Otwarte list do Georges’a Charpaka nt. ITER

Otwarta lista do panów Charpaka, Balibara i Treinera

21 sierpnia 2010 roku

Jean-Pierre Petit

Były dyrektor badań CNRS

specjalista fizyki plazmy (wciąż aktywny)

BP 55, 84122 Pertuis

Pertuis, 21 sierpnia 2010 roku

Panom:

Georges Charpak
Nagroda Nobla z fizyki
(Akademie Nauk w Paryżu)

Jacques Treiner
(Uniwersytet Piotra i Marii Curie)

Sébastien Balibar
(Ecole Normale Supérieure)

Załącznik:

list profesora Valentina Smirnova z 2007 roku,
dyrektora Instytutu Fuzji Jądrowej w Instytucie Wysokich Temperatur im. Kurchatowa w Moskwie,
wciąż bez adresata.

Panowie,

Przeczytałem w prasie Wasze stanowiska przeciwko projektowi ITER.

Za trzydzieści lat, gdy niepowodzenie projektu stanie się oczywiste, będzie łatwe, by ci ludzie wycofali się na emeryturę, mówiąc: „przykro nam, popełniliśmy błąd”, i przekazali ten potwór, niezdolny do życia, po długiej i kosztownej ciąży, kolejnym pokoleniom.

Rzeczywiście, jak podkreślasz, koszt tego projektu będzie taki, że obejmie całą pulę środków badawczych na następne dwadzieścia lat.

Przywołując obraz, który przekazuje prasa, uproszczony, by mógł być zrozumiały przez ogół, wygląda to, jakby nam obiecywano zamknąć Słońce w garnku, ale nie mieliśmy tego garnka, a „detal” został odłożony na później, gdyby wykazano możliwość fuzji, która wytworzy więcej energii niż zużywa, choćby przez kilka minut.

Jednym z tych, którzy zwrócili uwagę na problematyczny charakter poszukiwania magicznego materiału, z którego miałby być wykonany ten garnunek, był nieudany Gilles De Gennes, który był bardzo sceptyczny co do możliwości, że magnes nadprzewodzący mógłby długo wytrzymać tak szkodliwy strumień neutronów.

JET wyprodukował reakcje fuzji przez czas rzędu sekundy – to fakt.
Wyprodukował 15 megawatów energii fuzji, z wydajnością
Q = energia wyprodukowana / energia wstrzyknięta = 0,65.
Oczekuje się, że ITER wyprodukuje 500 MW przy wydajności przekraczającej jedność (Q=10), działając przez sześć minut. Zakładając, że ten cel zostanie osiągnięty, jaki sens miałby ten eksperyment, jeśli nie znaleziono jeszcze rozwiązania, które zapobiegałoby szybkiemu i kosztownemu zniszczeniu niezbędnego systemu ograniczania magnetycznego? Jak taki generator mógłby być opłacalny, jeśli trzeba byłoby co tydzień lub co miesiąc wymieniać nadprzewodzący magnes?

Prasa poruszyła kwestię ścianki i jej problematycznej wytrzymałości. Wiadomo, że nie podlega ona tylko bombardowaniu neutronami wydzielanymi podczas reakcji fuzji. Przemieszczają się również jony wodoru odpowiadające „ogonkom rozkładu prędkości Maxwella-Boltzmanna” w tym plazmie o temperaturze 100 milionów stopni. Plazma fuzji jest kolizyjna, a kolizje dążą do utworzenia wokół średniej prędkości termicznej rozkładu prędkości w kształcie krzywej Gaussa, z wolnymi i szybkimi jonami na końcach. Te ostatnie przejdą barierę magnetyczną i oderwają jony od ścianki, tzw. „first wall”. Te jony uciekną i zanieczyszczą plazmę, powodując jej ochłodzenie przez promieniowanie hamowania (bremsstrahlung), które rośnie wprost proporcjonalnie do kwadratu ładunku jonowego (efekt straszny, jeśli first wall jest z wolframu!). Zanieczyszczenie plazmy jonami ciężkimi byłoby nieuniknione.

Zaplanowano oczyszczenie plazmy fuzji i ma być ono realizowane wzdłuż „żłobków” dobrze widocznych na dole komory toroidalnej, które odpowiadają technice tzw. „divertora”. Ten system nigdy nie został przetestowany w skali rzeczywistej i nic nie gwarantuje, że będzie skuteczny. Jeden dodatkowy problem.

System oczyszczania ITER („divertory”)

Wobec narastającej krytyki pan Bernard Bigot, administrator CEA, deklaruje:

• Jeśli nie zbudujemy ITER, jak 9 miliardów ludzi w 2070 roku zaspokoi swoje potrzeby energetyczne? ... Jak zapewnić planecie trwałą energię do końca tego wieku? ... Jeśli opanujemy fizykę, znajdziemy materiały odpornościowe na strumień neutronów o energii 14 milionów elektronowoltów. ... Zrzeczenie się byłoby bez sensu. Przeszkody zostaną opanowane.

Czytam, że sugerujecie, jednocześnie z całkowitym zaprzestaniem projektu ITER, powrót do techniki reaktorów nadkrytycznych z neutronami szybkimi, jak Superphénix, i ogólnie do elektrowni nazywanych czwartego pokolenia. Technika reaktora nadkrytycznego z neutronami szybkimi to wariant klasycznego jądrowego, oparty na rozszczepieniu plutonu 239. Używając cieczy chłodzącej, takiej jak sod, który łatwiej przepuszcza szybkie neutrony, w przeciwieństwie do wody (pod ciśnieniem), która je zatrzymuje. Przeprowadza się bombardowanie neutronowe przemiany pokrywy płodnej z U238, która przekształca się w Pu 239, przy współczynniku 1,25, czyli reaktor „wytwarzający więcej plutonu niż go zużywa”.

Ta opcja, której niebezpieczeństwo było przedmiotem krytyki, nawet do zatrzymania projektu, nie eliminuje kwestii aktywacji struktur i masowej produkcji odpadów.

Przykro mi, że nie wspominacie wśród innych możliwych opcji o fuzji aneutronowej (w rzeczywistości bardzo słabo neutronowej z powodu reakcji wtórnych, o znikomym znaczeniu), gdzie najbardziej odpowiednim mieszaniną jest połączenie boru 11 + wodoru 1, dające trzy jądra helu 4 i... bez neutronów.

Dopóki temperatura zapłonu 100 milionów stopni nie została osiągnięta (w angielskim JET), wydobycie energii z fuzji mieszaniny deuteryjno-trytowej było niemożliwe. Przełom osiągnięty w angielskiej maszynie JET zmienił sytuację w 1991 roku (pierwsze reakcje fuzji) – 1997 roku (osiągnięcie wydajności Q = 0,64 przy 15 MW mocy wydzielonej przez reakcje fuzji).

W przypadku tej reakcji bor-wodór temperatura zapłonu wynosi miliard stopni. Okazuje się, że jak informował w 2006 roku profesor Malcom Haines, temperatura osiągnięta w 2005 roku w maszynie Z Sandia osiągnęła w punkcie maksymalnym 3,7 miliarda stopni. Maszyna Z została zaprojektowana przez profesora Gerolda Yonas’a na początku lat sześćdziesiątych, a prowadzenie prac przekazano później profesorowi Deeney.

Ion Viscous Heating in a Magnetohydrodynamically Unstable Z Pinch at Over 2 x 10^9 Kelvin
M. G. Haines, P. D. Le Pell, C. A. Coverdale, B. Jones, C. Deeney, and J. P. Apruzese
PHYSICAL REVIEW LETTERS 24 lutego 2006 roku
pobierz artykuł

Moja analiza tego artykułu

Temperatura znacznie wyższa prawdopodobnie została osiągnięta już w 2008 roku w maszynie ZR („odnowiona” maszyna Z, gdzie natężenie wyładowania wzrosło z 18 do 28 milionów amperów). Temperatura osiągnięta rośnie zazwyczaj wprost proporcjonalnie do kwadratu tego natężenia. Zatem z nowym ustawieniem potencjalnie można było osiągnąć temperaturę rzędu kilku miliardów stopni. Jednak jak mogłem stwierdzić z ust Matzena i Mac Kee, dwóch administratorów projektu, którzy przyjechali do konferencji „Wysokie Mocy Pulsowane” w Wilnie (wrzesień 2008 roku), gdzie prezentowałem trzy komunikaty z MHD, te kwestie wydają się dziś jasno należeć do tajemnicy wojskowej, a nawet stanowić przedmiot żartobliwych prób dezinformacji, które obserwowałem z oszołomieniem, by jak najbardziej ukryć nowe postępy.

Prosta wzmianka: brak zasadniczej ograniczoności temperatur w maszynach tego typu pozwala rozważyć możliwość oczyszczania odpadów, a nawet syntezę ciężkich pierwiastków, ponieważ te maszyny Z mogą kiedyś osiągnąć warunki panujące w centrum... supernowych (miliardy miliardów stopni).

Oczywiście, taka liczba wydaje się rzeczą science fiction, ale kto, poza kilkoma wyobraźnimi fizykami, mógłby w latach trzydziestych wyobrazić sobie dziesiątki milionów stopni bomb atomowych, w latach czterdziestych setki milionów stopni bomb wodorowych, a na początku trzeciego tysiąclecia miliardy stopni maszyny Z?

Jak potwierdził mi Malcom Haines w mailu, to, co teraz wychodzi z Sandia, jest ukrywane. Fuzja mieszaniny litu i wodoru (standardowy materiał wybuchowy bomb wodorowych) wymaga tylko 500 milionów stopni. Skompresor MHD pochodzący z maszyny Z mógłby zastąpić niezbędny, niemożliwy do miniaturyzacji, element rozszczepienia, ograniczony masą krytyczną, co ogranicza moc do minimalnych 300 hektoton TNT. Ta czysta fuzja otwiera drogę do potencjalnej miniaturyzacji broni. Ponadto, nie wytwarzając niczego innego niż hel, jest „zieloną bombą”, w końcu użyteczną. Niskie mocy, o których można by marzyć, uczyniłyby jej użycie możliwym bez ryzyka dla tego, kto ją trzyma, i bez nieprzyjemnych opadów na twarz, nawet na nieograniczonych odległościach z powodu rozpraszania przez strumienie powietrzne.

Ale ktoś może powiedzieć: jak można nawet przez chwilę wyobrazić sobie, że maszyna Z o średnicy trzydziestu metrów może się zmieścić w ciele bomby?

Skompresor MHD magnetyczny, wynaleziony w 1954 roku przez Andreja Sakharowa, gdzie energia pierwotna to po prostu energia wybuchu chemicznego, pozwolił wówczas na wytworzenie 100 milionów amperów w... kilku milisekundach.

Pozostało zmniejszyć czas, przez który to natężenie elektryczne było dostarczane. Był on bezpośrednio związany z czasem potrzebnym do zgniecenia, za pomocą wybuchu chemicznego, jamy, w której utworzono silne pole magnetyczne. Rosjanin Czernyszew (znowu oni!) rozwiązał ten problem bardzo sprytnie, nadając komorze kształt... harmoniki, wokół której wylano wybuch. Moc wytworzona zależała bezpośrednio od objętości magnetyzowanej kompresji, nowa geometria pozwoliła na osiągnięcie tej kompresji na skalach... milimetrowych, więc dostarczyć wymaganych 100 nanosekund.

Wiemy, że te „czyste bomby fuzji”, nieskończenie miniaturyzowalne, nawet do skali zwykłej... piłki, są badane w USA i Rosji, według dobrze znanej zasady:

Najpierw bomby, potem energia...

W Francji postawa DGA została nam natychmiast przekazana:

• Nic się nie stanie bez zgody armii.

Co nie było z natury rzeczy ułatwiające sprawę. Nawet jeśli postawa polega na staniu z bronią w ręku z powodu braku kompetencji. Inny aspekt, nie bez znaczenia: ta technologia jest potencjalnie proliferacyjna, ponieważ pozwala każdemu państwu na uzyskanie broni fuzji czystej bez konieczności długiego, kosztownego i niezbyt dyskretnego wzbogacania izotopowego uranu.

Nie ignoruję, że osiągnięcie tej temperatury progowej nie wystarczy, by reakcje fuzji mogły się odbywać, a także muszą być spełnione minimalne warunki ograniczania (kryterium Lawsona). Ale już w 2005 roku reakcje fuzji w celach D-T zostały uzyskane w Sandia z dużym wydzielaniem energii.

Można by pomyśleć: do stworzenia nowej bomby, dlaczego nie? Ale jak wyobrazić sobie generator czystej fuzji?

Źródła wyładowań LTD, wynalezione przez Rosjan (znowu oni!), pozwalają rozważyć wysoką powtarzalność oraz prawie nieograniczone zwiększenie natężenia prądu poprzez mnożenie jednostek bazowych o rozmiarach pudełka na buty. Drugi punkt: produkcja energii przez te systemy jest równoważna wybuchowi i może być wtedy z wydajnością 70% przekształcona bezpośrednio MHD, działając w polu magnetycznym (kompresja tego pola magnetycznego w warunkach wysokiego liczby Reynoldsa magnetycznego).

Używamy pojazdów spalających paliwa kopalne. Jeśli parowa maszyna przez dziesięciolecia była podstawowym silnikiem statków, pociągów i maszyn rolniczych, to dziś zniknęła, choć nadal istnieje w postaci turbin parowych. Pod „maszyną parową” rozumiemy systemy, w których płyn, z którego wydobywamy energię, ma temperaturę niemal stałą. Silniki naszych samochodów to „silniki wybuchowe”, gdzie spalanie paliwa odbywa się przy wysokiej temperaturze, przez bardzo krótki czas. Nazwijmy je „silnikami spalania impulsyjnego”, ponieważ nie chodzi o rzeczywisty wybuch. W uproszczeniu można je opisać jako dwusuw:

• Komprymacja
• Spalanie impulsyjne
• Rozprężenie, gdzie część energii, przechowywana w masie bezwładności, zapewnia kolejną kompresję

ITER, z jego stałą temperaturą, nie jest niczym innym jak parową maszyną trzeciego tysiąclecia.

Systemy kompresji MHD to systemy „fuzji impulsyjnej”.

To jest przyszłość, nie projekty jak ITER, które z natury nie mogą być rozszerzone na niezanieczyszczoną fuzję, nie mogą zapewnić wymaganych miliardów stopni.

Uzupełnieniem kompresora MHD jest „masa bezwładności”, system magazynowania. Może to być rozwój techniki kondensatorów, albo proste masy bezwładności (przypominam, że te systemy mechaniczne są źródłem magazynowania energii potrzebnej do dziś tokamaków, których solenoidy nie nadprzewodzące produkują zmienne pole magnetyczne). Całość prowadzi do poniższego schematu:

• Kompresja MHD
• Fuzja
• Produkcja energii podczas rozprężania plazmy przez „przekształcenie bezpośrednie”
• Magazynowanie części tej energii
• itd...

Niski koszt takich instalacji wymaga, by przyjąć tę przygodę od razu. Ale wymaga to stworzenia europejskiego projektu, który nieuchronnie obejmuje Rosjan, którzy od połowy XX wieku panują bezsprzecznie w dziedzinie MHD, podczas gdy ta dziedzina w Francji zanikła trzy dekady temu. Sytuacja trudna do odzyskania.

Skutki w zakresie nauki czystej znajdują się w prawdziwej nieznanym terenie, w zakresie plazm w stanie „odwróconego nierównowagi”. W lampie fluorescencyjnej gaz elektronów ma 10 tys. stopni, a gaz ciężkich jonów pozostaje w temperaturze pokojowej: klasyczny stan nierównowagi.

W maszynach Z jony mają 3,7 miliarda stopni, a elektrony – 10 milionów.

Siły Laplace’a zmuszają jony i elektrony do zbiegania się na osi z prędkością 400 km/s. Mocne siły elektrostatyczne zapobiegają rozsunięciu się ładunków na odległość (małą) większą niż odległość Debye’a. W chwili uderzenia w oś ta energia kinetyczna zostaje przekształcona, dzięki kolizjom, w energię cieplną. Ale teoria kinetyczna gazów naucza nas, że przekaz energii jest proporcjonalny do stosunku mas dwóch oddziałujących cząstek. Dlatego czasy relaksacji są znacznie różne.

• Przybliżony stan równowagi termodynamicznej ustala się w kilku nanosekundach (tak jak obliczył Malcom Haines) zarówno wśród jonów, jak i elektronów.

• Ale przekaz energii między tymi populacjami to zupełnie inna para maszyn. Dlatego obserwuje się tę różnicę.

Chodzi o nowy rodzaj plazmy, fascynujący temat badań dla teoretyków i eksperymentatorów, poza aspektem produkcji energii. I to w chwili, gdy fizyka, zarówno eksperymentalna, jak i teoretyczna, jest... w upadku, a studenci z niej się odwracają dramatycznie.

W swoim artykule Haines zauważa ponadto, że wzrost temperatury, oznaczony rozszerzeniem (znacznym) linii, nadal trwa, gdy kabel plazmy już rozpoczął