Fusor - Fusor

Domácí fusor

Fusor je zařízení, které používá elektrické pole , aby tepelná iontů do jaderné fúze podmínek. Stroj indukuje napětí mezi dvěma kovovými klecemi, uvnitř vakua. Pozitivní ionty tento pokles napětí snižují a zvyšují rychlost. Pokud se srazí uprostřed, mohou se spojit. Jedná se o jeden druh inerciálního elektrostatického omezovacího zařízení - odvětví výzkumu fúze.

Farnsworth -Hirschův fusor je nejběžnějším typem fusoru. Tento návrh pochází z práce Phila T. Farnswortha v roce 1964 a Roberta L. Hirsche v roce 1967. Variantní typ fuzoru navrhli dříve William Elmore, James L. Tuck a Ken Watson v Los Alamos National Laboratory, ačkoli nikdy postavil stroj.

Fusory byly postaveny různými institucemi. Patří sem akademické instituce, jako je University of Wisconsin – Madison , Massachusettský technologický institut a vládní subjekty, jako je Íránská organizace pro atomovou energii a turecký úřad pro atomovou energii . Fusory byly také vyvinuty komerčně, jako zdroje pro neutrony společností DaimlerChrysler Aerospace a jako metoda pro generování lékařských izotopů. Fusory se staly také velmi populární pro fandy a amatéry. Rostoucí počet amatérů prováděl jadernou fúzi pomocí jednoduchých fusorových strojů. Vědci však nejsou považováni za schůdný koncept pro velkovýrobu energie.

Mechanismus

Na každý volt , ve kterém je urychlen iont o ± 1 náboji, získá 1 elektronvolt v energii, podobně jako ohřátí materiálu o 11 604  kelvinů na teplotu ( T = eV / k _B , kde T je teplota v kelvinech , eV je energie iontu v elektronvoltech , a k _B je Boltzmannova konstanta ). Poté, co byl urychlen o 15 kV, má jednou nabitý ion kinetickou energii 15 keV, podobnou průměrné kinetické energii při teplotě přibližně 174 megakelvinů, což je typická teplota plazmatické fúze s magnetickým uzavřením . Protože většina iontů spadá do drátů klece, fuzory trpí vysokými ztrátami vedení . Na lavičce mohou být tyto ztráty alespoň o pět řádů vyšší než energie uvolněná z fúzní reakce, i když je fusor v hvězdném režimu. Žádný fusor se tedy nikdy nepřiblížil k rovnoměrnému výdeji energie. Společné zdroje vysokého napětí jsou ZVS flyback HV zdroje a neon-znamení transformátory . Může se také nazývat elektrostatický urychlovač částic .

Ukázka základního mechanismu fúze ve fuzorech. (1) Fusor obsahuje dvě soustředné drátěné klece: katoda je uvnitř anody. (2) Pozitivní ionty jsou přitahovány k vnitřní katodě, klesají dolů při poklesu napětí. Elektrické pole působí na ionty a zahřívá je na fúzní podmínky. (3) Ionům chybí vnitřní klec. (4) ionty se srazí uprostřed a mohou se sloučit.

Dějiny

US Patent 3 386 883 - fusor - Obrázek z Farnsworthova patentu ze dne 4. června 1968. Toto zařízení má vnitřní klec pro vytváření pole a čtyři iontové zbraně na vnější straně.

Původcem byl původně Philo T. Farnsworth , známější díky své průkopnické práci v televizi. Na počátku třicátých let zkoumal řadu návrhů elektronek pro použití v televizi a našel takový, který vedl k zajímavému efektu. V této konstrukci, kterou nazýval „multipaktor“, byly elektrony pohybující se z jedné elektrody na druhou zastaveny v polovině letu správnou aplikací vysokofrekvenčního magnetického pole . Náboj by se pak hromadil ve středu elektronky, což by vedlo k vysokému zesílení. Bohužel to také vedlo k vysoké erozi elektrod, když je elektrony nakonec zasáhly, a dnes je multipaktorový efekt obecně považován za problém, kterému je třeba se vyhnout.

Co Farnswortha na zařízení obzvláště zajímalo, byla jeho schopnost zaostřit elektrony v určitém bodě. Jedním z největších problémů fúzního výzkumu je zabránit tomu, aby horké palivo naráželo na stěny kontejneru. Pokud je to dovoleno, nemůže být palivo udržováno dostatečně horké, aby mohlo dojít k fúzní reakci . Farnsworth usoudil, že by mohl postavit elektrostatický plazmový zadržovací systém, ve kterém by „stěnová“ pole reaktoru tvořily elektrony nebo ionty držené na místě multipaktorem . Palivo by pak mohlo být vstřikováno přes zeď, a jakmile by bylo uvnitř, nemohlo by uniknout. Tento koncept nazval virtuální elektrodou a systém jako celek fusorem .

Design

Farnsworthovy původní návrhy fusorů byly založeny na válcovém uspořádání elektrod, jako původní multipaktory. Palivo bylo ionizováno a poté spalováno z malých urychlovačů otvory ve vnějších (fyzických) elektrodách. Jakmile prošli otvorem, byly zrychleny směrem k vnitřní reakční oblasti vysokou rychlostí. Elektrostatický tlak z kladně nabitých elektrod by udržel palivo jako celek od stěn komory a dopady nových iontů by udržely nejžhavější plazmu ve středu. Označoval to jako setrvačné elektrostatické uvěznění , termín, který se používá dodnes. Aby došlo k fúzi, musí být napětí mezi elektrodami alespoň 25 000 voltů.

Práce v televizních laboratořích Farnsworth

Všechna tato práce proběhla v laboratořích Farnsworth Television , které byly zakoupeny v roce 1949 společností ITT Corporation , jako součást jejího plánu stát se příštím RCA . Projekt výzkumu fúze však nebyl považován za bezprostředně výnosný. V roce 1965 začala správní rada žádat Harolda Geneena, aby prodal divizi Farnsworth, ale nechal schválit jeho rozpočet na rok 1966 s financováním až do poloviny roku 1967. Další financování bylo odmítnuto a tím experimenty ITT s fúzí skončily.

Věci se dramaticky změnily s příchodem Roberta Hirsche a zavedením upraveného patentu Hirsch -Meeks fusor. Nové fuzory založené na Hirschově návrhu byly poprvé zkonstruovány v letech 1964 až 1967. Hirsch publikoval svůj návrh v příspěvku v roce 1967. Jeho návrh zahrnoval iontové paprsky k výstřelu iontů do vakuové komory.

Tým se poté obrátil na AEC , poté měl na starosti financování výzkumu fúze, a poskytl jim předváděcí zařízení namontované na obslužném vozíku, které produkovalo více fúze než jakékoli stávající „klasické“ zařízení. Pozorovatelé se lekli, ale načasování bylo špatné; Sám Hirsch nedávno odhalil velký pokrok, kterého Sověti pomocí tokamaku dosáhli . V reakci na tento překvapivý vývoj se AEC rozhodla soustředit financování na velké projekty tokamaků a omezit podporu alternativních konceptů.

Nedávný vývoj

George H. Miley z University of Illinois znovu prozkoumal fusor a znovu jej zavedl do pole. Od té doby přetrvává nízký, ale stálý zájem o fusor. Důležitým vývojem bylo úspěšné komerční zavedení neutronového generátoru na bázi fuzorů . Od roku 2006 až do své smrti v roce 2007 Robert W. Bussard hovořil o reaktoru podobném designu jako fusor, nyní nazývaný polywell , o kterém uvedl, že bude schopen užitečné výroby energie. V poslední době si fusor získal oblibu mezi amatéry, kteří si je kvůli relativně malému prostoru, finančním a energetickým nárokům vybírají jako domácí projekty. Online komunita „fusioneers“, The Open Source Fusor Research Consortium, nebo Fusor.net, se věnuje podávání zpráv o vývoji ve světě fusorů a pomoci dalším amatérům v jejich projektech. Tato stránka obsahuje fóra, články a dokumenty zpracované na fusoru, včetně původního patentu Farnswortha a také Hirschova patentu jeho verze vynálezu.

Fúze ve fixátorech

Základní fúze

Průřezy různých fúzních reakcí

Nukleární fúze se týká reakcí, při nichž se kombinují lehčí jádra a stávají se těžšími. Tento proces mění hmotu na energii, která může být následně zachycena, aby poskytla fúzní energii . Lze spojit mnoho typů atomů. Nejsnadněji se fúzují deuterium a tritium . Aby došlo k fúzi, musí mít ionty teplotu nejméně 4 keV ( kiloelektronvolty ), tedy asi 45 milionů kelvinů . Druhou nejjednodušší reakcí je fúze deuteria se sebou samým. Protože je tento plyn levnější, jedná se o palivo běžně používané amatéry. Snadnost provedení fúzní reakce se měří jejím průřezem .

Čistý výkon

Za takových podmínek jsou atomy ionizovány a vytvářejí plazmu . Energii generovanou fúzí uvnitř horkého oblaku plazmy lze nalézt pomocí následující rovnice.

${\ Displaystyle P _ {\ text {fusion}} = n_ {A} n_ {B} \ langle \ sigma v_ {A, B} \ rangle E _ {\ text {fusion}},}$

kde

${\ displaystyle P _ {\ text {fusion}}}$ je hustota fúzního výkonu (energie za čas na objem),

n je hustota počtu druhů A nebo B (částice na objem),

${\ Displaystyle \ langle \ sigma v_ {A, B} \ rangle}$je součinem srážkového průřezu σ (který závisí na relativní rychlosti) a relativní rychlosti v obou druhů, zprůměrovaný ze všech rychlostí částic v systému,

${\ displaystyle E _ {\ text {fusion}}}$ je energie uvolněná jedinou fúzní reakcí.

Tato rovnice ukazuje, že energie se mění podle teploty, hustoty, rychlosti srážky a použitého paliva. Aby bylo dosaženo čistého výkonu, musí fúzní reakce probíhat dostatečně rychle, aby se nahradily energetické ztráty. Jakákoli elektrárna využívající fúzi se v tomto horkém oblaku udrží. Plazmové mraky ztrácejí energii vedením a zářením . K vedení dochází, když se ionty , elektrony nebo neutrály dotknou povrchu a uniknou. Energie se s částicí ztrácí. Záření je, když energie opouští mrak jako světlo. Radiace se zvyšuje s rostoucí teplotou. Abyste získali čistou energii z fúze, musíte tyto ztráty překonat. To vede k rovnici pro výkon.

${\ Displaystyle P _ {\ text {out}} = \ eta _ {\ text {capture}} (P _ {\ text {fusion}}-P _ {\ text {vedení}}-P _ {\ text {záření}}) .}$

kde:

η je účinnost,

${\ displaystyle P _ {\ text {vedení}}}$ je síla ztrát vedením, když odchází hmota nabitá energií,

${\ displaystyle P _ {\ text {radiace}}}$ je síla ztrát radiace, když energie odchází jako světlo,

${\ displaystyle P _ {\ text {out}}}$ je čistá energie z fúze.

John Lawson použil tuto rovnici k odhadu některých podmínek pro čistý výkon na základě maxwellovského oblaku. To se stalo kritériem Lawsona . Fusory typicky trpí ztrátami vedení v důsledku toho, že je drátěná klec v dráze recirkulačního plazmatu.

Ve fuzorech

V původní konstrukci fusoru několik malých urychlovačů částic , v podstatě televizní trubice s odstraněnými konci, vstřikovalo ionty při relativně nízkém napětí do vakuové komory. Ve verzi fuzoru Hirsch jsou ionty vyráběny ionizací zředěného plynu v komoře. V obou verzích existují dvě soustředné sférické elektrody , přičemž ta vnitřní je nabitá záporně vůči vnější (asi na 80 kV). Jakmile ionty vstoupí do oblasti mezi elektrodami, zrychlí se směrem ke středu.

Ve fusoru jsou ionty urychlovány elektrodami na několik keV, takže zahřívání jako takové není nutné (pokud ionty splynou, než jakýmkoli procesem ztratí energii). Zatímco 45 megakelvinů je podle všech standardů velmi vysoká teplota, odpovídající napětí je pouze 4 kV, což je úroveň běžně se vyskytující v takových zařízeních, jako jsou neonové nápisy a CRT televize. Do té míry, že ionty zůstanou na své počáteční energii, lze energii naladit tak, aby využívala vrcholu reakčního průřezu nebo aby se vyhnula nevýhodným reakcím (například produkujícím neutrony), které by mohly nastat při vyšších energiích.

Byly provedeny různé pokusy o zvýšení rychlosti ionizace deuteria, včetně ohřívačů v „iontových pistolích“ (podobně jako „elektronová děla“, která tvoří základ pro staré zobrazovací elektronky), jakož i zařízení magnetronového typu (která jsou zdroji energie pro mikrovlnné trouby), které mohou zlepšit tvorbu iontů pomocí vysokonapěťových elektromagnetických polí. Lze očekávat, že jakýkoli způsob, který zvyšuje hustotu iontů (v mezích, které zachovávají dráhu bez iontového průměru) nebo energii iontů, zvýší výtěžek fúze, typicky měřeno v počtu produkovaných neutronů za sekundu.

Snadnost, s jakou lze iontovou energii zvýšit, se zdá být zvláště užitečná, když se zvažují fúzní reakce „ při vysoké teplotě“ , jako je fúze proton-bor , která má dostatek paliva, nevyžaduje žádné radioaktivní tritium a v primární reakci nevytváří žádné neutrony .

Běžné úvahy

Provozní režimy

Farnsworth – Hirschův fusor během provozu v takzvaném „hvězdném režimu“ charakterizovaném „paprsky“ zářícího plazmatu, které se zdají vycházet z mezer ve vnitřní mřížce.

Fusory mají nejméně dva provozní režimy (možná více): hvězdný režim a halo režim . Halo režim je charakterizován širokou symetrickou září, přičemž jeden nebo dva elektronové paprsky opouštějí strukturu. Existuje malá fúze. Režim halo se vyskytuje ve vyšších tlakových nádržích a jak se vakuum zlepšuje, zařízení přechází do hvězdicového režimu. Hvězdný režim se jeví jako jasné paprsky světla vycházející ze středu zařízení.

Hustota výkonu

Protože je elektrické pole vytvářené kleci záporné, nemůže současně zachytit kladně nabité ionty a záporné elektrony. Proto musí existovat některé oblasti akumulace náboje , což bude mít za následek horní hranici dosažitelné hustoty. To by mohlo stanovit horní hranici hustoty výkonu stroje, což by ji mohlo udržet příliš nízkou na výrobu energie.

Termalizace rychlostí iontů

Když poprvé spadnou do středu fusoru, budou mít všechny ionty stejnou energii, ale rozdělení rychlosti se rychle přiblíží k Maxwellovu -Boltzmannově distribuci . K tomu by docházelo jednoduchými Coulombovými kolizemi v řádu milisekund, ale nestability paprskových paprsků budou stále řádově rychlejší. Pro srovnání, jakýkoli daný ion bude vyžadovat několik minut, než proběhne fúzní reakce, takže monoenergetický obraz fusoru, alespoň pro výrobu energie, není vhodný. Jedním z důsledků termalizace je, že některé ionty získají dostatek energie na to, aby opustily potenciální studnu, přičemž svou energii vezmou s sebou, aniž by prošly fúzní reakcí.

Elektrody

Obrázek ukazující jiný design mřížky

S elektrodami v systému fusorové energie existuje řada nevyřešených výzev. Za prvé, elektrody nemohou ovlivnit potenciál uvnitř sebe, takže by se na první pohled zdálo, že fúzní plazma bude ve více či méně přímém kontaktu s vnitřní elektrodou, což má za následek kontaminaci plazmy a zničení elektrody. Většina fúze se však vyskytuje v mikrokanálech vytvořených v oblastech s minimálním elektrickým potenciálem, které jsou viděny jako viditelné „paprsky“ pronikající do jádra. Ty se tvoří, protože síly v oblasti odpovídají zhruba stabilním „oběžným drahám“. V těchto mikrokanálech může být přibližně 40% iontů s vysokou energií v typické mřížce pracující v hvězdném režimu. Kolize mřížky nicméně zůstávají hlavním mechanismem ztráty energie pro fuzory Farnsworth – Hirsch. Komplikace problémů je výzvou při chlazení centrální elektrody; jakýkoli fusor produkující dostatek energie na provoz elektrárny se zdá být předurčen zničit i její vnitřní elektrodu. Jako jedno zásadní omezení bude každá metoda, která produkuje neutronový tok zachycený k zahřátí pracovní tekutiny, také bombardovat své elektrody tímto tokem a také je zahřívat.

Pokusy o vyřešení těchto problémů zahrnují Bussardovy je Polywell systém, DC Barnes 'upravený pasti Penning přístup, a University of Illinois v fusor, který si ponechává mřížek, ale pokusy o pevněji soustředit iontů do mikrokanálků k pokusu, aby se zabránilo ztrátám. Zatímco všechny tři jsou zařízení na inerciální elektrostatickou izolaci (IEC), pouze poslední je ve skutečnosti „fusor“.

Záření

Nabité částice budou při změně rychlosti vyzařovat energii jako světlo. Tuto ztrátovost lze odhadnout pro nerelativistické částice pomocí Larmorova vzorce . Uvnitř fusoru je mrak iontů a elektronů . Tyto částice se budou při pohybu zrychlovat nebo zpomalovat. Tyto změny rychlosti způsobují, že mrak ztrácí energii jako světlo. Záření z fusoru může (alespoň) být ve viditelném , ultrafialovém a rentgenovém spektru, v závislosti na typu použitého fusoru. Tyto změny rychlosti mohou být způsobeny elektrostatickými interakcemi mezi částicemi (ion na ion, ion na elektron, elektron na elektron). Tento jev se nazývá brzdné záření, které jsou obvyklé u fusors. Změny rychlosti mohou být také způsobeny interakcemi mezi částici a elektrickým polem. Protože neexistují žádná magnetická pole, fuzory nevydávají žádné cyklotronové záření při nízkých rychlostech nebo synchrotronové záření při vysokých rychlostech.

V základních omezeních plazmatických fúzních systémů, které nejsou v termodynamické rovnováze , Todd Rider tvrdí, že kvazineutrální izotropní plazma ztratí energii v důsledku Bremsstrahlungu rychlostí, která je pro jakékoli palivo jiné než DT (případně DD nebo D-He3) zakázána. Tento článek se nevztahuje na fúzi IEC, protože kvazineutrální plazmu nemůže obsahovat elektrické pole, které je základní součástí fúze IEC. V dřívějším příspěvku „Obecná kritika fúzních systémů s inerciálně-elektrostatickým uzavřením“ však Rider řeší běžná zařízení IEC přímo, včetně fusoru. V případě fusoru jsou elektrony obecně odděleny od hmotnosti paliva izolovaného v blízkosti elektrod, což omezuje ztrátovost. Rider však ukazuje, že praktické fuzory pracují v řadě režimů, které buď vedou k významnému míchání a ztrátám elektronů, nebo střídavě snižují hustotu výkonu. Zdá se, že jde o jakýsi catch-22, který omezuje výstup jakéhokoli systému podobného fusoru.

Bezpečnost

S budováním a provozem zapalovače souvisí několik klíčových bezpečnostních hledisek. Za prvé, jedná se o vysoké napětí. Za druhé, jsou možné rentgenové a neutronové emise. Rovněž existují úvahy o publicitě / dezinformacích u místních a regulačních úřadů. Další informace naleznete v části „Časté dotazy k bezpečnosti neutronů“ .

Komerční aplikace

Zdroj neutronů

Fusor byl prokázán jako životaschopný zdroj neutronů . Typické fusory nemohou dosáhnout toků tak vysokých jako zdroje jaderného reaktoru nebo urychlovače částic , ale jsou dostačující pro mnoho použití. Důležité je, že neutronový generátor snadno sedí na stole a lze jej vypnout pouhým stiskem spínače. Komerční fusor byl vyvinut jako vedlejší činnost v rámci DaimlerChrysler Aerospace -Space Infrastructure, Bremen v letech 1996 a počátkem roku 2001. Poté, co byl projekt efektivně ukončen, bývalý projektový manažer založil společnost, která se nazývá NSD-Fusion. Dosud byl nejvyšší tok neutronů dosažený zařízením podobným fuzorům 3 × 10 ¹¹ neutronů za sekundu s fúzní reakcí deuterium-deuterium.

Lékařské izotopy

Komerční začínajících použili neutronové toky generované fusors vytvářet Mo-99 , izotop používané pro zdravotní péči.

Patenty

• Bennett, WH, americký patent 3 120 475 , únor 1964. ( Termonukleární energie).
• P. T. Farnsworth, americký patent 3 258 402 , červen 1966 (elektrický výboj - jaderná interakce).
• P. T. Farnsworth, americký patent 3 386 883 . Červen 1968 (metoda a aparát).
• Hirsch, Robert, americký patent 3 530 036 . Září 1970 (Přístroj).
• Hirsch, Robert, americký patent 3 530 497 . Září 1970 (Generující aparát - Hirsch/Meeks).
• Hirsch, Robert, americký patent 3,533,910 . Říjen 1970 (lithium-iontový zdroj).
• Hirsch, Robert, americký patent 3 655 508 . Duben 1972 (Omezit únik plazmy).
• P. T. Farnsworth, US patent 3664920 . Květen 1972 (elektrostatický obal).
• R. W. Bussard, „Způsob a zařízení pro kontrolu nabitých částic“, US patent 4 826 646 , květen 1989 (Způsob a zařízení - pole magnetické mřížky).
• R. W. Bussard, „Způsob a zařízení pro vytváření a řízení reakcí jaderné fúze“, US patent 5 160 695 , listopad 1992 (Metoda a zařízení - Ionové akustické vlny).

Viz také

• Coulombova bariéra
• Helium-3 -možné palivo
• Seznam příkladů Fusor
• Seznam článků o plazmě (fyzika)
• Polywell

Reference

Další čtení

externí odkazy

• David, Schneider, „ Fusion z televize? “. Americký vědec , červenec – srpen
• Domovská stránka IEC University of Wisconsin-Madison
• RTFTechnologies.org IEC fúzní reaktor Podrobné informace o konstrukci reaktoru IEC
• Neutrony na prodej  - nový vědecký článek
• Experimenty fúze ukazují měkčí stránku jaderné energie  - drátový článek
• Různé patenty a články týkající se fyziky fúzí, IEC, ICC a plazmy
• Jak vám malý vakuový systém a trocha košového tkaní přinese fungující inerciálně-elektrostatický zdroj neutronů
• Popis Bussardovy „aneutronické“ borové verze
• Fusor.net Fórum pro stavitele fandů fandy
• NSD-Fusion
• North West Nuclear Consortium učí studenty středních škol fuzory
• Farnsworth Fusor ve Farnsworth Chronicles (farnovision.com)
• Jak na to: Vytvoření fusoru za 60 minut