Fuzja bez zanieczyszczeń – czy to możliwe?
Eksperyment FOCUS
Wyniki uzyskane do dnia dzisiejszego nie mają tego samego poziomu wiarygodności co te z maszyny Z w Sandia, ale wydawało się nam interesujące wspomnienie o tych eksperymentach, aby pokazać bardzo szeroki zakres możliwości MHD w zakresie 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 rentgenowskiego odpowiadają rzeczywiście temperaturze plazmy, czy też efektowi uderzenia na anodę. E. Lerner, który daleko jest od dysponowania środkami potężnego laboratorium w Nowym Meksyku, jest przekonany, że wskazuje to na osiągnięcie temperatury powyżej miliarda stopni (100 keV). Pozostawiamy mu odpowiedzialność za tę konkluzję.
Zasada działania
1 czerwca 2006
FOCUS to eksperyment, o którym wielu ludzi 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 tylko 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 cząsteczka T-T. Wiązanie zapewniane jest przez elektrony, przedstawione tutaj jako pszczoły. „Nukleony” przedstawione są jako diabełki. Protony, naładowane elektrycznie, są w kolorze fioletowym, neutrony, elektrycznie neutralne, w kolorze czerwonym.
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
Energétiquement Vôtre
dostępny na stronie
http://www.savoir-sans-frontieres.com
pod adresem:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
To właśnie emisja tego neutronu fuzji o energii 14 MeV stwarza problem, ponieważ cząstki te powodują
indukowaną radioaktywność
we wszystkich strukturach tworzących reaktor. Neutrony te wnikają w materiały struktur reaktora, tworząc wiele niestabilnych substancji, które stają się ipso facto radioaktywne i będą stanowić odpady. Ten strumień neutronów ponadto uszkadza struktury reaktora, może w perspektywie zagrożić solidność jego komponentów i wpłynąć na prawidłowe działanie solenoidów zapewniających konfinement plazmy.
Powyższy rysunek nawiązuje do regeneracji trytu. W praktyce neutrony fuzji nie tylko odtwarzają tryt. Tworzą również wiele izotopów radioaktywnych, poprzez efekt sztucznej radioaktywności (w przeciwieństwie do „naturalnej radioaktywności” związanej z istniejącymi w naturze izotopami radioaktywnymi, które zostały pierwotnie stworzone w eksplozjach supernowych, a następnie włączone w masę Ziemi w momencie jej powstania). 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 wychodzimy od „mieszanki fuzji”, od „reakcji”, która daje „produkty reakcji”. Fuzja Deuter-Tryt jest tylko jedną z możliwych reakcji. Ale ponieważ jest to ta, która zachodzi przy najniższej temperaturze
Reakcje fuzji bez zanieczyszczeń, wolne od radioaktywności i radioaktywnych odpadów!
Widzieliśmy, w dossier poświęconym maszynie Z, że temperatura dwóch miliardów stopni została osiągnięta w 2005 roku w laboratoriach Sandia, w Nowym Meksyku. W tym miejscu warto wspomnieć, że celem eksperymentu nie było osiągnięcie tak wysokich temperatur, ale stworzenie prostego źródła promieniowania rentgenowskiego, przy kilku milionach stopni. Tymczasem, niespodziewanie, ten kompresor plazmy dostarczył... dwa miliardy stopni, w sposób całkowicie niepodważalny. Ten wynik
outsider
natychmiast wywołał dyskomfort w zespołach, które od dziesięcioleci 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). Robiąc analogię, można powiedzieć, że istnieje tyle różnicy między tą nową gamą maszyn do fuzji, o wysokiej temperaturze, a tokamakiem, co między silnikami spalinowymi a maszynami parowymi.
Tak więc, dla porównania, ITER jest maszyną parową czasów nowoczesnych
Aby lepiej zrozumieć te typy maszyn, konieczne jest zapoznanie się z siłami elektromagnetycznymi, które działają w przewodnikach elektrycznych, a następnie w wyładowaniach.
Weźmy „elastyczny” 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 typicznie eksperyment, który mogliście zobaczyć w Liceum lub w Pałacu Odkryć.
Jeśli prąd jest wystarczająco intensywny, może to prowadzić do rozerwania przewodnika elektrycznego. W moim laboratorium w latach sześćdziesiątych tworzyliśmy pola magnetyczne o natężeniu 2 tesli (20.000 Gaussów) za pomocą prądów 50.000 amperów, dostarczanych przez baterię kondensatorów. Uzwojenia były z blachy miedzianej. Jeśli nie były solidnie zapięte (trzymane przez powłokę z włókna szklanego klejoną aralditem), te solenoidy natychmiast pękały, zasypane gruzem laboratorium.
Weźmy teraz wyładowanie elektryczne. Wszyscy już widzieliście eksperyment polegający na wywołaniu wyładowania elektrycznego między dwoma metalowymi prętami. To „wznosi się” i w końcu pęka.
Znajdujemy schemat spirali z przed chwilą, z tą różnicą, że prąd przepływa w metalowych przewodnikach i w rodzaju zjonizowanego gazu, plazmie. Ale zasada jest ta sama. Ta „spirala” dąży do rozszerzenia.
Poza gadżetem dochodzimy do koncepcji armaty plazmowej (plasma rail gun). Jeśli intensywności wstrzykiwane 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 wszystkie 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 torus: montaż w stylu tokamaku. Łatwo sobie wyobrazić, że gdybyśmy dysponowali spiralami z drutu elektrycznego na elastycznej powłoce, porównywalnej do dętki, wykonanej z izolującego materiału, przepływ prądu „nadmuchnąłby” ją. Tutaj również, przepływ zbyt intensywnego prądu mógłby prowadzić do pęknięcia. Systemy magnetyzacji tokamak są więc poddane napięciom mechanicznym i muszą być solidnie zapięte.
System solenoidów tokamaku (schematyczny). Siła rozerwania.
Wszystko dzieje się tak, jakby ten zbiór przewodników był poddany „ciśnieniu magnetycznemu”, którego wartość wynosi:
B 2 /2 m o
i gdzie, w MKSA:
m o = 4 p 10 -7 C
Jak w „plasma rail gun” można wyobrazić sobie, że w tej toroidalnej geometrii warstwy prądu część byłaby „swobodna w rozszerzeniu”. Otrzymalibyśmy na przykład schemat jonizatora parietalnego (w kształcie pułapki na wilka)
Jonizator parietalny
Ten tworzy rodzaj „parasola plazmy”, który dąży do wyrzucenia daleko od ściany.
Teraz dojdziemy 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”, a za którą mamy dziś, w stosunku do Amerykanów i Rosjan, trzydzieści dobrych lat opóźnienia).
FOCUS
przypominałby rodzaj armaty plazmowej „zawiniętej wokół osi”. Mamy centralną anodę, otoczoną przez katodę. Oto obraz, jaki pojawia się w Wikipedii.
Maszyna Focus V
Oto maszyna, widziana w perspektywie, z wyrzutami „parasola prądu”:
Maszyna Focus, z wyrzutem „parasola” plazmy
Kiedy ten parasol plazmy zostaje wyrzucony poza cylinder, tworzy się sznur plazmy, który przez krótką chwilę trzyma go przy anodzie:
Focus: formowanie sznura plazmy
Tu trzeba wprowadzić drugi efekt: zaciśnięcie sznura plazmy, zawsze pod wpływem jej własnego pola magnetycznego). Poniższy schemat mówi sam za siebie.
Efekt zaciśnięcia w sznurze plazmy
Maszyna FOCUS łączy więc oba efekty. Pod wpływem jej własnego pola magnetycznego „parasol plazmy” jest więc dmuchany. Potem, w momencie, gdy dąży do odłączenia się od elektrod, co w końcu następuje, tworzy się sznur plazmy, w którym panuje gwałtowny efekt zaciśnięcia. Nie wiemy dokładnie, co dzieje się wewnątrz niego. Niemniej jednak, to kompresja generuje wysokie temperatury. Niektórzy uważają, że w tym sznurze rodzą się instabilności geometrii dość złożone, prąd mający wtedy tendencję do tworzenia rodzajów włókien, prądów zawiniętych, w których zachodziłyby nowe efekty zaciśnięcia, nasilające wzrost temperatury. Ostatecznie pojawiałyby się „gorące punkty” w tej kolumnie plazmy.
Geometria (zakładana) prądu
Instabilności MHD mają „złą reputację”. Przez dziesięcioleci hamowały rozwój tokamaków. Pod koniec lat sześćdziesiątych zniszczyły wysiłek MHD przemysłowej w „niskiej temperaturze” z powodu instabilności Velikhova (wydaje się, że jestem znany praktycznie wszystkim specjalistom MHD rosyjskim z powodu moich prac na ten temat, a w szczególności z powodu dwóch eksperymentów, w których, za pomocą dwóch różnych metod, udało mi się w 1965 i 1982 roku zniweczyć tę instabilność). Te instabilności są zjawiskami bardzo nieliniowymi, kapryśnymi. Instabilność nie jest „ani dobra, ani zła”. W przypadku maszyny Focus te instabilności są wykorzystywane do uzyskania, lokalnie, bardzo dużych skoków temperatury.
Jakie są wyniki?
Te maszyny typu Focus są niewiarygodnie prostolinijne i proste. Ale co dają? Oto najpierw obrazy tego wyładowania, zrobione kamerą ultraszybką, pokazujące efekt wyrzutu korony plazmy, towarzyszący zaciśnięciu:
Film wydarzeń należy czytać od dołu do góry
Poniżej maszyna Focus zbudowana przez Filippova (dziś zmarłego) w latach sześćdziesiątych w Instytucie Kurtchatowa Wysokich Temperatur w Moskwie:
Filippov przed swoją maszyną Focus, w Instytucie Kurtchatowa Wysokich Temperatur w Moskwie
Można wyobrazić sobie maszyny Focus o różnych rozmiarach, parametry podobieństwa są stosunkowo dobrze opanowane (patrz artykuł w Wikipedii). Maszyna powyżej 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 zespoły twierdzą, że uzyskały wyniki, które pozwoliłyby na rozważenie wykonalności ekstrakcji energii z reakcji fuzji bez zanieczyszczeń Bor
11
Wodór
1
dający 4 jądra helu i 8,7 MeV energii. Reakcja Li
6
plus D
2
(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 rolę ekranu dla promieniowania rentgenowskiego, które emituje, gdy elektrony wyładowania uderzają w nią. Nie to promieniowanie X chcą mierzyć badacze, ale to bezpośrednio emitowane przez plazmę, które pozwoliłoby poznać jej temperaturę.
Aby ustalić skalę, montaż ma długość jednego stopy.
Chociaż koncepcja powstała w 1958 roku, akt urodzenia maszyn Focus ustala się na rok 1964, kiedy zostały 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 Stevens Institute of Technology, Hoboken, New Jersey, opracowali model teoretyczny, według którego wzrosty temperatury zachodziłyby w „gorących punktach” 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 Eric Lerner zaproponował ilościową teorię DPS (Dense Plasma Focus), zawsze opartą na tej koncepcji „gorących punktów”. Te badania stagnowały do początku lat dziewięćdziesiątych z powodu braku finansowania.
W 1994 roku badania eksperymentalne zostały wznowione na małych montażach na uniwersytecie w Illinois. W 2001 roku eksperymenty przeprowadzone na uniwersytecie A & M w Teksasie zostały wykonane przez Lernera. Ten zdaje z nich sprawę 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 rentgenowskiego, który mierzy, pochodzi z plazmy wyładowania, a nie z uderzenia elektronów na elektrodę. Wyjaśnia, jak starał się maskować tę drugą emisję przez ekran ołowiany o grubości 5 cm. Może. W takim przypadku osiągnięta temperatura byłaby rzeczywiście powyżej miliarda stopni. Sprawa do śledzenia. Zasadniczo zespoły pracujące nad eksperymentami typu focus pozostają ograniczone przez brak finansowania, a więc przez brak ważnych i precyzyjnych środków diagnostycznych.
Ten wynik jest prawdopodobnie mniej wiarygodny niż ten z Sandia (maszyna Z), ale wydawało się nam interesujące wspomnienie o tym innym podejściu.
17 lutego 2008
: Precyzja na temat reakcji pasożytniczych związanych z formułą
B 11 + H 1
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 spiralingujący wokół atomu boru jest więc 25 razy wyższa niż ta tracona podczas spiralingowania wokół atomu wodoru (lekki lub ciężki, liczy się ładunek)
B 11 + H 1
daje C
11
- n + 2,8 MeV
Czas życia węgla C
11
: 20 minut. Można otworzyć bez niebezpieczeństwa komorę 10 godzin po zatrzymaniu pracy
B 11
- He
4
daje N
11
- n + 157 keV
Ochrona: 20 cm B 10
lub 1 metr wody.
Indukowana radioaktywność w elektrodzie z berylu: 5 mikrocuri rocznie (dane: konferencja Lernera)
Według Lernera, w tej fuzji impulsowej
wykorzystuje się
instabilności MHD. Jego opis mechanizmów jest następujący. Wyładowanie elektryczne „w parasol” dąży najpierw do kondensacji plazmy porównywalnych „do wielorybów tego samego parasola”. Potem te filamenty owijają się wokół osi, tworząc sznur plazmy. Ten, przez instabilność Kinka, konfiguruje się „jak spiralny sznur telefoniczny”. Potem w tej samej strukturze tworzą się „samokonfinowane plazmoidy”, gorące punkty o mikroskopijnej objętości, mniejszej niż mikrometr sześcienny. W tych plazmoidach pole magnetyczne ma topologię toroidalną. Nowe zaciśnięcie wzdłuż osi tego plazmoidu-kropli. I wtedy, według Lernera, zachodzą reakcje fuzji.
Konferencja Lernera na temat maszyny Focus:
http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl
Zobacz również stronę
http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion
angielskojęzycznej Wikipedii, która powinna zostać przetłumaczona na francuski. To oświetliłoby niejednego