Незабруднюючий синтез, чи інший можливий шлях?
Маніпуляція FOCUS
Результати, отримані на сьогодні, не мають того ж рівня надійності, що й результати Z-машини в лабораторії Sandia, але нам здалося цікавим згадати ці експерименти, щоб показати надзвичайно широкий спектр можливостей, які надає МГД (магнітогідродинаміка) у плані збільшення густини та температури плазми. У цьому аспекті маніпуляція Focus є дуже оригінальною. Залишається з’ясувати, чи високі температури, виміряні за допомогою потоку рентгенівського випромінювання, дійсно відповідають температурі плазми, чи впливу удару на аноду. Е. Лернер, який далеко не має засобів потужної лабораторії в Нью-Мексико, переконаний, що це свідчить про отримання температури понад мільярд градусів (100 кеВ). Ми залишимо за ним відповідальність за цей висновок.
Принцип роботи
1 червня 2006
FOCUS — це експеримент, про який багато говорять з початку 2000-х років. Елементи можна знайти в енциклопедії Wikipedia за адресою:
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_focus
Для будь-якої людини синтез одразу асоціюється лише з двома шляхами.
-
Синтез у токамаках, що відповідає дорогій маніпуляції ITER, яка буде впроваджена в Кадараші, на півночі від Екс-ан-Прованс.
-
Синтез за допомогою лазерів, пов’язаний з іншою «інженерною cathedral» — проектом Megajoule, розташованим у Барпі, поблизу Бордо.
Під синтезом також розуміють виключно синтез дейтерію і тритію, який відбувається при найнижчій температурі. Дейтерій — це перший ізотоп водню, ядро якого складається з одного протона і одного нейтрона. Ядро тритію містить один протон і два нейтрони.
Їхній синтез, який відбувається, коли температура досягає ста мільйонів градусів (швидко), виробляє ядро гелію і нейтрон (швидкий) з енергією 14 МеВ (14 мільйонів електрон-вольт). У центрі Сонця температура «котла» становить лише 15–20 мільйонів градусів, і синтез там відбувається набагато повільніше (інакше Сонце вибухнуло б).
Молекули важкого водню дуже схожі на молекули легкого водню. Вони мають ті ж хімічні властивості:
Ліворуч — молекула D-D, праворуч — молекула T-T. Зв’язок забезпечується електронами, тут зображеними як бджоли. «Нуклони» зображені як червоні дияволята. Протони, які мають електричний заряд, позначені фіолетовим кольором, нейтрони, які електрично нейтральні, — червоним.
Після 3000°C водень «повністю іонізується», електрони покидають ядра, і водень (легкий або важкий) перетворюється на плазму, суміш «газу електронів» і електрично заряджених ядер. Але при 100–150 мільйонах градусів ці ядра починають реагувати:
Ось схема синтезу важкого водню:
Читач може ознайомитися з усіма цими концепціями, пов’язаними з ядерною енергією, переглянувши мій безкоштовно завантажується комікс
Energétiquement Vôtre
доступний на сайті
http://www.savoir-sans-frontieres.com
за адресою:
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm
Випромінювання цього нейтрона синтезу з енергією 14 МеВ створює проблему, оскільки ці частинки викликають
індуковану радіоактивність
в усіх структурах, що складають реактор. Ці нейтрони вбудовуються в матеріали структур реактора, утворюючи багато нестабільних речовин, які стають радіоактивними ipso facto і становитимуть відходи. Цей потік нейтронів також пошкоджує структури реактора, може в перспективі скомпрометувати міцність його компонентів і порушити нормальну роботу соленоїдів, що забезпечують утримання плазми.
Наведене вище зображення ілюструє регенерацію тритію. На практиці нейтрони синтезу не лише створюють тритій. Вони також створюють багато радіоактивних ізотопів через ефект штучної радіоактивності (на відміну від «природної радіоактивності», пов’язаної з радіоактивними ізотопами, що існують у природі і були створені спочатку при вибухах наднових, а потім включені в масу Землі під час її формування). Оболонка з літію діє як «фертильний матеріал», який, як передбачається, безперервно створює тритій, який, будучи радіоактивним (період напіврозпаду: 12 років), не існує в природі.
Пересічна людина зазвичай не знає, що синтез — це «хімія ядер», де ми починаємо з «суміші для синтезу», «реакції», яка дає «продукти реакції». Синтез дейтерію-тритію — лише одна з можливих реакцій. Але оскільки це та, що відбувається при найнижчій температурі,
Незабруднюючі реакції синтезу, без радіоактивності та радіоактивних відходів!
Ми бачили, в матеріалі, присвяченому Z-машині, що температура двох мільярдів градусів була досягнута у 2005 році в лабораторіях Sandia, у Нью-Мексико. Зазначимо, що метою маніпуляції було не отримання таких високих температур, а створення простого джерела рентгенівського випромінювання при кількох мільйонах градусів. Однак несподівано цей компресор плазми забезпечив... два мільярди градусів, абсолютно беззаперечно. Цей результат
outsider
(аутсайдер)
одразу створив незручність у командах, які десятиліттями керують цими дорогими проектами:
-
Лазерний синтез (у Франції: Megajoule)
-
Синтез у машинах токамак (у Франції: ITER)
Але ми побачимо, що ця
Z-машина
могла б
не бути єдиною, здатною виробляти такі гарячі плазми (тоді як машина ITER, що працює безперервно, не може підвищувати свою температуру). Проводячи аналогію, можна сказати, що різниця між цією новою лінійкою машин для синтезу, високотемпературних, і токамаком така ж велика, як між двигунами внутрішнього згоряння і паровими машинами.
Таким чином, порівняно, ITER — це парова машина сучасних часів
Щоб краще зрозуміти ці типи машин, необхідно ознайомитися з електромагнітними силами, які діють у електричних провідниках, а потім у розрядах.
Візьмемо «гнучкий» соленоїд, простий виток, у якому ми пропускаємо струм. Цей виток створить поле, яке діятиме на провідник, по якому проходить електричний струм, через силу Лапласа I
x B
Розширення витка під впливом власного магнітного поля
Це типовий експеримент, який ви могли бачити в ліцеї або в Палаці відкриття.
Якщо струм досить інтенсивний, це може призвести до розриву електричного провідника. У моїй лабораторії в 1960-х роках створювали магнітні поля 2 Тесла (20 000 Гаусс) за допомогою струмів 50 000 ампер, що подавалися батареєю конденсаторів. Обмотки були зроблені з мідної стрічки. Якщо вони не були надійно закріплені (утримувалися оболонкою зі склотканини, склеєної аралдитом), ці соленоїди миттєво розривалися, засмічуючи лабораторію уламками.
Тепер візьмемо електричний розряд. Ви всі бачили маніпуляцію, що полягає у створенні розряду між двома металевими стрижнями. Він «піднімається» і зрештою рветься.
Ми бачимо схему того ж витка, з різницею, що струм проходить у металевих провідниках і в іонізованому газі, плазмі. Але принцип той самий. Цей «виток» прагне розширитися.
Поза межами гаджета ми виходимо на концепцію гармати для плазми (plasma rail gun). Якщо інтенсивності, що вводяться, досить великі, можна створити плазму, яка, піддавшись значній силі Лапласа, викличе масивний газовий рух. Ця маса іонізованого газу може тоді перетворитися на снаряд. Досягнута швидкість може бути надзвуковою, і викид цієї дуги плазми супроводжується ударною хвилею.
Гармата для плазми (rail gun)
Фізика плазми може приймати будь-які можливі та уявні геометричні форми, і всередині таких пристроїв можуть відбуватися різні явища, більш або менш відомі та контрольовані. Раніше ми розглядали одиночний виток. Але ми також можемо уявити набір витків, розташованих за формою тора: монтаж у стилі токамака. Легко уявити, що якби ми розташували витки електричного проводу на гнучкій оболонці, подібній до камери шини, зробленій з ізоляційної тканини, проходження струму «надувало» б її. Тут також проходження надмірно інтенсивного струму могло б призвести до розриву. Системи магнітного поля токамаків піддаються механічним навантаженням і повинні бути надійно закріплені.
Система соленоїдів токамака (схематично). Сила розриву.
Все відбувається так, ніби цей набір провідників піддається «магнітному тиску», значення якого:
B² / 2 μ₀
і де, у системі СІ (MKSA):
μ₀ = 4π × 10⁻⁷
Як у «plasma rail gun», можна уявити, що в цій тороїдальній геометрії струму частина «вільна розширюватися». Ми б отримали, наприклад, схему парієтального іонізатора (у формі пастки для вовка)
Парієтальний іонізатор
Він створює своєрідну «парасольку плазми», яка прагне бути викинутою далеко від стінки.
Тепер ми дійдемо до схеми машини «FOCUS», базова концепція якої сягає 1950-х років (так само, практично, як усі базові концепції МГД. Це ніщо інше, ніж МГД: ви знаєте, ця дисципліна, яку в Франції покинули в кінці 1950-х років «бо вона не працювала», і щодо якої ми сьогодні маємо тридцять добрих років відставання від американців і росіян).
FOCUS
нагадала б своєрідну гармату для плазми «закручену навколо осі». Є центральна анода, оточена катодом. Ось зображення, як воно з’являється у Wikipedia.
Машина Focus V
Ось машина, вид у перспективі, з викидами «парасольки струму»:
Машина Focus, з викидом «парасольки» плазми
Коли ця парасолька плазми викидається за межі циліндра, утворюється шнур плазми, який на короткий мить утримує її біля аноди:
Focus: утворення шнура плазми
Саме тут потрібно залучити другий ефект: стискання шнура плазми, завжди під впливом власного магнітного поля. Наведена нижче схема говорить сама за себе.
Ефект стискання у шнурі плазми
Машина FOCUS поєднує обидва ефекти. Під впливом власного магнітного поля «парасолька плазми» викидається. Потім, у момент, коли вона прагне відірватися від електродів, що зрештою стається, утворюється шнур плазми, де діє сильний ефект стискання. Ми не дуже добре знаємо, що відбувається всередині нього. Тим не менш, це стискання породжує високі температури. Деякі вважають, що в цьому шнурі виникають досить складні геометричні нестабільності, струм тоді прагне створити своєрідні волокна, закручені струми, всередині яких відбуваються нові ефекти стискання, підсилюючи зростання температури. Зрештою, у цій колоні плазми з’являються «гарячі точки».
Геометрія (передбачувана) струму
МГД-нестабільності мають «погану репутацію». Вони гальмували десятиліттями розвиток токамаків. Вони провалили в кінці 1960-х років промисловий зусилля МГД у «низькотемпературному» режимі через нестабільність Веліхова (виявляється, я відомий практично всім російським спеціалістам МГД через мої роботи з цього питання, і особливо через два експерименти, де, використовуючи два різні методи, я зміг у 1965 і 1982 роках знищити цю нестабільність). Ці нестабільності — дуже нелінійні, примхливі явища. Нестабільність «не є ні доброю, ні поганою». У випадку машини Focus ці нестабільності використовуються для отримання локально дуже високих стрибків температури.
Які результати?
Ці машини типу Focus неймовірно прості та грубі. Але що вони дають? Ось спочатку зображення цього розряду, зроблені надшвидкою камерою, що показують ефект викиду «чашечки» плазми, супроводжений стисканням:
Фільм подій слід читати знизу вгору
Нижче — машина Focus, побудована Філіповим (нині померлим) у 1960-х роках в Інституті Курчатова високих температур у Москві:
Філіпов перед своєю машиною Focus, в Інституті Курчатова високих температур у Москві
Можна уявити машини Focus різних розмірів, параметри подібності досить добре контролюються (див. статтю у Wikipedia). Машина вище відповідає ста кілоамперам з часом наростання три мікросекунди. Анода має 16 см довжини і 1 см діаметра. Такі машини зараз досліджуються в 8 країнах. Деякі команди стверджують, що отримали результати, які дозволяють розглядати можливість видобутку енергії з незабруднюючої реакції синтезу
Bor
11
Водень
1
що дає 4 ядра гелію і 8,7 МеВ енергії. Реакція Li
6
плюс D
2
(дейтерій) дає, натомість, 22,4 МеВ.
Це можна знайти за адресою:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Американська машина Focus має порожнисту аноду, що є варіантом загального монтажу.
Американська машина Focus, з порожнистою анодою
Цей монтаж дозволяє аноді служити екраном для рентгенівських променів, які вона випромінює, коли електрони розряду вдаряють по ній. Це не ті рентгенівські промені, які дослідники хочуть виміряти, а ті, що випромінюються безпосередньо плазмою і дозволили б знати її температуру.
Щоб зафіксувати масштаб, монтаж має один фут довжини.
Хоча концепція народилася у 1958 році, «акт народження» машин Focus датується 1964 роком, коли вони були одночасно придумані у США Матером і в Росії Філіповим. У кінці 1960-х і на початку 1970-х років Вінстон Бостик і Вікторіо Нарді, з Інституту технологій Стивенс, Хобокен, Нью-Джерсі, розробили теоретичну модель, згідно з якою зростання температури відбувалося б у «гарячих точках» або «плазмоїдах», пов’язаних з великими локальними значеннями магнітного поля. Ця теорія має критиків. Деякі вважають, навпаки, що енергія більш розсіяна всередині плазми. У 1986 році Ерік Лернер запропонував кількісну теорію DPS (Dense Plasma Focus), завжди засновану на цій концепції «гарячих точок». Ці дослідження зупинилися до початку 1990-х років через нестачу фінансування.
У 1994 році експериментальні дослідження були відновлені на малих монтажах в університеті Іллінойсу. У 2001 році експерименти, проведені в університеті A&M Техасу, були виконані Лернером. Він повідомляє про це у статті:
http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0205/0205026.pdf
Ці роботи також згадуються у:
http://www.focusfusion.org/research/billion.html
Лернер інтерпретує свої вимірювання, кажучи, що потік рентгенівських променів, який він вимірює, походить від плазми розряду, а не від удару електронів по електроду. Він пояснює, як він намагався замаскувати це друге випромінювання свинцевою екраном товщиною 5 см. Можливо. У такому випадку досягнута температура дійсно становила б понад мільярд градусів. Справа в розгляді. Загалом, команди, що працюють над маніпуляціями типу focus, залишаються обмежені нестачею фінансування, а отже, надійних і точних засобів діагностики.
Цей результат, ймовірно, менш надійний, ніж результат Sandia (Z-машина), але нам здалося цікавим згадати цей інший підхід.
17 лютого 2008
: Уточнення щодо паразитних реакцій, пов’язаних з формулою
B¹¹ + H¹
Бор має 5 електричних зарядів, водень — один. Вуглець — 6, азот — 7.
Радіаційне охолодження плазми відбувається через гальмівне випромінювання. Потужність випромінювання змінюється як квадрат електричного заряду. Потужність, випромінена рентгенівськими променями електроном, що спіраллює навколо атома бору, тому в 25 разів вища, ніж та, що втрачається при спіралюванні навколо атома водню (легкого або важкого, важить заряд)
B¹¹ + H¹
дає C¹¹
- n + 2,8 МеВ
Період напіврозпаду вуглецю C¹¹: 20 хвилин. Можна безпечно відкривати камеру через 10 годин після зупинки роботи
B¹¹
- He⁴
дає N¹¹
- n + 157 кеВ
Захист: 20 см B¹⁰
або 1 метр води.
Індукована радіоактивність у берилієвому електроді: 5 мікрокюрі на рік (дані: конференція Лернера)
За Лернером, у цьому імпульсному синтезі
використовуються
МГД-нестабільності. Його опис механізмів такий. Електричний розряд «в формі парасольки» спочатку прагне створити конденсації плазми, порівнянні з «китами цієї парасольки». Потім ці волокна закручуються навколо осі, утворюючи шнур плазми. Цей шнур, через нестабільність Kink (згинання), набуває форми «спірального телефонного шнура». Потім у цій же структурі утворюються «самозатримані плазмоїди» — гарячі точки мікроскопічного об’єму, меншого за кубічний мікрон. У цих плазмоїдах магнітне поле має тороїдальну топологію. Нове стискання навколо осі цього плазмоїда-крапельки. І саме тоді, каже Лернер, відбуваються реакції синтезу.
Конференція Лернера про машину Focus:
http://video.google.com/videoplay?docid=-1518007279479871760&q=Google+tech+talks+lerner&pr=goog-sl
Також дивіться сторінку
http://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion
англомовної Wikipedia, яку слід перекласти французькою. Це прояснило б для багатьох.