Fusor
farnsworth-hirsch fusor
https://en.wikipedia.org/wiki/Fusor
Фузор — это устройство, которое использует электрическое поле для нагрева ионов до температуры, при которой они подвергаются ядерному синтезу. Машина создает разность потенциалов между двумя металлическими клетками внутри вакуума. Положительные ионы падают при этом падении напряжения, увеличивая скорость. Если они столкнутся в центре, они могут слиться. Это один из видов инерционного электростатического удерживающего устройства – раздел термоядерных исследований.
Фузор Фарнсворта-Хирша является наиболее распространенным типом фузора. Этот дизайн был разработан Фило Т. Фарнсвортом в 1964 году и Робертом Л. Хиршем в 1967 году.[2][3] Вариант фузора ранее был предложен Уильямом Элмором, Джеймсом Л. Таком и Кеном Уотсоном в Национальной лаборатории Лос-Аламоса[4], хотя они так и не построили машину.
Фузоры были построены различными учреждениями. К ним относятся академические учреждения, такие как Университет Висконсина-Мэдисона[5], Массачусетский технологический институт[6] и правительственные учреждения, такие как Организация по атомной энергии Ирана и Управление по атомной энергии Турции.[7][8] Фузоры также разрабатывались в коммерческих целях в качестве источников нейтронов компанией DaimlerChrysler Aerospace[9] и как метод генерации медицинских изотопов.[10][11][12] Фузоры также стали очень популярны среди любителей и любителей. Все большее число любителей осуществляют ядерный синтез, используя простые термоядерные машины. Однако ученые не считают фузоры жизнеспособной концепцией крупномасштабного производства энергии.
Механизм
Основная физика
Синтез происходит, когда ядра приближаются на расстояние, на котором ядерная сила может объединить их в одно более крупное ядро. Противостоят этому близкому сближению положительные заряды в ядрах, которые раздвигают их из-за электростатической силы. Чтобы произвести события синтеза, ядра должны иметь достаточно большую начальную энергию, чтобы позволить им преодолеть этот кулоновский барьер. Поскольку ядерная сила увеличивается с увеличением числа нуклонов, протонов и нейтронов, а электромагнитная сила увеличивается только с числом протонов, легче всего сплавить атомы — это изотопы водорода, дейтерия с одним нейтроном и трития с двумя. При использовании водородного топлива для того, чтобы реакция произошла, необходимо от 3 до 10 кэВ.[19]
Традиционные подходы к термоядерной энергии обычно пытались нагреть топливо до температур, при которых распределение Максвелла-Больцмана их результирующих энергий достаточно велико, чтобы некоторые частицы в длинном хвосте имели необходимую энергию. Достаточно высокой в данном случае является такая скорость реакции синтеза, которая производит достаточно энергии, чтобы компенсировать потери энергии в окружающую среду и, таким образом, нагреть окружающее топливо до тех же температур и вызвать самоподдерживающуюся реакцию, известную как воспламенение. Расчеты показывают, что это происходит при температуре около 50 миллионов Кельвинов (К), хотя для практических машин желательны более высокие значения, порядка 100 миллионов К. Из-за чрезвычайно высоких температур реакции синтеза еще называют термоядерными.
Когда атомы нагреваются до температур, соответствующих тысячам градусов, электроны все больше освобождаются от своего ядра. Это приводит к газообразному состоянию вещества, известному как плазма, состоящему из свободных ядер, известных как ионы, и их бывших электронов. Поскольку плазма состоит из свободно движущихся зарядов, ею можно управлять с помощью магнитных и электрических полей. Устройства термоядерного синтеза используют эту возможность для сохранения топлива при температуре в миллионы градусов.
Fusor concept[edit]
The fusor is part of a broader class of devices that attempts to give the fuel fusion-relevant energies by directly accelerating the ions toward each other. In the case of the fusor, this is accomplished with electrostatic forces. For every volt that an ion of ±1 charge is accelerated across it gains 1 electronvolt in energy. To reach the required ~10 keV, a voltage of 10 kV is required, applied to both particles. For comparison, the electron gun in a typical television cathode-ray tube is on the order of 3 to 6 kV, so the complexity of such a device is fairly limited. For a variety of reasons, energies on the order of 15 keV are used. This corresponds to the average kinetic energy at a temperature of approximately 174 million Kelvin, a typical magnetic confinement fusion plasma temperature.
The problem with this colliding beam fusion approach, in general, is that the ions will most likely never hit each other no matter how precisely aimed. Even the most minor misalignment will cause the particles to scatter and thus fail to fuse. It is simple to demonstrate that the scattering chance is many orders of magnitude higher than the fusion rate, meaning that the vast majority of the energy supplied to the ions will go to waste and those fusion reactions that do occur cannot make up for these losses. To be energy positive, a fusion device must recycle these ions back into the fuel mass so that they have thousands or millions of such chances to fuse, and their energy must be retained as much as possible during this period.
The fusor attempts to meet this requirement through the spherical arrangement of its accelerator grid system. Ions that fail to fuse pass through the center of the device and back into the accelerator on the far side, where they are accelerated back into the center again. There is no energy lost in this action, and in theory, assuming infinitely thin grid wires, the ions can circulate forever with no additional energy needed. Even those that scatter will simply take on a new trajectory, exit the grid at some new point, and accelerate back into the center again, providing the circulation that is required for a fusion event to eventually take place.[20]
Концепция Фузора
Фузор является частью более широкого класса устройств, которые пытаются придать топливу энергию, необходимую для термоядерного синтеза, путем прямого ускорения ионов навстречу друг другу. В случае фьюзора это достигается за счет электростатических сил. На каждый вольт, который ускоряется ионом с зарядом ±1, он получает 1 электронвольт энергии. Для достижения необходимых ~10 кэВ необходимо напряжение 10 кВ, приложенное к обеим частицам. Для сравнения, напряжение электронной пушки в типичной телевизионной электронно-лучевой трубке составляет порядка 3–6 кВ, поэтому сложность такого устройства довольно ограничена. По ряду причин используются энергии порядка 15 кэВ. Это соответствует средней кинетической энергии при температуре примерно 174 миллионов Кельвинов, типичной температуре термоядерной плазмы с магнитным удержанием.
Проблема этого метода синтеза встречных пучков в целом заключается в том, что ионы, скорее всего, никогда не столкнутся друг с другом, независимо от того, насколько точно они направлены. Даже самое незначительное смещение приведет к тому, что частицы разлетятся и, следовательно, не смогут слиться. Легко продемонстрировать, что вероятность рассеяния на много порядков превышает скорость синтеза, а это означает, что подавляющее большинство энергии, переданной ионам, будет потрачено впустую, и те реакции синтеза, которые действительно происходят, не смогут компенсировать эти потери. Чтобы быть энергетически положительной, термоядерное устройство должно перерабатывать эти ионы обратно в топливную массу, чтобы у них были тысячи или миллионы таких шансов слиться, и их энергия должна сохраняться в максимально возможной степени в течение этого периода.
Фузор пытается удовлетворить это требование за счет сферического расположения системы решеток ускорителя. Ионы, которым не удалось объединиться, проходят через центр устройства и возвращаются в ускоритель на дальней стороне, где они снова ускоряются обратно в центр. При этом действии не теряется энергия, и теоретически, если предположить, что проволока сетки бесконечно тонкая, ионы могут циркулировать вечно, без необходимости дополнительной энергии. Даже те, которые рассеиваются, просто возьмут новую траекторию, покинут сеть в какой-то новой точке и снова ускорятся обратно в центр, обеспечивая циркуляцию, необходимую для того, чтобы в конечном итоге произошло событие синтеза.[20]
Основной механизм слияния фьюзоров. (1) Фузор содержит две концентрические проволочные клетки: катод находится внутри анода. (2) Положительные ионы притягиваются к внутреннему катоду, падают при падении напряжения и набирают энергию. (3) Ионы минуют внутреннюю клетку и попадают в нейтральную реакционную зону. (4) Ионы могут столкнуться в центре и слиться.[21]
Потери
Чтобы понять результат работы, важно учитывать фактическую последовательность запуска термоэлемента. Обычно система откачивается до вакуума, а затем небольшое количество газа помещается в вакуумную камеру. Этот газ будет распространяться, заполняя объем. Когда на электроды подается напряжение, атомы между ними испытывают поле, которое заставит их ионизироваться и начать ускоряться внутрь. Поскольку вначале атомы распределяются случайным образом, количество энергии, которую они получат, различается; атомы первоначально вблизи анода получат значительную часть приложенного напряжения, скажем, 15 кэВ. Те, кто изначально находится рядом с катодом, получат гораздо меньше энергии, возможно, слишком низкую, чтобы подвергнуться синтезу со своими аналогами на дальней стороне центральной реакционной области.[20]
Также важно отметить, что атомы топлива внутри внутренней области в период запуска не ионизируются. Ускоренные ионы рассеиваются вместе с ними и теряют свою энергию, ионизируя при этом ранее холодный атом. Этот процесс, а также рассеяние других ионов приводит к тому, что энергии ионов распределяются случайным образом, и топливо быстро принимает нетепловое распределение. По этой причине энергия, необходимая в системе термопредохранителя, выше, чем энергия, в которой топливо нагревается каким-либо другим методом, поскольку некоторая часть энергии будет «потеряна» во время запуска.
Реальные электроды не являются бесконечно тонкими, и возможность рассеяния на проводах или даже захвата ионов внутри электродов является серьезной проблемой, вызывающей высокие потери проводимости. Эти потери могут быть как минимум на пять порядков выше, чем энергия, выделяемая в результате реакции синтеза, даже когда фузор находится в звездном режиме, что сводит к минимуму эти реакции.[22]
Существует также множество других механизмов потерь. К ним относится перезарядка между ионами высокой энергии и нейтральными частицами низкой энергии, в результате которой ион захватывает электрон, становится электрически нейтральным, а затем покидает фьюзор, поскольку он больше не ускоряется обратно в камеру. Это оставляет после себя вновь ионизированный атом с более низкой энергией и, таким образом, охлаждает плазму. Рассеяние может также увеличить энергию иона, что позволяет ему пройти мимо анода и покинуть его, в этом примере все, что выше 15 кэВ.[20]
Кроме того, рассеяние ионов, и особенно примесей, оставшихся в камере, приводит к значительному тормозному излучению, создавая рентгеновские лучи, которые уносят энергию из топлива.[20] Этот эффект растет с увеличением энергии частиц, а это означает, что проблема становится более выраженной по мере того, как система приближается к условиям эксплуатации, необходимым для термоядерного синтеза.[23]
В результате этих механизмов потерь ни один фузор никогда не приближался к уровню безубыточной выработки энергии и, похоже, никогда не сможет этого сделать.[20][23]
Обычными источниками высокого напряжения являются источники высокого напряжения с обратной связью ZVS и трансформаторы с неоновыми вывесками. Его также можно назвать электростатическим ускорителем частиц.
История
Смотрите также: Инерционное электростатическое удержание § История
Патент США 3 386 883 - фузор - Изображение из патента Фарнсворта от 4 июня 1968 года. Это устройство имеет внутреннюю клетку для создания поля и четыре ионные пушки снаружи.
Фузор был первоначально задуман Фило Т. Фарнсвортом, более известным своей новаторской работой на телевидении. В начале 1930-х годов он исследовал ряд конструкций электронных ламп для использования в телевидении и нашел одну, которая привела к интересному эффекту. В этой конструкции, которую он назвал «мультипактором», электроны, движущиеся от одного электрода к другому, останавливались в полете с помощью надлежащего приложения высокочастотного магнитного поля. Тогда заряд будет накапливаться в центре трубки, что приведет к высокому усилению. К сожалению, это также привело к сильной эрозии электродов, когда электроны в конечном итоге попадали на них, и сегодня мультипакторный эффект обычно считается проблемой, которую следует избегать.
Что особенно заинтересовало Фарнсворта в этом устройстве, так это его способность фокусировать электроны в определенной точке. Одной из самых больших проблем в исследованиях термоядерного синтеза является предотвращение попадания горячего топлива на стенки контейнера. Если этому позволить произойти, топливо не сможет оставаться достаточно горячим для того, чтобы произошла реакция термоядерного синтеза. Фарнсворт рассудил, что он мог бы построить электростатическую систему удержания плазмы, в которой «стеночными» полями реактора были бы электроны или ионы, удерживаемые на месте мультипактором. Тогда топливо можно будет впрыскивать через стену, и, оказавшись внутри, оно не сможет выйти наружу. Эту концепцию он назвал виртуальным электродом, а систему в целом — фьюзором.
Дизайн
Первоначальные конструкции фузоров Фарнсворта были основаны на цилиндрическом расположении электродов, как и оригинальные мультипакторы. Топливо ионизировалось, а затем запускалось из небольших ускорителей через отверстия во внешних (физических) электродах. Пройдя через отверстие, они с высокой скоростью устремились к внутренней реакционной зоне. Электростатическое давление положительно заряженных электродов удерживало бы топливо в целом от стенок камеры, а удары новых ионов удерживали бы самую горячую плазму в центре. Он назвал это инерционным электростатическим удержанием — термин, который используется и по сей день. Для осуществления сварки напряжение между электродами должно быть не менее 25 кВ.
.........................................................................................................................................................
Радиация
Заряженные частицы будут излучать энергию в виде света, когда они меняют скорость.[32] Эту скорость потерь можно оценить для нерелятивистских частиц с помощью формулы Лармора. Внутри фузора находится облако ионов и электронов. Эти частицы будут ускоряться или замедляться по мере своего движения. Эти изменения скорости заставляют облако терять энергию в виде света. Излучение фузора может (по крайней мере) находиться в видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском спектре, в зависимости от типа используемого фузора. Эти изменения скорости могут быть обусловлены электростатическими взаимодействиями между частицами (ион с ионом, ион с электроном, электрон с электроном). Это называется тормозным излучением и часто встречается в фузорах. Изменения скорости также могут быть обусловлены взаимодействием частицы с электрическим полем. Поскольку магнитных полей нет, фузоры не излучают ни циклотронное излучение на малых скоростях, ни синхротронное излучение на высоких скоростях.
В книге «Фундаментальные ограничения систем плазменного синтеза, не находящихся в термодинамическом равновесии», Тодд Райдер утверждает, что квазинейтральная изотропная плазма будет терять энергию из-за тормозного излучения со скоростью, непомерно высокой для любого топлива, кроме DT (или, возможно, DD или D-He3). Эта статья не применима к термоядерному синтезу IEC, поскольку квазинейтральная плазма не может удерживаться электрическим полем, которое является фундаментальной частью термоядерного синтеза IEC. Однако в более ранней статье «Общая критика термоядерных систем с инерционно-электростатическим удержанием» Райдер напрямую обращается к обычным устройствам IEC, включая плавкий предохранитель. В случае фузора электроны обычно отделяются от массы топлива, изолированного вблизи электродов, что ограничивает скорость потерь. Однако Райдер демонстрирует, что практические термоэлементы работают в ряде режимов, которые либо приводят к значительному перемешиванию и потерям электронов, либо, наоборот, к снижению плотности мощности. Похоже, это своего рода ловушка-22, которая ограничивает производительность любой системы, подобной фузору.
Безопасность
При изготовлении и эксплуатации термоядерного предохранителя необходимо учитывать несколько ключевых вопросов безопасности. Во-первых, здесь задействовано высокое напряжение. Во-вторых, возможны рентгеновские и нейтронные излучения. Также существуют соображения огласки/дезинформации среди местных и регулирующих органов.
http://large.stanford.edu/courses/2012/ph241/klopfer2/
The Fusor
Brannon Klopfer
March 19, 2012
Submitted as coursework for PH241, Stanford University, Winter 2012
 |
| Fig. 1: The Hirsch-Meeks fusor, a variation on the Farnsworth-Hirsch electrostatic confinement fusor. [7] Source: Wikimedia Commons |
Introduction
In nuclear fusion, multiple nuclei "fuse" together to form the nuclei of a heavier element. (In the following, I will assume that only two nuclei are fusing.) Nuclear fusion is in a sense the "opposite" of nuclear fission, where one element splits into multiple lighter elements. The fusion (and fission) process is accompanied by a change in energy, the sign of which depends on the the specifics of the reaction. This can be seen by looking at the nuclear binding energy per nucleon as a function of number of nucleons, noting that there is a maxima at around 58 nucleons. [1] That is, fusion between lighter elements - such as hydrogen - will release energy, whereas fusion between heavier elements tends to consume energy. The corollary to this is that nuclear fission of heavy elements - such as fission of uranium in a power plant's nuclear reactor - releases energy.
Nuclear fusion as a man-made power source has, as of this writing, been elusive (though the sun is most certainly a fusion power source, albeit not man made!). But despite being elusive for power generation, man-made fusion has been around for almost 80 years, since Oliphant et al. demonstrated fusion of hydrogen isotopes with a gas-discharge apparatus in 1934. [2] However, a fusion reactor in the laboratory is emphatically not the same as a viable fusion power source, in that such fusions consume vastly more energy than they produce. It is in this category - namely, reactors which consume energy more than they produce - which the Farnsworth-Hirsch fusor lives.
The Fusor
Unlike fission reactions, the cross section for fusion reactions to occur is a dramatically increasing function of energy, or put another way, fusion reactions occur preferentially at incredibly high temperatures. These energies are of order tens of KeV, or many millions of Kelvins - so high that physical materials are inadequate for containment. [3] A very rough analogy to building a fusion reactor out of conventional materials would be that of trying to build a coal-burning steam engine out of papier-mâché. As such, a fusion reactor requires novel methods of containment. The Farnsworth-Hirsch fusor ("the fusor") and the related Hirsch-Meeks fusor are fusion reactor designs based on an inertial electrostatic method of confinement, that is, the use of an electrostatic potential well to confine the fuel (as opposed to a physical means of confinement in, say, a coal-burning steam engine). This fusion technology is in contrast to other methods of confinement, such as inertial, magnetic and gravitational (such as fusion in stars). [4,5]
The fusor creates a potential well for the fuel (e.g., hydrogen isotope ions). In a typical setup, a "hollow" cathode (that is, semi-transparent to the ion "fuel") is surrounded by an anode held at ground. Ions are injected into the chamber and fall towards the center, picking up kinetic energy from the difference in voltage; if ions do not undergo fusion, they are allowed to recirculate, assuming no interaction with the cathode, and thus have multiple chances to undergo fusion. In other incarnations of the fusor, the ions were not injected, but supplied by a dilute mixture of fuel in the chamber. (See Fig. 1 which depicts the Hirsch-Meeks fusor, a design which utilizes many of the same principles as the Farnsworth-Hirsch fusor.) Practically speaking then, the fusor is essentially a gas-discharge lamp, albeit with a geometry more conducive to fusion.
Applications
Although the fusor has not proven to be a viable power source, its design principles can be utilized for neutron sources. The German company NSD-Fusion has built neutron sources based on the inertial electrostatic confinement design which claim neutron production of over 107 neutrons/second operating with deuterium fuel (undergoing deuterium-deuterium fusion), and are developing a deuterium-tritium system with a target of 1011 neutrons/second. [6] These designs make use of space charges (rather than injection), and are cylindrical rather than spherical.
© Brannon Klopfer. The author grants permission to copy, distribute and display this work in unaltered form, with attribution to the author, for noncommercial purposes only. All other rights, including commercial rights, are reserved to the author.
Комментариев нет:
Отправить комментарий