Kirlenmeyen füzyon, başka bir yol mümkün mü?
FOCUS Deneyi
Bugüne kadar elde edilen sonuçlar, Sandia’daki Z-machine’in sonuçları kadar güvenilir değildir. Ancak, MHD’nin bir plazmanın yoğunluğunu ve sıcaklığını artırmak konusunda ne kadar geniş bir yelpaze sunduğunu göstermek için bu deneylere değinmek ilginç geldi. Bu açıdan FOCUS deneyi oldukça özgündür. Bu durumda, X ışını akışıyla ölçülen yüksek sıcaklıkların gerçekten plazmanın sıcaklığına mı yoksa anoda etkisine mi karşılık geldiği belirsizdir. Güçlü Yeni Meksika laboratuvarının olanaklarından çok uzak olan E. Lerner, bunun bir milyar dereceden fazla (100 keV) bir sıcaklığın elde edildiğini gösterdiğine inanmaktadır. Bu sonucun sorumluluğunu ona bırakıyoruz.
Çalışma Prensibi
1 Haziran 2006
FOCUS, 2000’lerin başından beri birçok kişinin bahsettiği bir deneydir. Wikipedia ansiklopedisinde şu adreslerde bilgi bulabilirsiniz:
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus
Herkes için füzyon, hemen iki tek yolu akla getirir.
- Tokamaklerde füzyon, Cadarache’de, Aix-en-Provence’nin kuzeyinde kurulacak olan pahalı ITER deneyine karşılık gelir.
- Lazerlerle füzyon, Bordeaux yakınlarındaki Le Barp’te bulunan “mühendisler için başka bir katedral” olan Megajoule projesine karşılık gelir.
Füzyon denildiğinde, ayrıca en düşük sıcaklıkta gerçekleşen deuterium ve tritium füzyonu kastedilir. Deuterium, hidrojenin ilk izotopudur; çekirdeği bir proton ve bir nötron içerir. Tritium çekirdeği ise bir proton ve iki nötron içerir.
Onların füzyonu, sıcaklık yüz milyon dereceye ulaştığında (hızlı bir şekilde) gerçekleşir ve bir helyum çekirdeği ile 14 Mev (14 milyon elektron-volt) enerjiye sahip hızlı bir nötron üretir. Güneşin merkezinde “kazan”ın sıcaklığı sadece 15-20 milyon derecedir ve füzyon orada çok daha yavaş bir hızla gerçekleşir (aksi halde Güneş patlardı).
Ağır hidrojen molekülleri, hafif hidrojen moleküllerine şaşırtıcı derecede benzer. Aynı kimyasal özelliklere sahiptirler:
Solda bir D-D molekülü, sağda bir T-T molekülü. Bağ, burada arılarla temsil edilen elektronlar tarafından sağlanır. “Nükleonlar” şeytanlarla temsil edilir. Elektrik yükü taşıyan protonlar mor, elektrik nötr nötronlar kırmızıdır.
3000°C’den itibaren hidrojen “tamamen iyonlaşır”, elektronlar çekirdekleri terk eder ve hidrojen (hafif veya ağır) plazmaya, “elektron gazı” ve elektrik yükü taşıyan çekirdeklerin karışımına dönüşür. Ancak 100-150 milyon derece civarında bu çekirdekler reaksiyona girmeye eğilimlidir:
İşte ağır hidrojen füzyonunun şeması:
Okuyucu, nükleer enerjiyle ilgili tüm bu kavramlara, ücretsiz indirilebilir çizgi romanım “Energétiquement Vôtre”i okuyarak aşina olabilir.
http://www.savoir-sans-frontieres.com
adresinde mevcuttur:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
14 Mev’lik füzyon nötronunun yayılması sorun yaratır çünkü bu parçacıklar, reaktörü oluşturan tüm yapılarda indüklenmiş radyoaktiviteye neden olur. Bu nötronlar, reaktör yapılarının malzemelerine entegre olur ve ipso facto radyoaktif hale gelen birçok kararsız madde oluşturur; bunlar atık oluşturacaktır. Bu nötron akışı ayrıca reaktör yapılarını bozar, zamanla bileşenlerin sağlamlığını tehlikeye atabilir ve plazma hapsını sağlayan solenoidlerin düzgün çalışmasını bozabilir.
Yukarıdaki çizim, tritiumun yeniden üretimini hatırlatır. Pratikte, füzyon nötronları sadece tritiumu yeniden yaratmakla kalmaz. Aynı zamanda, yapay radyoaktivite etkisiyle (doğada var olan ve başlangıçta süpernova patlamalarında yaratılan, ardından Dünya’nın oluşumu sırasında kütlesine entegre edilen doğal radyoaktiviteye bağlı radyoaktif izotoplarla karşıtlık olarak) birçok radyoaktif izotop da yaratır. Bir lityum zarfı, sürekli tritium yaratması beklenen “doğurgan malzeme” gibi davranır; tritium, radyoaktiftir (yarı ömür: 12 yıl) ve doğada bulunmaz.
Sıradan insan, genel olarak füzyonun “çekirdeklerin kimyası” gibi olduğunu, bir “füzyon karışımı”ndan, bir “reaksiyon”dan başladığını ve “reaksiyon ürünleri” verdiğini bilmez. Deuterium-Tritium füzyonu, mümkün olan reaksiyonlardan sadece biridir. Ancak en düşük sıcaklıkta gerçekleşen olduğu için
Kirlenmeyen, radyoaktivite ve radyoaktif atık içermeyen füzyon reaksiyonları!
Z-machine’e adanan bir dosyada, 2005 yılında Yeni Meksika’daki Sandia laboratuvarlarında iki milyar derece sıcaklığa ulaşıldığını gördük. Bu deneyin amacının bu kadar yüksek sıcaklıklar elde etmek değil, birkaç milyon derece altında basit bir X ışını kaynağı yaratmak olduğunu belirtelim. Ancak beklenmedik bir şekilde, bu plazma sıkıştırıcısı ... iki milyar derece sağladı, tamamen tartışmasız bir şekilde. Bu outsider sonucu, şu pahalı projeleri onlarca yıldır yöneten ekipler arasında hemen bir huzursuzluk yarattı:
- Lazerlerle füzyon (Fransa’da: Megajoule)
- Tokamaklerde füzyon (Fransa’da: ITER)
Ancak göreceğiz ki, bu Z-machine, bu kadar sıcak plazmalar üretebilen tek makine olmayabilir (ITER gibi sürekli çalışan bir makine, sıcaklığını artıramaz). Bir analoji yaparak, bu yeni yüksek sıcaklık füzyon makinesi yelpazesi ile tokamak arasındaki fark, patlama motorları ile buhar makineleri arasındaki fark kadar büyük denilebilir.
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 solenoid, basit bir halka alalım ve içinden akım geçirelim. Bu halka, Laplace Kuvveti I x B aracılığıyla akım geçen tel üzerinde etki eden bir alan yaratacaktır.
Kendi manyetik alanının etkisiyle bir halkanın genişlemesi.
Bu, tipik olarak Lise’de veya Bilim Sarayı’nda gördüğünüz deneydir.
Akım yeterince yoğunsa, bu, elektrik iletkeninin patlamasına neden olabilir. 1960’lardaki laboratuvarımda, 50.000 amperlik akımlarla, bir kapasitör bataryası tarafından verilen 2 tesla (20.000 Gauss) manyetik alanlar yaratılırdı. Bobinler bakır şeritten yapılıyordu. Bunlar sağlamca bağlanmamışsa (araldite ile yapıştırılmış bir cam elyaf zarfı ile tutuluyordu), bu solenoidler hemen patlar ve laboratuvarı enkazla doldururdu.
Şimdi bir elektrik deşarjı alalım. Hepiniz, iki metal çubuk arasında bir elektrik deşarjının patlatılmasından oluşan deneyi görmüşsünüzdür. Bu “yukarı çıkar” ve sonunda kırılır.
Az önceki halka şemasını buluruz, fark şudur ki akım, metal iletkenlerde ve iyonize gaz türünde, yani plazmada akar. Ancak prensip aynıdır. Bu “halka” genişlemeye eğilimlidir.
Gadget’ın ötesinde, plazma topu (plasma rail gun) kavramına ulaşırız. Enjekte edilen yoğunluklar yeterince önemliyse, önemli bir Laplace kuvvetine maruz kalan bir plazma yaratabiliriz ve bu, büyük bir gaz hareketine yol açar. Bu iyonize gaz kütlesi, o zaman bir mermiye dönüşebilir. Ulaşılan hız süpersonik olabilir ve bu plazma arkının fırlatılması, bir şok dalgasıyla birlikte olur.
Plazma topu (rail gun)
Plazma fiziği, mümkün ve hayal edilebilir tüm geometrilere uyarlanabilir ve bu tür cihazların içinde, daha az veya daha çok bilinen ve kontrol edilen birçok fenomen meydana gelebilir. Az önce tek bir halka düşünmüştük. Ancak, bir torus boyunca düzenlenmiş bir halka setini de hayal edebiliriz: tokamak tarzı bir montaj. Eğer yalıtıcı bir kumaştan oluşan, bir lastik tüpe benzeyen esnek bir zarf üzerinde elektrik teli halkaları bulunsa, akım geçişinin onu “şişireceği” kolayca hayal edilebilir. Yine, çok yoğun bir akım geçişi patlamaya neden olabilir. Tokamak manyetizasyon sistemleri, mekanik gerilimlere maruz kalır ve sağlamca bağlanmalıdır.
Bir tokamağın solenoid sistemi (şematik). Patlama kuvveti.
Her şey, bu iletkenler kümesinin, MKSA’da değerinin B²/2μ₀ olduğu ve μ₀ = 4π × 10⁻⁷ C olduğu bir “manyetik basınca” maruz kaldığı gibi görünür.
“Plasma rail gun”de olduğu gibi, bu torus geometrisinde akım tablasının bir kısmının “genişlemeye serbest” olduğunu hayal edebiliriz. Örneğin, parietal iyonlaştırıcı şemasını (kurt tuzak şeklinde) elde ederdik.
Parietal iyonlaştırıcı
Bu, “duvardan uzaklaştırılmaya çalışan bir tür plazma şemsiyesi” yaratır.
Şimdi, temel kavramı 1950’lere dayanan “FOCUS” makinesinin şemasına ulaşacağız (MHD’nin tüm temel kavramları gibi, pratik olarak aynı). Bu, MHD’den başka bir şey değildir: bildiğiniz, 1950’lerin sonunda Fransa’da “işe yaramadığı için” terk edilen ve bugün Amerikalılar ve Ruslar karşısında otuz yıllık bir gecikme yaşadığımız disiplin.
FOCUS, “bir eksen boyunca sarılmış” bir tür plazma topuna benzeyecektir. Merkez bir anoda, çevresinde bir katod vardır. İşte Wikipedia’da görünen görüntü.
FOCUS makinesi
İşte perspektiften görünen makine, “akım şemsiyesinin” fırlatılmasıyla:
FOCUS makinesi, “plazma şemsiyesinin” fırlatılmasıyla
Bu plazma şemsiyesi silindirin dışına fırlatıldığında, onu kısa bir süre anodada tutan bir plazma kordonu oluşur:
FOCUS: Plazma kordonunun oluşumu
İşte burada ikinci bir etkiyi devreye sokmak gerekir: her zaman kendi manyetik alanının etkisiyle bir plazma kordonunun sıkışması. Aşağıdaki şema kendi başına konuşuyor.
Plazma kordonunda sıkışma etkisi
FOCUS makinesi, bu iki etkiyi birleştirir. Kendi manyetik alanının etkisiyle “plazma şemsiyesi” üflenir. Ardından, elektrotlardan kopmaya çalıştığı anda, bu sonunda gerçekleşir, şiddetli bir sıkışma etkisinin hüküm sürdüğü bir plazma kordonu oluşur. Bunun içinde ne olduğu tam olarak bilinmiyor. Yine de, bu sıkışma önemli sıcaklıklar üretir. Bazıları, bu kordonun içinde, akımın yeni sıkışma etkileri yaratacak, sıcaklık artışını artıran, sarılı akımlar türleri olan oldukça karmaşık geometrik kararsızlıklar doğduğunu düşünür. Sonunda, bu plazma sütununda “sıcak noktalar” ortaya çıkar.
Akımın (varsayılan) geometrisi
MHD kararsızlıkları “kötü bir üne” sahiptir. Onlar, tokamaklerin gelişimini uzun yıllar boyunca engelledi. 1960’ların sonunda, Velikhov kararsızlığı nedeniyle “bitempérature” endüstriyel MHD çabasını çökertti. (Bu konu üzerindeki çalışmalarım nedeniyle, özellikle 1965 ve 1982’de iki farklı yöntemle bu kararsızlığı yok etmeyi başardığım iki deney nedeniyle, Rus MHD uzmanlarının neredeyse hepsi tarafından tanındığım söyleniyor.) Bu kararsızlıklar, çok doğrusal olmayan, kaprisli fenomenlerdir. Bir kararsızlık “ne iyi ne kötüdür”. FOCUS makinesi durumunda, bu kararsızlıklar, yerel olarak çok yüksek sıcaklık sapmaları elde etmek için kullanılır.
Sonuçlar nelerdir?
FOCUS türü bu makineler inanılmaz derecede basit ve sade. Ama ne veriyorlar? İşte, ultra hızlı bir kamerayla çekilen, plazma taçının fırlatılması ve sıkışma ile birlikte bu deşarjın görüntüleri:
Olayların filmi aşağıdan yukarıya okunmalıdır.
Aşağıda, 1960’larda Moskova’daki Yüksek Sıcaklıklar Kurchatov Enstitüsü’nde Filippov (bugün vefat etmiş) tarafından inşa edilen FOCUS makinesi:
Filippov, Moskova’daki Yüksek Sıcaklıklar Kurchatov Enstitüsü’ndeki FOCUS makinesi önünde
Çeşitli boyutlarda FOCUS makineleri düşünülebilir, benzerlik parametreleri nispeten iyi kontrol edilir (Wikipedia’daki makaleye bakın). Yukarıdaki makine, üç mikrosaniye yükselme süresiyle yüz kilo-amperlik bir akıma karşılık gelir. Anoda, 16 cm uzunluğunda ve 1 cm çapındadır. Bu tür makineler şu anda 8 ülkede incelenmektedir. Bazı ekipler, kirlenmeyen Bore-11 + Hidrojen-1 reaksiyonundan enerji çıkarma yapılabilirliğini öngörmeye izin veren sonuçlar elde ettiklerini iddia etmektedir; bu reaksiyon 4 helyum çekirdeği ve 8,7 Mev enerji verir. Li-6 + D-2 (deuterium) reaksiyonu ise 22,4 Mev verir.
Bunu şurada bulabilirsiniz:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Amerikan FOCUS makinesi, genel montajın bir varyantını temsil eden boş bir anodaya sahiptir.
Boş anodalı Amerikan FOCUS makinesi
Bu montaj, anodanın, deşarj elektronları onu vurduğunda yaydığı X ışınları için bir ekran olarak hizmet etmesine olanak tanır. Araştırmacıların ölçmek istediği bu X ışınları değil, doğrudan plazma tarafından yayılan ve sıcaklığını belirlemeye izin veren X ışınlarıdır.
Ölçeği belirlemek için montaj bir ayak uzunluğundadır.
Kavram 1958’de doğmuş olsa da, FOCUS makinelerinin doğum belgesi 1964’te, ABD’de Mather ve Rusya’da Filippov tarafından eş zamanlı olarak hayal edildiği tarihe sabitlenir. 1960’ların sonu ve 1970’lerin başında, Hoboken, New Jersey’deki Stevens Institute of Technology’den Winston Bostick ve Victorio Nardi, sıcaklık artışlarının, çok büyük yerel manyetik alan değerlerine bağlı “sıcak noktalar” veya “plazmoitler” içinde gerçekleştiğini öngören teorik bir model geliştirdi. Bu teorinin eleştirmenleri vardır. Bazıları, aksine, enerjinin plazma içinde daha dağınık olduğunu düşünür. 1986’da Eric Lerner, “sıcak noktalar” kavramına dayanan, yoğun plazma FOCUS’u (Dense Plasma Focus) için nicel bir teori önerdi. Bu araştırmalar, finansman eksikliği nedeniyle 1990’ların başına kadar durdu.
1994’te, Illinois Üniversitesi’nde küçük montajlarda deneysel araştırmalar yeniden başlatıldı. 2001’de, Texas A&M Üniversitesi’nde Lerner tarafından yapılan deneyler gerçekleştirildi. Bunu şu makalede rapor ediyor:
http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0205/0205026.pdf
Bu çalışmalar ayrıca şurada da anılır:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Lerner, ölçümlerini, ölçtüğü X ışını akışının deşarj plazmasından geldiğini, elektronların elektrod üzerindeki etkisinden değil, diye yorumlar. Bu ikinci yayılımı 5 cm kalınlığında bir kurşun ekranla maskelemeye nasıl çalıştığını açıklar. Belki. Bu durumda, ulaşılan sıcaklık gerçekten bir milyar dereceden fazla olurdu. Takip edilecek bir konu. Genel olarak, FOCUS türü deneyler üzerinde çalışan ekipler, finansman eksikliği ve dolayısıyla geçerli ve hassas teşhis araçları eksikliği nedeniyle engellenmeye devam etmektedir.
Bu sonuç, muhtemelen Sandia’nın (Z-machine) sonuçları kadar güvenilir değildir, ancak bu başka yaklaşımı belirtmek ilginç geldi.
17 Şubat 2008
B 11 + H 1 formülüne bağlı parazit reaksiyonlar hakkında bir açıklama. Bore 5 elektrik yükü, hidrojen 1. Karbon 6 ve azot 7.
Plazmanın radyatif soğuması, frenleme radyasyonu yoluyla olur. Yayılan güç, elektrik yükünün karesiyle değişir. Bir Bore atomu etrafında spiral yapan bir elektronun yaydığı X ışını gücü, hafif veya ağır bir hidrojen atomu etrafında spiral yaparken kaybedilen gücün 25 katıdır (yük önemlidir).
B 11 + H 1, C 11 + n + 2,8 Mev verir.
C 11 karbonunun ömrü: 20 dakika. Çalışma durduktan 10 saat sonra oda güvenle açılabilir.
B 11 + He 4, N 11 + n + 157 keV verir.
Koruma: 20 cm B 10 veya 1 metre su.
Beryliyum elektrodta indüklenen radyoaktivite: yılda 5 mikrocurie (veri: Lerner konferansı).
Lerner’e göre, bu impulsif füzyonda MHD kararsızlıkları kullanılır. Mekanizmaların açıklaması şöyledir. “Şemsiye” elektrik deşarjı, önce “aynı şemsiyenin balinalarına” benzer plazma yoğunlaşmaları vermeye çalışır. Ardından bu filamentler, bir plazma kordonu vermek için eksen boyunca sarılır. Bu, Kink kararsızlığıyla “spiral bir telefon kablosu gibi” yapılandırılır. Ardından, aynı yapıda, mikron küpten küçük, çok küçük hacimli, “kendi kendini hapseden plazmoitler”, sıcak noktalar oluşur. Bu plazmoitlerde, manyetik alan torus topolojisine sahiptir. Bu plazmoit-damla boyunca yeni bir sıkışma. Ve Lerner’e göre, işte o zaman füzyon reaksiyonları gerçekleşir.
Lerner’in FOCUS makinesi hakkında konferansı:
http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl
Ayrıca, İngilizce Wikipedia’daki şu sayfaya bakın:
http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion
Bu, Fransızca’ya çevrilmeli. Birçok kişi için aydınlatıcı olacaktır.