Odaksız füzyon ve FOCUS makinesi
Odaksız füzyon, başka bir yol mümkün mü?
FOCUS deneyi
Bugüne kadar elde edilen sonuçlar, Sandia'daki Z makinesinin sonuçlarıyla aynı güvenilirlik düzeyine sahip değil; ancak bir plazmanın yoğunluğunu ve sıcaklığını artırma konusunda MHD'nin (Manyetohidrodinamik) sunduğu çok geniş yelpazeyi göstermek amacıyla bu deneylerden bahsetmeyi ilginç bulduk. Bu açıdan FOCUS deneyi oldukça özgündür. Burada asıl soru, X ışını akışı kullanılarak ölçülen yüksek sıcaklıkların gerçekten plazmanın sıcaklığına mı, yoksa anot üzerindeki çarpma etkisine mi karşılık geldiğidir. New Mexico'daki güçlü laboratuvarın olanaklarından çok uzak olan E. Lerner, bunun bir milyar dereceden (100 keV) fazla bir sıcaklığın elde edildiğini gösterdiğine inanmaktadır. Bu sonucun sorumluluğunu kendisine bırakıyoruz.
Çalışma Prensibi
1 Haziran 2006
FOCUS, 2000'li yılların başından beri birçok kişinin hakkında konuştuğu bir deneydir. Wikipedia ansiklopedisinde şu adreste bilgiler bulabilirsiniz:
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus
Füzyon, herkes için hemen iki tek yol çağrıştırır.
-
Cadarache'de, Aix-en-Provence'ın kuzeyinde kurulacak olan pahalı ITER deneyine karşılık gelen Tokamaklarda füzyon.
-
Bordeaux yakınlarındaki Le Barp'ta bulunan Megajoule projesi gibi başka bir "mühendisler için katedral" olan lazerlerle füzyon.
Füzyon ile ayrıca yalnızca en düşük sıcaklıkta gerçekleşen döteryum ve trityum füzyonu kastedilir. Döteryum, çekirdeği bir proton ve bir nötrondan oluşan hidrojenin ilk izotopudur. Trityum çekirdeği ise bir proton ve iki nötron içerir.
Sıcaklık yüz milyon dereceye ulaştığında (hızlı bir şekilde) gerçekleşen füzyonları, bir helyum çekirdeği ve 14 Mev (14 milyon elektron-volt) enerjiye sahip (hızlı) bir nötron üretir. Güneş'in merkezinde "kazan"ın sıcaklığı yalnızca 15-20 milyon derecedir ve füzyon orada çok daha yavaş bir hızda gerçekleşir (aksi takdirde Güneş patlardı).
Ağır hidrojen molekülleri, hafif hidrojen moleküllerine şaşırtıcı derecede benzer. Aynı kimyasal özelliklere sahiptirler:
Solda bir D - D molekülü, sağda ise bir T - T molekülü. Bağ, burada arılarla temsil edilen elektronlar tarafından sağlanır. "Nükleonlar" şeytanlarla temsil edilmiştir. Elektrik yüklü protonlar mor renkte, elektriksel olarak nötr nötronlar ise kırmızı renktedir.
3000°'den itibaren hidrojen "tamamen iyonlaşır", elektronlar çekirdeklerden ayrılır ve hidrojen (hafif veya ağır) bir plazmaya, yani bir "elektron gazı" ile elektrik yüklü çekirdeklerin karışımına dönüşür. Ancak 100-150 milyon derece civarında bu çekirdekler reaksiyona girmeye eğilimlidir:
İşte ağır hidrojen füzyonunun şeması:
Okuyucu, ücretsiz indirilebilir çizgi romanım olan Enerjinizle Kalın'ı inceleyerek nükleer enerjiyle ilgili tüm bu kavramlara aşina olabilir.
http://www.savoir-sans-frontieres.com adresindeki sitede şu bağlantıdan erişilebilir:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
Sorun yaratan, bu 14 Mev'lik füzyon nötronunun yayılmasıdır; çünkü bu parçacıklar reaktörü oluşturan tüm yapılarda indüklenmiş radyoaktiviteye neden olur. Bu nötronlar, reaktör yapılarının malzemelerine yerleşerek çok sayıda kararsız madde oluşturur ve bu maddeler ipso facto (kendi başlarına) radyoaktif hale gelerek atık oluştururlar. Bu nötron akışı ayrıca reaktör yapılarını bozar, zamanla bileşenlerin sağlamlığını tehlikeye atabilir ve plazmanın hapsedilmesini sağlayan solenoitlerin düzgün çalışmasını engelleyebilir.
Yukarıdaki çizim, trityumun rejenerasyonunu çağrıştırır. Pratikte füzyon nötronları yalnızca trityum yeniden yaratmakla kalmaz. Aynı zamanda yapay radyoaktivite etkisiyle (doğada bulunan ve başlangıçta süpernova patlamalarında yaratılıp Dünya'nın oluşumu sırasında kütlesine dahil olan radyoaktif izotoplara bağlı "doğal radyoaktivite"nin aksine) çok sayıda radyoaktif izotop da yaratırlar. Bir lityum zarfı, sürekli olarak trityum yeniden yaratması beklenen "verimli bir malzeme" gibi davranır; trityum ise radyoaktiftir (yarı ömür: 12 yıl) ve doğada bulunmaz.
Sokaktaki insan genellikle füzyonun, bir "füzyon karışımından", bir "reaksiyondan" yola çıkıp "reaksiyon ürünleri" veren "çekirdeklerin kimyası" gibi olduğunu bilmez. Döteryum-Trityum füzyonu yalnızca mümkün olan reaksiyonlardan biridir. Ancak en düşük sıcaklıkta gerçekleşen bu olduğu için
Radyoaktivite ve radyoaktif atıklardan arınmış, kirletici olmayan füzyon reaksiyonları!
Z makinesine ayrılan bir dosyada, 2005 yılında New Mexico'daki Sandia laboratuvarlarında iki milyar derece sıcaklığa ulaşıldığını görmüştük. Bu arada, deneyin amacının bu kadar yüksek sıcaklıklara ulaşmak değil, birkaç milyon derece altında basit bir X ışını kaynağı oluşturmak olduğunu belirtelim. Ancak beklenmedik bir şekilde, bu plazma sıkıştırıcısı ... iki milyar derece verdi, hem de tamamen tartışmasız bir şekilde. Bu outsider (dışı) sonuç, onlarca yıldır şu pahalı projeleri yöneten ekipler arasında hemen bir huzursuzluk yarattı:
-
Lazerlerle füzyon (Fransa'da: Megajoule)
-
Tokamak makinelerinde füzyon (Fransa'da: ITER)
Ancak göreceğiz ki bu Z makinesi, bu kadar sıcak plazmalar üretebilen tek makine olmayabilir (sürekli çalışan ITER makinesi sıcaklığını artıramazken). Bir analoji yaparak, bu yeni yüksek sıcaklıklı füzyon makineleri serisi ile tokamak arasındaki farkın, içten yanmalı motorlar ile buhar makineleri arasındaki fark kadar büyük olduğunu söyleyebiliriz.
Böylece, karşılaştırma olarak, ITER modern zamanların buhar makinesidir.
Bu tür makineleri daha iyi anlamak için, elektrik iletkenlerinde ve ardından deşarjlarda iş başında olan elektromanyetik kuvvetlere aşina olmak gerekir.
"Esnek" bir solenoit, yani içinden akım geçirdiğimiz basit bir halka alalım. Bu sarım, Laplace Kuvveti I x B aracılığıyla elektrik akımı geçen tel üzerinde etki edecek bir alan yaratacaktır.
Kendi manyetik alanının etkisi altında bir sarımın genişlemesi
Bu tipik olarak Lise'de veya Bilgi Sarayı'nda (Palais de la Découverte) gördüğünüz deneydir.
Akım yeterince yoğunsa, bu durum elektrik iletkeninin patlamasına yol açabilir. 1960'lardaki laboratuvarımda, bir kondansatör bataryası tarafından sağlanan 50.000 amperlik akımlarla 2 tesla (20.000 Gauss) manyetik alanlar oluşturuyorduk. Bobinajlar bakır şeritten yapılmıştı. Eğer bunlar sağlam bir şekilde bağlanmazsa (araldit ile yapıştırılmış bir cam elyaf zarfı ile tutulmazsa), bu solenoitler hemen patlar ve laboratuvarı enkazla doldururdu.
Şimdi bir elektrik deşarjı alalım. Hepiniz daha önce iki metal çubuk arasında bir elektrik deşarjı patlatma deneyini görmüşsünüzdür. Bu "yukarı çıkar" ve sonunda kırılır.
Az önceki sarımın şemasını tekrar buluyoruz; fark şu ki, akım metal iletkenlerde ve iyonize bir gaz türü olan bir plazmada dolaşıyor. Ancak prensip aynı. Bu "sarım" genişlemeye eğilimlidir.
Gösterişin ötesinde, plazma topu (plazma ray topu) kavramına ulaşırız. Enjekte edilen akım şiddetleri yeterince yüksekse, büyük bir Laplace kuvvetine maruz kalan ve büyük bir gaz hareketine yol açan bir plazma oluşturabiliriz. Bu iyonize gaz kütlesi daha sonra bir mermiye dönüşebilir. Ulaşılan hız süpersonik olabilir ve bu plazma arkının fırlatılması bir şok dalgasıyla birlikte gerçekleşir.
Plazma topu (ray gun)
Plazma fiziği, mümkün ve hayal edilebilir tüm geometrileri kabul edebilir ve bu tür düzeneklerin içinde, daha az veya daha çok bilinen ve kontrol edilen birçok olay meydana gelebilir. Az önce tek bir sarımı ele almıştık. Ancak bir torus boyunca düzenlenmiş bir sarım kümesini de hayal edebiliriz: tokamak tarzı bir düzenek. Esnek bir zarf üzerinde, yalıtımlı bir kumaştan yapılmış bir iç lastiğe benzer şekilde, elektrik teli sarımları dizildiğini ve akım geçişinin bunu "şişireceğini" kolayca hayal edebiliriz. Burada da, çok yoğun bir akımın geçişi patlamaya yol açabilir. Tokamakların manyetizasyon sistemleri bu nedenle mekanik gerilmelere maruz kalır ve sağlam bir şekilde bağlanmalıdır.
Bir tokamaktaki solenoit sistemi (şematik). Patlama kuvveti.
Her şey, bu iletkenler kümesinin değeri şu olan bir "manyetik basınca" maruz kaldığı gibi görünür:
B2/2mo
ve burada, MKSA birim sisteminde:
mo= 4 p 10-7
"Plazma ray topu"nda olduğu gibi, bu toroidal geometrideki akım tabakasının bir kısmının "genişlemeye serbest" olduğunu hayal edebiliriz. Örneğin, pariyetal iyonlaştırıcının (kurt kapanı şeklinde) şemasını elde ederdik:
Pariyetal iyonlaştırıcı
Bu, duvardan uzağa fırlatılmaya çalışan bir tür "plazma şemsiyesi" yaratır.
Şimdi, temel kavramı 1950'lere dayanan (MHD'nin tüm temel kavramları gibi pratik olarak aynı dönemlere ait) "FOCUS" makinesinin şemasına geleceğiz. Bu, MHD'den başka bir şey değildir; biliyorsunuz, Fransa'da 1950'lerin sonunda "işe yaramadığı" gerekçesiyle terk edilen ve bugün Amerikalılara ve Ruslara karşı otuz yıllık iyi bir geride olduğumuz disiplin.
FOCUS, "bir eksen boyunca sarılmış" bir tür plazma topuna benzeyecekti. Merkezde bir anot ve onu çevreleyen bir katot vardır. İşte Wikipedia'da göründüğü haliyle görüntü.
Focus makinesi
İşte perspektiften görünen makine, "akım şemsiyesinin" dışa atılmasıyla:
Focus Makinesi, "plazma şemsiyesinin" dışa atılmasıyla
Bu plazma şemsiyesi silindirin dışına atıldığında, onu kısa bir an için anot üzerinde tutan bir plazma kordonu oluşur:
Focus: Plazma kordonunun oluşumu
İşte burada ikinci bir etkiyi devreye sokmak gerekir: Plazma kordonunun sıkışması, yine kendi manyetik alanının etkisi altında. Aşağıdaki şema kendini anlatıyor.
Plazma kordonunda sıkışma etkisi
FOCUS makinesi bu iki etkiyi birleştirir. Kendi manyetik alanının etkisi altında "plazma şemsiyesi" üflenir. Ardından, elektrotlardan kopmaya çalıştığı anda (bu sonunda gerçekleşir), şiddetli bir sıkışma etkisinin hüküm sürdüğü bir plazma kordonu oluşur. Bunun içinde tam olarak ne olduğunu pek iyi bilmiyoruz. Yine de, bu sıkışma önemli sıcaklıklar yaratır. Bazıları, bu kordonun içinde oldukça karmaşık geometrilere sahip kararsızlıkların doğduğuna, akımın yeni sıkışma etkilerinin gerçekleştiği ve sıcaklık artışını hızlandıran, sarılmış akımlar türünden lifler oluşturma eğiliminde olduğuna inanıyor. Sonuç olarak, bu plazma sütununda "sıcak noktalar" belirir.
Akımın (varsayılan) geometrisi
MHD kararsızlıklarının "kötü bir şöhreti" vardır. Tokamakların gelişimini onlarca yıl boyunca engellemişlerdir. Velikhov kararsızlığı nedeniyle, 1960'ların sonunda "çift sıcaklıklı" endüstriyel MHD çabasını çökertmişlerdir (Bu konudaki çalışmalarım, özellikle 1965 ve 1982'de iki farklı yöntemle bu kararsızlığı yok etmeyi başardığım iki deney nedeniyle, neredeyse tüm Rus MHD uzmanları tarafından tanındığım söyleniyor). Bu kararsızlıklar, çok doğrusal olmayan, kaprisli olgulardır. Bir kararsızlık "ne iyi ne de kötüdür". Focus makinesi durumunda, bu kararsızlıklar, yerel olarak çok yüksek sıcaklık dalgalanmaları elde etmek için kullanılır.
Sonuçlar nelerdir?
Bu tür Focus makineleri inanılmaz derecede basit ve ilkel. Ama ne veriyorlar? İşte önce, plazma taçının dışa atılması ve buna eşlik eden bir sıkışma etkisini gösteren, ultra hızlı bir kamera ile çekilmiş bu deşarjın görüntüleri:
Olayların filmi aşağıdan yukarıya doğru okunmalıdır
Aşağıda, 1960'larda Moskova'daki Yüksek Sıcaklıklar Kurchatov Enstitüsü'nde Fillipov (artık vefat etmiştir) tarafından inşa edilen Focus makinesi:
Fillipov, Moskova'daki Yüksek Sıcaklıklar Kurchatov Enstitüsü'ndeki Focus makinesinin önünde
Farklı boyutlarda Focus makineleri düşünülebilir; benzerlik parametreleri nispeten iyi kontrol edilmektedir (Wikipedia'daki makaleye bakınız). Yukarıdaki makine, üç mikrosaniyelik bir yükselme süresiyle yaklaşık yüz kiloamperlik bir makinedir. Anot, 16 cm uzunluğunda ve 1 cm çapındadır. Bu tür makineler şu anda 8 ülkede incelenmektedir. Bazı ekipler, kirletici olmayan Bor 11 Hidrojen 1 füzyon reaksiyonundan enerji çıkarılmasının fizibilitesini düşündürten sonuçlar elde ettiklerini iddia ediyor; bu reaksiyon 4 helyum çekirdeği ve 8,7 Mev enerji veriyor. Li6 artı D2 (döteryum) reaksiyonu ise 22,4 Mev veriyor.
Bunu şurada bulabilirsiniz:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Amerikan Focus makinesinin içi boş bir anodu var, bu da genel düzenin bir varyantını temsil ediyor.
İçi boş anotlu Amerikan Focus makinesi
Bu düzenek, anodun, deşarj elektronları ona çarptığında yaydığı X ışınlarına karşı bir ekran olarak hizmet etmesini sağlar. Araştırmacıların ölçmek istediği bu X ışınları değil, doğrudan plazma tarafından yayılan ve sıcaklığını belirlemeye izin veren X ışınlarıdır.
Ölçeği belirlemek için düzenek bir ayak uzunluğundadır.
Kavram 1958'de doğmuş olsa da, Focus makinelerinin doğum tarihi, 1964'te ABD'de Mather ve Rusya'da Fillipov tarafından aynı anda tasarlandıkları yıl olarak kabul edilir. 1960'ların sonu ve 1970'lerin başında, Hoboken, New Jersey'deki Stevens Teknoloji Enstitüsü'nden Winston Bostick ve Victorio Nardi, sıcaklık artışlarının, manyetik alanın devasa yerel değerleriyle ilişkili "sıcak noktalarda" veya "plazmoidlerde" gerçekleşeceğini öne süren bir teorik model geliştirdiler. Bu teorinin eleştirmenleri var. Bazıları, aksine enerjinin plazma içinde daha dağınık olduğunu düşünüyor. 1986'da Eric Lerner, bu "sıcak nokta" kavramına dayanan, DPS (Yoğun Plazma Focus) için nicel bir teori önerdi. Bu araştırmalar, finansman eksikliği nedeniyle 1990'ların başına kadar yerinde saydı.
1994'te Illinois Üniversitesi'nde küçük düzenekler üzerinde deneysel araştırmalar yeniden başlatıldı. 2001'de Texas A&M Üniversitesi'nde Lerner tarafından yürütülen deneyler gerçekleştirildi. Lerner, sonuçları şu makalede rapor ediyor:
http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0205/0205026.pdf
Bu çalışmalar ayrıca şurada da ele alınıyor:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Lerner ölçümlerini, ölçtüğü X ışını akışının deşarj plazmasından geldiğini ve elektronların elektrot üzerindeki çarpmasından gelmediğini söyleyerek yorumluyor. Bu ikinci emisyonu 5 cm kalınlığında bir kurşun ekranla maskelemeye nasıl çalıştığını açıklıyor. Belki. Bu durumda, ulaşılan sıcaklık gerçekten bir milyar dereceden fazla olurdu. Takip edilecek bir konu. Genel olarak, focus türü deneyler üzerinde çalışan ekipler, finansman ve dolayısıyla geçerli ve hassas tanı koyma araçları eksikliği nedeniyle dezavantajlı kalmaya devam ediyor.
Bu sonuç, muhtemelen Sandia'nın (Z makinesi) sonucu kadar güvenilir değil, ancak bu başka yaklaşımı belirtmeyi ilginç bulduk. ---
17 Şubat 2008: B11 + H1 formülüyle ilgili parazit reaksiyonlar hakkında bir açıklama
Bor 5 elektrik yüküne, hidrojen 1'e sahiptir. Karbon 6 ve azot 7'ye.
Plazmanın radyatif soğuması, frenleme ışınımı ile gerçekleşir. Yayınlanan güç, elektrik yükünün karesiyle orantılı olarak değişir. Bor atomu etrafında spiral yapan bir elektronun yaydığı X ışını gücü, hafif veya ağır olsun, hidrojen atomu etrafında spiral yaparken kaybedilen gücün 25 katıdır (önemli olan yüktür).
B11 + H1, C11 + n + 2,8 Mev verir.
Karbon C11'in ömrü: 20 dakika. Çalışma durduktan 10 saat sonra odayı güvenli bir şekilde açabilirsiniz.
B11 + He4, N11 + n + 157 keV verir.
Koruma: 20 cm B10 veya 1 metre su.
Berilyum elektrottaki indüklenmiş radyoaktivite: yılda 5 mikroküri (veriler: Lerner'in konferansı).
Lerner'e göre, bu darbeli füzyonda MHD kararsızlıkları kullanılır. Mekanizmaların açıklaması şöyledir. "Şemsiye" şeklindeki elektrik deşarjı, önce "bu şemsiyenin balinalarına" benzer plazma yoğunlaşmaları vermeye çalışır. Ardından bu filamentler, bir plazma kordonu oluşturmak için eksen boyunca sarılır. Bu kordon, Kink kararsızlığı nedeniyle "spiral bir telefon kablosu gibi" yapılaşır. Ardından, aynı yapı içinde, hacmi mikron küpten küçük, çok küçük hacimli "kendi kendini hapseden plazmoidler" yani sıcak noktalar oluşur. Bu plazmoidlerde manyetik alan toroidal topolojiye sahiptir. Bu plazmoid-damla boyunca eksen boyunca yeni bir sıkışma. Ve Lerner'in dediğine göre, füzyon reaksiyonları o zaman gerçekleşir.
Focus makinesi hakkında Lerner'in konferansı:
http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl
Ayrıca, İngilizce Wikipedia'daki http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion sayfasına da bakınız; bu sayfanın Fransızcaya çevrilmesi gerekir. Bu, birçok kişiyi aydınlatacaktır.
1 Haziran 2006'dan bu yana bu sayfanın görüntülenme sayısı: