Fuzja nieczysta z maszyną Focus
Fuzja nieczysta, inna możliwa ścieżka?
Eksperyment FOCUS
Otrzymane dotychczas wyniki nie mają tego samego poziomu wiarygodności co te z maszyny Z w Sandia, ale wydawało nam się interesujące wspomnieć o tych eksperymentach, aby pokazać bardzo szeroki zakres, jaki umożliwia MHD w kwestii zwiększania gęstości i temperatury plazmy. W tym aspekcie eksperyment Focus jest bardzo oryginalny. Pozostaje pytanie, czy w tym przypadku wysokie temperatury mierzone za pomocą strumienia promieniowania X odpowiadają rzeczywiście temperaturze plazmy, czy też efektowi uderzenia na anodę. E. Lerner, który nie dysponuje środkami potężnego laboratorium w Nowym Meksyku, jest przekonany, że wskazuje to na osiągnięcie temperatury powyżej miliarda stopni (100 keV). Pozostawimy mu odpowiedzialność za tę konkluzję.
Zasada działania
1 czerwca 2006
FOCUS to eksperyment, o którym wiele osób mówi od początku lat 2000. Elementy można znaleźć w encyklopedii Wikipedia pod adresem:
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus
Fuzja dla każdego kojarzy się natychmiast z dwoma jedynymi ścieżkami.
- Fuzja w tokamakach, odpowiadająca kosztownemu eksperymentowi ITER, który ma być zainstalowany w Cadarache, na północ od Aix-en-Provence.
- Fuzja za pomocą laserów, czyli ta inna „katedra dla inżynierów”, jaką jest projekt Megajoule, położony w Barp, blisko Bordeaux.
Przez fuzję rozumie się również wyłącznie tę deuteru i trytu, która zachodzi przy najniższej temperaturze. Deuter to pierwszy izotop wodoru, którego jądro składa się z protonu i neutronu. Jądro trytu zawiera proton i dwa neutrony.
Ich fuzja, zachodząca, gdy temperatura osiąga sto milionów stopni (w szybkim tempie), produkuje jądro helu i neutron (szybki) o energii 14 MeV (14 milionów elektronowoltów). W centrum Słońca temperatura „kotła” wynosi jedynie 15 do 20 milionów stopni, a fuzja zachodzi tam w znacznie wolniejszym tempie (w przeciwnym razie Słońce eksplodowałoby).
Cząsteczki ciężkiego wodoru są niemal identyczne z cząsteczkami lekkiego wodoru. Posiadają te same właściwości chemiczne:
Po lewej cząsteczka D-D, po prawej T-T. Wiązanie zapewniają elektrony, przedstawione tutaj jako pszczoły. „Nukleony” są przedstawione jako diabełki. Protony, naładowane elektrycznie, są fioletowe, neutrony, elektrycznie neutralne, czerwone.
Powyżej 3000°C wodór „jonizuje się całkowicie”, elektrony opuszczają jądra, a wodór (lekki lub ciężki) przekształca się w plazmę, mieszaninę „gazu elektronowego” i naładowanych elektrycznie jąder. Ale w okolicach 100-150 milionów stopni te jądra dążą do reakcji:
Oto schemat fuzji ciężkiego wodoru:
Czytelnik może zapoznać się ze wszystkimi tymi koncepcjami związanymi z energią jądrową, przeglądając mój komiks, dostępny do bezpłatnego pobrania:
Energicznie Twój
dostępny na stronie http://www.savoir-sans-frontieres.com pod adresem:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
Emitowanie tego neutronu fuzji o energii 14 MeV stanowi problem, ponieważ cząstki te powodują indukowaną radioaktywność we wszystkich strukturach tworzących reaktor. Neutrony te wnikają w materiały struktur reaktora, tworząc wiele niestabilnych substancji, które z definicji stają się radioaktywne i będą stanowić odpady. Ten strumień neutronów ponadto uszkadza struktury reaktora, może w perspektywie zagrozić solidność jego komponentów i wpłynąć na prawidłowe działanie cewek zapewniających konfinement plazmy.
Powyższy rysunek nawiązuje do regeneracji trytu. W praktyce neutrony fuzji nie tylko odtwarzają tryt. Tworzą również wiele radioaktywnych izotopów przez efekt sztucznej radioaktywności (w przeciwieństwie do „naturalnej radioaktywności” związanej z radioaktywnymi izotopami istniejącymi w naturze, które zostały pierwotnie stworzone w eksplozjach supernowych, a następnie włączone w masę Ziemi w momencie jej formowania). Powłoka litu zachowuje się jak „materiał płodny”, który ma w sposób ciągły odtwarzać tryt, który, radioaktywny (okres półtrwania: 12 lat), nie istnieje w naturze.
Przeciętny człowiek zazwyczaj nie wie, że fuzja jest jak „chemia jąder”, gdzie zaczyna się od „mieszanki fuzji”, od „reakcji”, która daje „produkty reakcji”. Fuzja Deuteru-Trytu jest tylko jedną z możliwych reakcji. Ale ponieważ jest to ta, która zachodzi przy najniższej temperaturze:
Reakcje fuzji nieczyste, wolne od radioaktywności i radioaktywnych odpadów!
Widzieliśmy, w opracowaniu poświęconym maszynie Z, że temperatura dwóch miliardów stopni została osiągnięta w 2005 roku w laboratoriach Sandia w Nowym Meksyku. Warto wspomnieć, że celem eksperymentu nie było osiągnięcie tak wysokich temperatur, ale stworzenie prostego źródła promieniowania X, przy kilku milionach stopni. Jednak niespodziewanie ten kompresor plazmy dostarczył... dwa miliardy stopni, w sposób całkowicie niepodważalny. Ten wynik outsidera natychmiast wywołał dyskomfort w zespołach, które od dekad zarządzają tymi kosztownymi projektami, takimi jak:
- Fuzja za pomocą laserów (we Francji: Megajoule)
- Fuzja w maszynach tokamak (we Francji: ITER)
Ale zobaczymy, że ta maszyna Z mogłaby nie być jedyną zdolną do produkcji tak gorących plazm (podczas gdy maszyna ITER, działająca w sposób ciągły, nie może zwiększać swojej temperatury). Czyniąc analogię, można powiedzieć, że istnieje tyle różnicy między tą nową gamą maszyn do fuzji, o wysokiej temperaturze, a tokamakiem, co między silnikami spalinowymi i maszynami parowymi.
W ten sposób, przez porównanie, ITER jest maszyną parową czasów współczesnych
Aby lepiej zrozumieć te typy maszyn, konieczne jest zapoznanie się z siłami elektromagnetycznymi, które działają w przewodnikach elektrycznych, a następnie w wyładowaniach.
Weźmy „miękki” solenoid, prostą pętlę, w której przepuszczamy prąd. Ta spirala wygeneruje pole, które będzie działać na przewód, przez który przepływa prąd elektryczny, poprzez Siłę Laplace'a I x B.
Rozszerzenie spirali pod wpływem jej własnego pola magnetycznego
To typowo eksperyment, który mogliście zobaczyć w Liceum lub w Pałacu Odkryć.
Jeśli prąd jest wystarczająco intensywny, może to prowadzić do pęknięcia przewodnika elektrycznego. W moim laboratorium w latach sześćdziesiątych tworzyliśmy pola magnetyczne o wartości 2 tesli (20.000 Gaussa) za pomocą prądów 50.000 amperów, dostarczanych przez baterię kondensatorów. Uzwojenia były wykonane z blachy miedziane. Jeśli nie były solidnie zaciśnięte (utrzymywane przez powłokę z włókna szklanego klejoną aralditem), te solenoidy natychmiast pękały, zanieczyszczając laboratorium odłamkami.
Weźmy teraz wyładowanie elektryczne. Wszyscy widzieliście już eksperyment polegający na wywołaniu wyładowania elektrycznego między dwoma metalowymi prętami. Ono „wznosi się” i w końcu pęka.
Znajdujemy schemat spirali z przed chwilą, z tą różnicą, że prąd przepływa przez przewodniki metalowe i przez typ zjonizowanego gazu, plazmę. Ale zasada jest ta sama. Ta „spirala” dąży do rozszerzenia.
Poza gadżetem dochodzimy do koncepcji armaty plazmowej (plasma rail gun). Jeśli wprowadzone natężenia są wystarczająco duże, można stworzyć plazmę, która, poddana dużej sile Laplace'a, wywoła masowy ruch gazowy. Ta masa zjonizowanego gazu może następnie przekształcić się w pocisk. Osiągnięta prędkość może być naddźwiękowa, a wyrzucenie tego łuku plazmy towarzyszy fala uderzeniowa.
Armata plazmowa (rail gun)
Fizyka plazmy może przyjąć wszelkie możliwe i wyobrażalne geometrie, a wewnątrz takich urządzeń mogą zachodzić mnóstwo zjawisk, mniej lub bardziej znanych i opanowanych, zresztą. Przed chwilą rozważaliśmy pojedynczą spiralę. Ale możemy również wyobrazić sobie zbiór spiral ułożonych w formie toru: montaż w stylu tokamaku. Łatwo sobie wyobrazić, że gdybyśmy dysponowali spiralami z drutu elektrycznego na miękkiej powłoce, porównywalnej z dętką, wykonaną z izolującego materiału, przepływ prądu „nadmuchałby” ją. Tutaj również, przepływ zbyt intensywnego prądu mógłby prowadzić do pęknięcia. Systemy magnesowania tokamak są zatem poddane napięciom mechanicznym i muszą być solidnie zaciśnięte.
System solenoidów w tokamaku (schematyczny). Siła pęknięcia.
Wszystko dzieje się tak, jakby ten zbiór przewodników był poddany „ciśnieniu magnetycznemu”, którego wartość wynosi:
B²/2μ₀
i gdzie, w układzie MKSA:
μ₀ = 4π × 10⁻⁷
Jak w „plasma rail gun”, można wyobrazić sobie, że w tej toroidalnej geometrii płaszczyzny prądu część jest „swobodna w rozszerzeniu”. Otrzymalibyśmy na przykład schemat jonizatora ścianowego (w kształcie pułapki na wilki).
Jonizator ścianowy
Ten tworzy rodzaj „parasola plazmy”, który dąży do wyrzucenia daleko od ściany.
Dojdziemy teraz do schematu maszyny „FOCUS”, której podstawowa koncepcja sięga lat pięćdziesiątych (podobnie, praktycznie, jak wszystkie podstawowe koncepcje MHD. To nic innego niż MHD: wiecie, ta dyscyplina, którą porzucono we Francji pod koniec lat pięćdziesiątych „bo nie działała”, i w której mamy dziś, wobec Amerykanów i Rosjan, trzydzieści dobrych lat opóźnienia).
FOCUS przypominałby rodzaj armaty plazmowej „zwiniętej wokół osi”. Mamy centralną anodę, otoczoną przez katodę. Oto obraz, jaki pojawia się w Wikipedii.
Maszyna Focus
Oto maszyna, widziana w perspektywie, z wyrzutami „parasola prądu”:
Maszyna Focus, z wyrzutem „parasola” plazmy
Gdy ten parasol plazmy zostaje wyrzucony poza cylinder, tworzy się smuga plazmy, która przez krótką chwilę utrzymuje ją przy anodzie:
Focus: formowanie smugi plazmy
Tu trzeba wprowadzić drugi efekt: zaciśnięcie smugi plazmy, zawsze pod wpływem jej własnego pola magnetycznego. Poniższy schemat mówi sam za siebie.
Efekt zaciśnięcia w smudze plazmy
Maszyna FOCUS łączy więc dwa efekty. Pod wpływem jej własnego pola magnetycznego „parasol plazmy” jest więc dmuchany. Potem, w momencie, gdy dąży do odłączenia się od elektrod, co ostatecznie następuje, tworzy się smuga plazmy, w której panuje gwałtowny efekt zaciśnięcia. Nie wiemy dokładnie, co dzieje się wewnątrz niej. Niemniej ta kompresja generuje wysokie temperatury. Niektórzy uważają, że w tej smudze rodzą się niestabilności geometrii dość złożone, prąd mający wtedy tendencję do tworzenia rodzajów włókien, prądów zwiniętych, w których zachodziłyby nowe efekty zaciśnięcia, wzmacniające wzrost temperatury. Ostatecznie „punkty gorące” pojawiałyby się w tej kolumnie plazmy.
Geometria (przypuszczalna) prądu
Niestabilności MHD mają „złą reputację”. Przez dziesięciolecia hamowały rozwój tokamaków. Pod koniec lat sześćdziesiątych zniszczyły wysiłek MHD przemysłowej w „niskiej temperaturze” z powodu niestabilności Velikhova (wydaje się, że jestem znany praktycznie wszystkim specjalistom MHD w Rosji z powodu moich prac nad tym zagadnieniem, a w szczególności z powodu dwóch eksperymentów, w których, za pomocą dwóch różnych metod, udało mi się w 1965 i 1982 roku zniwelować tę niestabilność). Te niestabilności to zjawiska bardzo nieliniowe, kapryśne. Niestabilność nie jest „ani dobra, ani zła”. W przypadku maszyny Focus te niestabilności są wykorzystywane do uzyskania, lokalnie, bardzo dużych skoków temperatury.
Jakie są wyniki?
Te maszyny typu Focus są niewiarygodnie prymitywne i proste. Ale co dają? Oto najpierw obrazy tego wyładowania, zrobione ultraszybką kamerą, pokazujące efekt wyrzucenia korony plazmy, towarzyszący zaciśnięciu:
Film wydarzeń należy czytać od dołu do góry
Poniżej maszyna Focus zbudowana przez Filippova (dzisiaj zmarłego) w latach sześćdziesiątych w Instytucie Kurchatowa Wysokich Temperatur w Moskwie:
Filippov przed swoją maszyną Focus, w Instytucie Kurchatowa Wysokich Temperatur w Moskwie
Można wyobrazić sobie maszyny Focus o różnych rozmiarach, parametry podobieństwa są stosunkowo dobrze opanowane (patrz artykuł w Wikipedii). Powyższa maszyna odpowiada stu kiloamperom z czasem narastania trzech mikrosekund. Anoda ma 16 cm długości i 1 cm średnicy. Takie maszyny są obecnie badane w 8 krajach. Niektóre grupy twierdzą, że osiągnęły wyniki, które pozwoliłyby rozważać wykonalność ekstrakcji energii z reakcji fuzji nieczystej Boru 11 i Wodoru 1, dającej 4 jądra helu i 8,7 MeV energii. Reakcja Li6 plus D2 (deuter) daje natomiast 22,4 MeV.
Można to znaleźć w:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Amerykańska maszyna Focus posiada pustą anodę, co stanowi wariant ogólnego montażu.
Amerykańska maszyna Focus, z pustą anodą
Ten montaż pozwala anodzie pełnić funkcję ekranu dla promieniowania X, które emituje, gdy elektrony wyładowania uderzają w nią. Nie te X-l są przedmiotem pomiaru przez badaczy, ale te bezpośrednio emitowane przez plazmę, które pozwoliłyby poznać jej temperaturę.
Aby ustalić skalę, montaż ma długość jednego stopy.
Choć koncepcja powstała w 1958 roku, aktem urodzenia maszyn Focus uznaje się rok 1964, kiedy zostały one wymyślone jednocześnie w USA przez Mathera i w Rosji przez Filippova. Pod koniec lat sześćdziesiątych i na początku lat siedemdziesiątych Winston Bostick i Victorio Nardi, z Instytutu Technologicznego Stevens w Hoboken, New Jersey, opracowali model teoretyczny, według którego wzrosty temperatury zachodziłyby w „punktach gorących” lub „plazmoidach”, związanych z ogromnymi lokalnymi wartościami pola magnetycznego. Ta teoria ma swoich krytyków. Niektórzy uważają przeciwnie, że energia jest bardziej rozproszona wewnątrz plazmy. W 1986 roku Eric Lerner zaproponował ilościową teorię DPS (Dense Plasma Focus), zawsze opartą na koncepcji „punktów gorących”. Te badania zatrzymały się do początku lat dziewięćdziesiątych z powodu braku finansowania.
W 1994 roku badania eksperymentalne zostały wznowione na małych montażach na Uniwersytecie Illinois. W 2001 roku eksperymenty przeprowadzone na Uniwersytecie A&M w Teksasie zostały wykonane przez Lernera. Zdaje z nich sprawozdanie w artykule:
http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0205/0205026.pdf
Te prace są również wspomniane w:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Lerner interpretuje swoje pomiary, mówiąc, że strumień promieniowania X, który mierzy, pochodzi z plazmy wyładowania, a nie z uderzenia elektronów na elektrodę. Wyjaśnia, jak starał się zamaskować tę drugą emisję ekranem ołowianym o grubości 5 cm. Może. W takim przypadku osiągnięta temperatura byłaby rzeczywiście powyżej miliarda stopni. Sprawa do śledzenia. Zazwyczaj grupy pracujące nad eksperymentami typu focus są ograniczone brakiem finansowania, a więc brakami w środkach diagnostycznych, ważnych i precyzyjnych.
Ten wynik jest prawdopodobnie mniej wiarygodny niż ten z Sandia (maszyna Z), ale wydawało nam się interesujące wspomnieć o tym innym podejściu.
17 lutego 2008: Precyzja na temat reakcji pasożytniczych związanych z formułą B11 + H1
Bor ma 5 ładunków elektrycznych, wodór jeden. Węgiel 6 i azot 7.
Chłodzenie radiacyjne plazmy zachodzi przez promieniowanie hamowania. Moc emitowana zmienia się jak kwadrat ładunku elektrycznego. Moc emitowana w promieniach X przez elektron spiralujący wokół atomu boru jest więc 25 razy wyższa niż ta tracona podczas spiralowania wokół atomu wodoru (lekki lub ciężki, liczy się ładunek).
B11 + H1 daje C11 + n + 2,8 MeV
Czas życia węgla C11: 20 minut. Można otworzyć komorę bez niebezpieczeństwa 10 godzin po zatrzymaniu pracy.
B11 + He4 daje N11 + n + 157 keV
Ochrona: 20 cm B10 lub 1 metr wody.
Radioaktywność indukowana w elektrodzie z berylu: 5 mikrocuri rocznie (dane: konferencja Lernera).
Według Lernera, w tej fuzji impulsowej wykorzystuje się niestabilności MHD. Jego opis mechanizmów jest następujący. Wyładowanie elektryczne „w parasol” dąży najpierw do kondensacji plazmy porównywalnych z „wielorybami tego samego parasola”. Potem te filamenty zwijają się wokół osi, tworząc smugę plazmy. Ta, przez niestabilność Kinka, konfiguruje się „jak spiralny kabel telefoniczny”. Potem w tej samej strukturze formują się „samokonfinowane plazmoidy”, punkty gorące o mikroskopijnej objętości, mniejszej niż mikrometr sześcienny. W tych plazmoidach pole magnetyczne ma topologię toroidalną. Nowe zaciśnięcie wokół osi tego plazmoidu-kropli. I wtedy, według Lernera, zachodzą reakcje fuzji.
Konferencja Lernera o maszynie Focus:
http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl
Zobacz też stronę http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion angielskiej Wikipedii, która powinna zostać przetłumaczona na francuski. To oświetliłoby wielu.
Powrót do Przewodnika Powrót do strony głównej
Liczba odwiedzin tej strony od 1 czerwca 2006: