktor, menghasilkan banyak zat tidak stabil yang secara otomatis menjadi radioaktif dan akan menjadi limbah. Fluks neutron ini juga merusak struktur reaktor, dapat dalam jangka panjang mengompromikan kekuatan komponennya dan mengganggu fungsi normal solenoida yang memastikan konfinemen plasma.
Gambar di atas menggambarkan regenerasi tritium. Dalam praktiknya, neutron fusi tidak hanya menciptakan kembali tritium. Mereka juga menciptakan banyak isotop radioaktif, melalui efek radioaktivitas buatan (berlawanan dengan "radioaktivitas alami" yang terkait dengan isotop radioaktif yang ada di alam, yang awalnya diciptakan dalam ledakan supernova, lalu terintegrasi ke dalam massa bumi saat pembentukannya). Selubung litium berperilaku sebagai "material subur" yang seharusnya terus-menerus menciptakan kembali tritium, yang bersifat radioaktif (waktu paruh: 12 tahun) dan tidak ada di alam.
Orang awam umumnya tidak menyadari bahwa fusi adalah seperti "kimia inti", di mana kita memulai dari "campuran fusi", dari sebuah "reaksi", dan menghasilkan "produk reaksi". Fusi Deuterium-Tritium hanyalah salah satu reaksi yang mungkin. Namun, karena ini adalah reaksi yang terjadi pada suhu terendah
Reaksi fusi non-polutan, bebas dari radioaktivitas dan limbah radioaktif!
Kita telah melihat, dalam sebuah dokumen yang didedikasikan untuk Z-machine, bahwa suhu dua miliar derajat telah dicapai pada tahun 2005 di laboratorium Sandia, di New Mexico. Perlu dicatat bahwa tujuan eksperimen tersebut bukan untuk mendapatkan suhu setinggi itu, tetapi untuk menciptakan sumber sinar-X sederhana, di bawah beberapa juta derajat. Namun, secara tak terduga, kompresor plasma ini menghasilkan ... dua miliar derajat, dengan cara yang sepenuhnya tak terbantahkan. Hasil
outsider
ini segera menciptakan kecemasan di antara tim yang telah mengelola selama beberapa dekade proyek-proyek mahal seperti:
-
Fusi dengan laser (di Prancis: Megajoule)
-
Fusi dalam mesin tokamak (di Prancis: ITER)
Namun, kita akan melihat bahwa
Z-machine
ini
mungkin
bukan satu-satunya yang mampu menghasilkan plasma sepanas itu (sementara mesin ITER, yang beroperasi secara kontinu, tidak dapat meningkatkan suhunya). Dengan analogi, bisa dikatakan bahwa ada perbedaan sebanyak antara rentang baru mesin fusi suhu tinggi ini dan tokamak, seperti antara mesin pembakaran internal dan mesin uap.
Jadi, sebagai perbandingan, ITER adalah mesin uap zaman modern.
Untuk lebih memahami jenis mesin ini, perlu membiasakan diri dengan gaya elektromagnetik yang bekerja dalam konduktor listrik, lalu dalam pelepasan listrik.
Ambillah solenoida "fleksibel", sebuah loop sederhana di mana kita mengalirkan arus. Loop ini akan menghasilkan medan yang akan bekerja pada kawat yang dialiri arus listrik melalui Gaya Laplace I
x B
Dilatasi sebuah loop di bawah pengaruh medan magnetnya sendiri.
Ini secara khas adalah eksperimen yang mungkin pernah Anda lihat di SMA atau di Palais de la Découverte.
Jika arusnya cukup intens, hal ini dapat menyebabkan konduktor listrik pecah. Di laboratorium saya pada tahun 1960-an, kami menciptakan medan magnet 2 tesla (20.000 Gauss) menggunakan arus 50.000 ampere, yang diberikan oleh bank kapasitor. Lilitannya terbuat dari pita tembaga. Jika lilitan ini tidak diikat dengan kuat (dipegang oleh selubung serat kaca yang direkatkan dengan araldite), solenoida ini langsung pecah dan menghamburkan puing-puing di seluruh laboratorium.
Sekarang, mari kita ambil pelepasan listrik. Anda semua pasti pernah melihat eksperimen yang melibatkan pelepasan listrik di antara dua batang logam. Pelepasan ini "naik" dan akhirnya pecah.
Kita menemukan skema loop tadi, dengan perbedaan bahwa arus mengalir dalam konduktor logam dan dalam jenis gas terionisasi, yaitu plasma. Namun, prinsipnya sama. "Loop" ini cenderung mengembang.
Di luar sekadar mainan, kita sampai pada konsep meriam plasma (plasma rail gun). Jika intensitas yang disuntikkan cukup besar, kita dapat menciptakan plasma yang, di bawah pengaruh gaya Laplace yang kuat, akan menghasilkan gerakan gas masif. Massa gas terionisasi ini kemudian dapat berubah menjadi proyektil. Kecepatan yang dicapai bisa supersonik dan ejeksi busur plasma ini disertai dengan gelombang kejut.
Meriam plasma (rail gun)
Fisika plasma dapat mengadopsi semua geometri yang mungkin dan dapat dibayangkan, dan dalam perangkat semacam itu, banyak fenomena dapat terjadi, yang lebih atau kurang dikenal dan dikendalikan, selain itu. Sebelumnya kita telah mempertimbangkan satu loop tunggal. Namun, kita juga bisa membayangkan sekumpulan loop yang disusun dalam bentuk torus: pengaturan bergaya tokamak. Mudah dibayangkan bahwa jika kita memiliki loop kawat listrik pada selubung fleksibel, yang menyerupai ban dalam, yang terbuat dari kain isolator, aliran arus akan "mengembungkan" selubung tersebut. Sekali lagi, aliran arus yang terlalu intens dapat menyebabkan pecahnya selubung. Sistem magnetisasi tokamak karenanya mengalami tegangan mekanis dan harus diikat dengan kuat.
Sistem solenoida tokamak (skematik). Gaya pecah.
Semuanya terjadi seolah-olah kumpulan konduktor ini mengalami "tekanan magnetik" yang nilainya:
B 2 /2 m o
dan di mana, dalam satuan MKSA:
m o = 4 p 10 -7 C
Seperti pada "plasma rail gun", kita dapat membayangkan bahwa dalam geometri toroidal lapisan arus ini, sebagian "bebas untuk mengembang". Kita akan mendapatkan, misalnya, skema ionizer parietal (berbentuk perangkap serigala)
Ionizer parietal
Ini menciptakan semacam "payung plasma" yang cenderung terlempar jauh dari dinding.
Kita sekarang akan sampai pada skema mesin "FOCUS" yang konsep dasarnya berasal dari tahun 1950-an (sama halnya dengan hampir semua konsep dasar MHD. Ini tidak lain adalah MHD: Anda tahu, disiplin ilmu yang ditinggalkan di Prancis pada akhir tahun 1950-an "karena tidak berhasil" dan untuk mana kita saat ini, dibandingkan dengan orang Amerika dan Rusia, tertinggal tiga puluh tahun baik).
FOCUS
akan menyerupai semacam meriam plasma "yang digulung sepanjang sumbu". Ada anoda pusat, dikelilingi oleh katoda. Berikut adalah gambar seperti yang muncul di Wikipedia.
Mesin Focus V
Berikut adalah mesin tersebut, dilihat dalam perspektif, dengan ejeksi "payung arus":
Mesin Focus, dengan ejeksi "payung" plasma
Ketika payung plasma ini terlempar keluar dari silinder, terbentuklah kordon plasma yang menahannya sejenak di anoda:
Focus: pembentukan kordon plasma
Di sinilah kita perlu mempertimbangkan efek kedua: jepitan (pinch) pada kordon plasma, selalu di bawah pengaruh medan magnetnya sendiri. Skema berikut berbicara sendiri.
Efek jepitan dalam kordon plasma
Mesin FOCUS karenanya menggabungkan kedua efek. Di bawah pengaruh medan magnetnya sendiri, "payung plasma" ditiup keluar. Kemudian, pada saat ia cenderung terlepas dari elektroda, yang pada akhirnya terjadi, terbentuklah kordon plasma di mana terjadi efek jepitan yang hebat. Kita tidak terlalu tahu apa yang terjadi di dalamnya. Yang jelas, kompresi ini menghasilkan suhu yang signifikan. Beberapa orang berpikir bahwa dalam kordon ini lahir ketidakstabilan geometri yang cukup kompleks, di mana arus cenderung menghasilkan semacam serat, arus yang tergulung, di dalam mana terjadi efek jepitan baru, yang memperkuat kenaikan suhu. Pada akhirnya, "titik panas" akan muncul di dalam kolom plasma ini.
Geometri (yang diasumsikan) dari arus
Ketidakstabilan MHD memiliki "reputasi buruk". Mereka menghambat selama beberapa dekade perkembangan tokamak. Mereka meruntuhkan pada akhir tahun 1960-an upaya MHD industri "suhu ganda" karena ketidakstabilan Velikhov (sepertinya saya dikenal hampir oleh semua spesialis MHD Rusia karena karya saya tentang topik ini, dan khususnya karena dua eksperimen di mana, dengan menggunakan dua metode berbeda, saya berhasil, pada tahun 1965 dan 1982, meniadakan ketidakstabilan ini). Ketidakstabilan ini adalah fenomena yang sangat non-linear dan berubah-ubah. Sebuah ketidakstabilan "tidak baik atau buruk". Dalam kasus mesin Focus, ketidakstabilan ini dimanfaatkan untuk mendapatkan, secara lokal, lonjakan suhu yang sangat tinggi.
Apa hasilnya?
Mesin-mesin tipe Focus ini sangat kasar dan sederhana. Namun, apa hasilnya? Berikut adalah gambar-gambar pelepasan ini, diambil dengan kamera ultra-cepat, yang menunjukkan efek ejeksi mahkota plasma, disertai dengan efek jepitan:
Film peristiwa harus dibaca dari bawah ke atas
Berikutnya adalah mesin Focus yang dibangun oleh Fillipov (yang telah meninggal dunia) pada tahun 1960-an di Institut Kurtchatov untuk Suhu Tinggi di Moskow:
Fillipov di depan mesin Focus-nya, di Institut Kurtchatov untuk Suhu Tinggi di Moskow
Kita dapat mempertimbangkan mesin Focus dalam berbagai ukuran, parameter kesamaan relatif dikendalikan dengan baik (lihat artikel di Wikipedia). Mesin di atas sesuai dengan sekitar seratus kiloampere dengan waktu naik tiga mikrodetik. Anodanya panjangnya 16 cm dengan diameter satu cm. Mesin semacam itu saat ini diteliti di 8 negara. Beberapa tim mengklaim telah memperoleh hasil yang memungkinkan untuk mempertimbangkan kelayakan ekstraksi energi dari reaksi fusi non-polutan Boron
11
Hidrogen
1
yang menghasilkan 4 inti helium dan 8,7 MeV energi. Reaksi Li
6
ditambah D
2
(deuterium) menghasilkan 22,4 MeV.
Anda dapat menemukan ini di:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Mesin Focus Amerika memiliki anoda berongga, yang merupakan variasi dari pengaturan umum.
Mesin Focus Amerika, dengan anoda berongga
Pengaturan ini memungkinkan anoda berfungsi sebagai perisai sinar-X yang dipancarkannya ketika elektron dari pelepasan menghantamnya. Bukan sinar-X inilah yang ingin diukur oleh para peneliti, melainkan sinar-X yang dipancarkan langsung oleh plasma dan akan memungkinkan untuk mengetahui suhunya.
Untuk memberikan skala, pengaturannya sepanjang satu kaki.
Meskipun konsepnya lahir pada tahun 1958, tanggal lahir mesin Focus ditetapkan pada tahun 1964 ketika mereka secara bersamaan dibayangkan di AS oleh Mather dan di Rusia oleh Fillipov. Pada akhir tahun 1960-an dan awal tahun 1970-an, Winston Bostick dan Victorio Nardi, dari Stevens Institute of Technology, Hoboken, New Jersey, mengembangkan model teoretis menurut mana kenaikan suhu akan terjadi di "titik panas" atau "plasmoide", yang terkait dengan nilai medan magnet lokal yang sangat besar. Teori ini memiliki penentangnya. Beberapa orang berpikir sebaliknya bahwa energi lebih tersebar di dalam plasma. Pada tahun 1986, Eric Lerner mengusulkan teori kuantitatif DPS (Dense Plasma Focus), yang masih didasarkan pada konsep "titik panas" ini. Penelitian ini terhenti hingga awal tahun 1990-an karena kurangnya pendanaan.
Pada tahun 1994, penelitian eksperimental dilanjutkan pada pengaturan kecil di Universitas Illinois. Pada tahun 2001, eksperimen yang dilakukan di Universitas A & M Texas dilakukan oleh Lerner. Ia melaporkan hal ini dalam artikel:
http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0205/0205026.pdf
Karya-karya ini juga dibahas di:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Lerner menginterpretasikan pengukurannya dengan mengatakan bahwa fluks sinar-X yang ia ukur berasal dari plasma pelepasan dan bukan dari benturan elektron pada elektroda. Ia menjelaskan bagaimana ia berusaha menutupi emisi kedua ini dengan perisai timbal setebal 5 cm. Mungkin saja. Dalam hal itu, suhu yang dicapai memang lebih dari satu miliar derajat. Kasus yang perlu diikuti. Secara umum, tim yang bekerja pada eksperimen tipe focus tetap terhambat oleh kurangnya pendanaan dan karenanya kurangnya alat diagnostik yang valid dan presisi.
Hasil ini mungkin kurang andal daripada hasil Sandia (Z-machine), tetapi kami merasa menarik untuk menyebutkan pendekatan lain ini.
17 Februari 2008
: Klarifikasi tentang reaksi samping terkait rumus
B 11 + H 1
Boron memiliki 5 muatan listrik, hidrogen satu. Karbon 6 dan nitrogen 7.
Pendinginan radiatif plasma terjadi melalui radiasi pengereman. Daya yang dipancarkan bervariasi dengan kuadrat muatan listrik. Daya yang dipancarkan sebagai sinar-X oleh elektron yang berputar di sekitar atom Boron karenanya 25 kali lebih tinggi daripada yang hilang saat berputar di sekitar atom hidrogen (ringan atau berat, yang penting adalah muatannya).
B 11 + H 1
menghasilkan C
11
- n + 2,8 MeV
Umur karbon C
11
: 20 menit. Ruang dapat dibuka dengan aman 10 jam setelah penghentian operasi.
B 11
- He
4
menghasilkan N
11
- n + 157 keV
Perlindungan: 20 cm B 10
atau 1 meter air.
Radioaktivitas terinduksi pada elektroda berilium: 5 mikrocurie per tahun (data: konferensi Lerner)
Menurut Lerner, dalam fusi berdenyut ini
kita menggunakan
ketidakstabilan MHD. Deskripsi mekanismenya adalah sebagai berikut. Pelepasan listrik "berpayung" pertama-tama cenderung menghasilkan kondensasi plasma yang sebanding "dengan tulang rusuk payung yang sama". Kemudian filamen-filamen ini menggulung sepanjang sumbu untuk membentuk kordon plasma. Ini, melalui ketidakstabilan Kink, mengonfigurasi dirinya "seperti kabel telepon spiral". Kemudian dalam struktur yang sama terbentuk "plasmoide yang mengurung diri sendiri", titik-titik panas dengan volume yang sangat kecil, kurang dari satu mikrometer kubik. Dalam plasmoide ini, medan magnet memiliki topologi toroidal. Jepitan baru sepanjang sumbu plasmoide-tetesan ini. Dan saat itulah, kata Lerner, reaksi fusi terjadi.
Konferensi Lerner tentang mesin Focus:
http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl
Lihat juga halaman
http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion
dari Wikipedia berbahasa Inggris, yang seharusnya diterjemahkan ke dalam bahasa Prancis. Ini akan menerangi banyak orang.