Fuziune nepoluantă, o altă cale posibilă?
Experimentul FOCUS
Rezultatele obținute până în prezent nu au același nivel de fiabilitate ca cele ale mașinii Z de la Sandia, dar ni s-a părut interesant să evocăm aceste experimente pentru a arăta gama foarte largă pe care o permite MHD, în ceea ce privește creșterea densității și temperaturii unui plasma. În acest sens, experimentul Focus este foarte original. Rămâne de știut, în acest caz, dacă temperaturile ridicate măsurate cu ajutorul fluxului de raze X corespund efectiv temperaturii plasmei sau efectului de impact asupra anodei. E. Lerner, care este departe de a dispune de mijloacele puternicului laborator din Noua Mexic, este convins că aceasta indică faptul că ar fi fost obținută o temperatură de peste un miliard de grade (100 keV). Îi vom lăsa lui responsabilitatea acestei concluzii.
Principiul de funcționare
1 iunie 2006
FOCUS este un experiment despre care mulți oameni vorbesc încă de la începutul anilor 2000. Se pot găsi elemente în enciclopedia Wikipedia la:
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus
Fuziunea, pentru toată lumea, evocă imediat două singurele căi.
-
Fuziunea în Tokamakuri, corespunzând costisitorului experiment ITER, care va fi implementat la Cadarache, la nord de Aix-en-Provence
-
Fuziunea prin lasere, conferind această altă „catedrală pentru ingineri” care este proiectul Megajoule, situat la Le Barp, lângă Bordeaux.
Prin fuziune se înțelege de asemenea exclusiv cea a deuteriului și tritiului, care este cea care se produce la cea mai joasă temperatură. Deuteriul este un prim izotop al hidrogenului al cărui nucleu este constituit dintr-un proton și un neutron. Nucleul tritiului conține un proton și doi neutroni.
Fuziunea lor, care intervine când temperatura atinge 100 de milioane de grade (la un ritm rapid) produce un nucleu de heliu și un neutron (rapid) dotat cu o energie de 14 MeV (14 milioane de electron-volți). În inima soarelui, temperatura „cazanului” este doar de 15 la 20 de milioane de grade și fuziunea se desfășoară acolo doar la un ritm mult mai lent (altfel Soarele ar exploda).
Moleculele de hidrogen greu seamănă întocmai cu cele ale hidrogenului ușor. Ele sunt dotate cu aceleași proprietăți chimice:
În stânga, o moleculă D - D și în dreapta o moleculă T - T. Legătura este asigurată de electroni, aici reprezentați prin albine. „Nucleonii” sunt figurați prin diavoli. Protonii, electric încărcați, sunt în violet, neutronii, electric neutri, în roșu.
Peste 3000° hidrogenul „se ionizează complet”, electronii părăsesc nucleele și hidrogenul (ușor sau greu) se transformă în plasmă, un amestec de „gaz de electroni” și de nuclee electric încărcate. Dar spre 100-150 de milioane de grade, aceste nuclee tind să reacționeze:
Iată schema fuziunii hidrogenului greu:
Cititorul se poate familiariza cu toate aceste concepte legate de energia nucleară consultând banda desenată gratuit descărcabilă
Energétiquement Vôtre
disponibilă pe site-ul
http://www.savoir-sans-frontieres.com
la adresa:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
Emisia acestui neutron de fuziune de 14 MeV este cea care creează probleme deoarece aceste particule provoacă o
radioactivitate indusă
în toate structurile care constituie reactorul. Acești neutroni se integrează în materialele structurilor reactorului dând numeroase substanțe instabile care devin ipso-facto radioactive și vor constitui deșeuri. Acest flux de neutroni alterează de asemenea structurile reactorului, poate pe termen lung compromite soliditatea componentelor sale și altera funcționarea normală a solenoizelor care asigură confinarea plasmei.
Desenul de mai sus evocă regenerarea tritiului. În practică, neutronii de fuziune nu fac doar să recreeze tritiul. Ei creează de asemenea numeroși izotopi radioactivi, prin efect de radioactivitate artificială (opuse „radioactivității naturale” legate de izotopii radioactivi existenți în natură, și care au fost creați inițial în exploziile de supernove, apoi integrate în masa pământului la momentul formării sale). O înveliș de litiu se comportă ca un „material fertil” care este menit să recreeze continuu tritiul care, radioactiv (durată de viață: 12 ani) nu există în natură.
Omul de pe stradă ignoră în general că fuziunea este ca „o chimie a nucleelor”, unde se pleacă de la un „amestec de fuziune”, de la o „reacție” și care dă „produse de reacție”. Fuziunea Deuteriu-Tritiu este doar una dintre reacțiile posibile. Dar deoarece este cea care se produce la cea mai joasă temperatură
Reacții de fuziune nepoluante, scutite de radioactivitate și de deșeuri radioactive!
Am văzut, într-un dosar consacrat mașinii Z, că o temperatură de două miliarde de grade fusese atinsă în 2005 la laboratoarele Sandia, în Noua Mexic. Semnalăm în treacăt că scopul experimentului nu era de a obține temperaturi atât de ridicate, ci de a crea o simplă sursă de raze X, sub câteva milioane de grade. Or, în mod neașteptat, acest compresor de plasmă a furnizat... două miliarde de grade, într-un mod perfect incontestabil. Acest rezultat
outsider
a creat imediat un disconfort în cadrul echipelor care gestionează de decenii aceste proiecte costisitoare care sunt:
-
Fuziunea prin laser (în Franța: Megajoule)
-
Fuziunea în mașinile tokamak (în Franța: ITER)
Dar vom vedea că această
mașină Z
ar putea
să nu fie singura care poate produce plasmă atât de fierbinte (în timp ce mașina ITER, care funcționează continuu, nu poate crește temperatura). Făcând o analogie, s-ar putea spune că există la fel de multă diferență între această nouă gamă de mașini de fuziune, la temperatură înaltă, și tokamak, cât există între motoarele cu explozie și mașinile cu abur.
Astfel, prin comparație, ITER este mașina cu abur a timpurilor moderne
Pentru a înțelege mai bine aceste tipuri de mașini, este necesar să ne familiarizăm cu forțele electromagnetice care sunt în acțiune în conductoare electrice, apoi în descărcări.
Să luăm un solenoid „moale”, o simplă buclă în care facem să circule un curent. Această spire va genera un câmp care va acționa asupra firului parcurs de curentul electric prin Forța Laplace I
x B
Dilatarea unei spire sub efectul propriului câmp magnetic
Aceasta este tipic experiența pe care ați putut-o vedea la Liceu sau la Palatul Descoperirilor.
Dacă curentul este suficient de intens, aceasta poate duce la spargerea conductorului electric. În laboratorul meu din anii '60 se creau câmpuri magnetice de 2 tesla (20.000 Gauss) cu ajutorul curenților de 50.000 amperi, livrați de o baterie de condensatori. Bobinajele erau din folii de cupru. Dacă acestea nu erau solid fixate (ținute de un înveliș de fibră de sticlă lipit cu araldit), aceste solenoide spărgeau imediat, aruncând laboratorul de resturi.
Să luăm acum o descărcare electrică. Ați văzut cu toții deja experimentul care constă în a face să spargă o descărcare electrică între două tije metalice. Aceasta „urcă” și sfârșește prin a se sparge.
Regăsim schema spirei de mai înainte, cu deosebirea că curentul circulă în conductoare metalice și într-un tip de gaz ionizat, un plasma. Dar principiul este același. Această „spire” tinde să se dilate.
Dincolo de gadget, se ajunge la conceptul de tun de plasmă (plasma rail gun). Dacă intensitățile injectate sunt suficient de importante, se poate crea un plasma care, supus la o forță Laplace importantă, va antrena un mișcare gazoasă masivă. Această masă de gaz ionizat se poate transforma apoi în proiectil. Viteza atinsă poate fi supersonică și ejectarea acestui arc de plasmă se însoțește de o undă de șoc.
Tun de plasmă (rail gun)
Fizica plasmei se poate presta la toate geometriile posibile și imaginabile și, în cadrul unor astfel de dispozitive, se pot produce o mulțime de fenomene, mai mult sau mai puțin cunoscute și stăpânite, de altfel. Mai înainte am envisajat o spiră unică. Dar putem de asemenea imagina un ansamblu de spire aranjate conform unui tor: un montaj de tip tokamak. Se poate imagina ușor că, dacă am dispune de spire de fir electric pe un înveliș moale, comparabil cu o cameră de aer, constituit dintr-un țesut izolant, trecerea curentului ar „umfla” aceasta. Aici, din nou, trecerea unui curent prea intens ar putea duce la spargerea. Sistemele de magnetizare ale tokamakului sunt astfel supuse la constrângeri mecanice și trebuie să fie solid fixate.
Sistem de solenoide al unui tokamak (schematic). Forță de spargere.
Totul se petrece ca și cum acest ansamblu de conductoare ar fi supus la o „presiune magnetică” a cărei valoare este:
B 2 /2 m o
și unde, în MKSA:
m o = 4 p 10 -7 C
ca în „plasma rail gun”, se poate imagina că în această geometrie torică a pânzei de curent, o parte ar fi „liberă să intre în expansiune”. Se ar obține de exemplu schema ionizatorului parietal (în formă de capcană de lup)
Ionizator parietal
Acesta creează un fel de „umbrelă de plasmă” care tinde să fie ejectată departe de perete.
Vom ajunge acum la schema mașinii „FOCUS” al cărei concept de bază datează din anii '50 (la fel, practic, ca toate conceptele de bază ale MHD. Asta nu este altceva decât MHD: știți, această disciplină care a fost abandonată în Franța la sfârșitul anilor '50 „pentru că nu funcționa” și pentru care avem astăzi, față de americani și ruși, treizeci de ani buni de întârziere).
FOCUS
ar semăna cu un fel de tun de plasmă „înfășurat conform unui ax”. Avem o anodă centrală, înconjurată de o catodă. Iată imaginea așa cum apare în Wikipedia.
Mașina Focus V
Iată mașina, văzută în perspectivă, cu ejectările „pânzei de curent”:
Mașina Focus, cu ejectarea „umbrelei” de plasmă
Când această umbrelă de plasmă se găsește ejectată în afara cilindrului, se formează un cordon de plasmă care o reține un scurt moment la anodă:
Focus: formarea cordonului de plasmă
Aici trebuie să intervină un al doilea efect: strangularea unui cordon de plasmă, mereu sub efectul propriului câmp magnetic). Schema de mai jos vorbește de la sine.
Efect de strangulare într-un cordon de plasmă
Mașina FOCUS combină deci cele două efecte. Sub efectul propriului câmp magnetic, „umbrela de plasmă” este suflată. Apoi, în momentul în care tinde să se desprindă de electrozi, ceea ce sfârșește prin a se produce, se formează un cordon de plasmă unde se exercită un violent efect de strangulare. Nu se știe foarte bine ce se petrece în interiorul acestuia. Totuși, această compresie generează temperaturi importante. Unii cred că în acest cordon se nasc instabilități de geometrie destul de complexe, curentul având atunci tendința de a da naștere la fel de fel de fibre, de curenți înfășurați, în cadrul cărora se ar produce noi efecte de strangulare, accentuând creșterea temperaturii. În fine, „puncte fierbinți” ar apărea în această coloană de plasmă.
Geometrie (presupusă) a curentului
Instabilitățile MHD au „reputație proastă”. Ele au frânat timp de decenii mult timp dezvoltarea tokamakurilor. Ele au prăbușit la sfârșitul anilor '60 efortul MHD industrial la „temperatură dublă” din cauza instabilității Velikhov (se pare că sunt cunoscut practic de toți specialiștii MHD ruși din cauza lucrărilor mele asupra acestei chestiuni, și în special din cauza celor două experimente în care, folosind două metode diferite, am reușit, în 1965 și în 1982, să anihilez această instabilitate). Aceste instabilități sunt fenomene foarte neliniare, capricioase. O instabilitate nu este „nici bună, nici rea”. În cazul mașinii Focus, aceste instabilități sunt puse la profit pentru a obține, local, de foarte mari excursions în temperatură.
Care sunt rezultatele?
Aceste mașini de tip Focus sunt incredibil de rustice și simple. Dar ce dau ele? Iată mai întâi imagini ale acestei descărcări, luate cu o cameră ultra-rapidă, arătând acest efect de ejectare a corolei de plasmă, însoțit de o strangulare:
Filmul evenimentelor este de citit de jos în sus
Mai jos, mașina Focus construită de Filippov (astăzi decedat) în anii '60 la Institutul Kurchatov de Înalte Temperaturi din Moscova:
Filippov în fața mașinii sale Focus, la Institutul Kurchatov de Înalte Temperaturi din Moscova
Se pot envisa mașini Focus de diverse dimensiuni, parametrii de similitudine fiind relativ bine stăpâniți (vedeți articolul din Wikipedia). Mașina de mai sus corespunde la o sută de kilo-amperi cu un timp de creștere de trei microsecunde. Anoda are 16 cm lungime și un diametru. Astfel de mașini sunt studiate în prezent în 8 țări. Unele echipe pretind că au obținut rezultate care ar permite envisarea fezabilității extracției de energie dintr-o reacție de fuziune nepoluantă Bore
11
Hidrogen
1
dând 4 nuclee de heliu și 8,7 MeV de energie. Reacția Li
6
plus D
2
(deuteriu) dă în schimb 22,4 MeV.
Se va găsi aceasta în:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Mașina Focus americană are o anodă goală, ceea ce reprezintă o variantă a montajului general.
Mașina Focus americană, cu anodă goală
Acest montaj permite anodei să servească drept ecran pentru raze X pe care le emite când electronii descărcării o lovesc. Nu sunt acele X pe care cercetătorii vor să le măsoare, ci cele care sunt direct emise de plasmă și ar permite cunoașterea temperaturii sale.
Pentru a fixa scara, montajul are un picior de lung.
Deși conceptul s-a născut în 1958, se fixează actul de naștere al mașinilor Focus în 1964, unde au fost imaginat simultan în SUA de Mather și în Rusia de Filippov. La sfârșitul anilor '60 și la începutul anilor '70, Winston Bostick și Victorio Nardi, de la Stevens Institute of Technology, Hoboken, New Jersey, au dezvoltat un model teoretic conform căruia creșterile de temperatură se ar produce în „puncte fierbinți” sau „plasmoid”, legate de valori locale uriașe ale câmpului magnetic. Această teorie are detractorii săi. Unii cred dimpotrivă că energia este mai difuză în interiorul plasmei. În 1986, Eric Lerner a propus o teorie cantitativă a DPS (Dense Plasma Focus), mereu bazată pe acest concept de „puncte fierbinți”. Aceste cercetări au marcat pasul până la începutul anilor '90 din lipsă de finanțare.
În 1994, cercetări experimentale au fost reluate pe montaje mici la universitatea din Illinois. În 2001, experimente efectuate la universitatea A & M din Texas au fost realizate de Lerner. Acesta le relatează în articolul:
http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0205/0205026.pdf
Aceste lucrări sunt de asemenea evocate în:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Lerner interpretează măsurătorile spunând că fluxul de raze X pe care îl măsoară provine din plasma descărcării și nu din impactul electronilor asupra electrodului. Explică cum s-a străduit să mascheze această a doua emisie printr-un ecran de plumb de 5 cm grosime. Poate. În acest caz, temperatura atinsă ar fi efectiv de peste un miliard de grade. Aferă de urmărit. În general, echipele care lucrează la experimente de tip focus rămân handicapate de lipsa finanțării și deci de mijloace de diagnostic valabile și precise.
Acest rezultat este fără îndoială mai puțin fiabil decât cel de la Sandia (mașina Z), dar ni s-a părut interesant să menționăm această altă abordare.
17 februarie 2008
: O precizare asupra reacțiilor parazite legate de formula
B 11 + H 1
Borul are 5 sarcini electrice, hidrogenul una. Carbonul 6 și azotul 7.
Răcirea radiativă a plasmei se face prin radiație de frânare. Puterea emisă variază ca pătratul sarcinii electrice. Puterea emisă în raze X de un electron care spiralează în jurul unui atom de Bor este deci de 25 de ori mai mare decât cea pierdută spiraland în jurul unui atom de hidrogen (ușor sau greu, sarcina este cea care contează)
B 11 + H 1
dă C
11
- n + 2,8 MeV
Durata de viață a carbonului C
11
: 20 minute. Se poate deschide fără pericol camera 10 ore după oprirea funcționării
B 11
- He
4
dă N
11
- n + 157 keV
Protecție: 20 cm de B 10
sau 1 metru de apă.
Radioactivitate indusă în electrodul de beriliu: 5 microcurii pe an (date: conferința lui Lerner)
Conform lui Lerner, în această fuziune impulsivă
se utilizează
instabilitățile MHD. Descrierea mecanismelor este următoarea. Descărcarea electrică „în umbrelă” tinde mai întâi să dea condensări de plasmă comparabile „cu balenele acestei umbrele”. Apoi, aceste filamente se înfășoară conform axului pentru a da un cordon de plasmă. Acesta, prin instabilitate Kink, se configurează „ca un cordon de telefon spiralat”. Apoi, în aceeași structură, se formează „plasmoid auto-confinate”, puncte fierbinți de un volum infim, sub micron cub. În aceste plasmoid, câmpul magnetic are topologia torică. Nouă strangulare conform axului acestui plasmoid-picătură. Și atunci, dixit Lerner, se produc reacțiile de fuziune.
Conferința lui Lerner asupra mașinii Focus:
http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl
Vedeți de asemenea pagina
http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion
de Wikipedia anglofonă, care ar trebui tradusă în franceză. Asta ar lămuri pe mulți.