RUSOR_2

FUSOR_2

http://large.stanford.edu/courses/2018/ph241/gao2/

Development of Inertial Electrostatic Confinement (IEC) Devices

Hongpeng Gao
April 7, 2018

Submitted as coursework for PH241, Stanford University, Winter 2018

Introduction

Fig. 1: The structure of the Fusor invented by Farnsworth-Hirsch. [2] (Source: Wikimedia Commons)

Fusion power is a form of power generation in which energy is generated by using fusion reactions to produce heat for electricity generation. In contrast to fission, fusion creates energy by combining lighter elements into heavier elements. The advantages for fusion are (1) abundant fuels, (2) no radioactive waste produced and (3) controlled side reaction. The potential of fusion to create clean energy has attracted many scientists over several decades. One idea for a safe and efficient reactor for fusion is called the "Fusor". But unfortunately, no Fusor designs have yet achieved a positive energy gain, due to the difficulty of controlling the fusion reaction. In other words, the energy needed to initiate the reaction is more than the energy produced by the reaction. The Fusor employs inertial electdrostatic confinement - the use of an electric field to confine the plasma.

Electrostatic Nuclear Fusion Reactor

The Fusor device typically consists of two wire cages called grids. The inner cage holds a negative voltage compared to the outer cage. When the fusion fuel is introduced (ioned gas), the voltage will ignite the fuel. The huge electric field accelerates the ions into fusion conditions.

For example, Fig. 1 shows the structure of the reactor invented by Farnsworth. [1] The Hirsch-Meeks fusor, a design which utilizes many of the same principles as the Farnsworth- Hirsch fusor, is widely applied in multiple fields now. 

A generally circular cathode has concentrically positioned a generally circular anode having multiple openings for the free flow of electrons. [2] The anode maintains as a tangible structure to provide the enough space for electrons. And the electron emission is ignited in the inter-electrode space between the anode and the cathode. Then the electron penetrated into the tangible space and established a negative charged space. The advantage of the design is that the shielded anode structure can reduce the high energy electron loss caused by electron interception greatly, even approaching zero.

Star Mode

Fig. 2: Homemade fusion reactor. (Source: Wikimedia Commons)

Recently, scientists have tried to find more efficient design of the Fusor that would reduce the energy loss. For example, Fig. 2 shows the homemade fusor running under the inertial electrostatic confinement. The star mode is a regime in which the effective transparency of the accelerating grid is greatly enhanced over the value one would traditionally expect from considering the fraction of area taken up by the grid wires. Reducing the heating of the grid wires, the star mode should in principle allow smaller devices. [3]

Conclusion

The development of inertial electrostatic confinement devices may be a critical step for harnessing fusion energy. According to Miley et al., the spherical inertial electrostatic confinement (IEC) devices are capable of providing 10⁷ neutrons per second steady-state. [4] In August 2014, a high-yield neutron generator device invented by Phoenix Nuclear Labs used an electric field to heat ions to fusion conditions. The device was claimed to sustain 10¹¹ neutrons per second over a 24-hour period. These efforts reflect continued strong interest in non-destructive evaluation and neutron activation analysis applications of IEC devices.

© Hongpeng Gao. The author warrants that the work is the author's own and that Stanford University provided no input other than typesetting and referencing guidelines. 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.

Разработка устройств инерционного электростатического удержания (IEC)

Хунпэн Гао

7 апреля 2018 г.

Отправлено в качестве курсовой работы для PH241, Стэнфордский университет, зима 2018 г.

Введение

Рис. 1: Структура фузора, изобретенного Фарнсвортом-Хиршем. [2] (Источник: Wikimedia Commons)

Энергия термоядерного синтеза — это форма производства электроэнергии, при которой энергия вырабатывается за счет использования реакций термоядерного синтеза для производства тепла для производства электроэнергии. В отличие от деления, термоядерный синтез создает энергию путем объединения более легких элементов в более тяжелые. Преимуществами термоядерного синтеза являются (1) обилие топлива, (2) отсутствие радиоактивных отходов и (3) контролируемая побочная реакция. Потенциал термоядерного синтеза для создания чистой энергии привлекал многих ученых на протяжении нескольких десятилетий. Одна из идей безопасного и эффективного термоядерного реактора называется «Фузор».

 Но, к сожалению, ни одна конструкция Fusor еще не достигла положительного выигрыша в энергии из-за сложности управления реакцией термоядерного синтеза. Другими словами, энергия, необходимая для инициирования реакции, больше, чем энергия, производимая реакцией. В Фузоре используется инерционное электростатическое удержание — использование электрического поля для удержания плазмы.

Электростатический реактор ядерного синтеза

Устройство Fusor обычно состоит из двух проволочных клеток, называемых сетками. Внутренняя клетка удерживает отрицательное напряжение по сравнению с внешней клеткой. Когда вводится термоядерное топливо (ионизированный газ), напряжение воспламеняет топливо. Огромное электрическое поле ускоряет ионы до состояния термоядерного синтеза.

Например, на рис. 1 показана конструкция реактора, изобретенного Фарнсвортом. [1] Фузор Хирша-Микса, конструкция которого использует многие из тех же принципов, что и фузор Фарнсворта-Хирша, в настоящее время широко применяется во многих областях. Обычно круглый катод имеет концентрически расположенный обычно круглый анод, имеющий множество отверстий для свободного потока электронов. [2] Анод остается материальной структурой, обеспечивающей достаточно места для электронов. А эмиссия электронов воспламеняется в межэлектродном пространстве между анодом и катодом. Затем электрон проник в осязаемое пространство и установил отрицательно заряженное пространство. Преимущество конструкции заключается в том, что структура экранированного анода может значительно снизить потери электронов высокой энергии, вызванные перехватом электронов, даже приближаясь к нулю.

Звездный режим

Рис. 2: Самодельный термоядерный реактор. (Источник: Викисклад)

В последнее время ученые попытались найти более эффективную конструкцию Фузора, которая позволила бы снизить потери энергии. Например, на рис. 2 показан самодельный термоэлемент, работающий в условиях инерционного электростатического удержания. Звездный режим — это режим, в котором эффективная прозрачность ускоряющей сетки значительно увеличивается по сравнению со значением, которое традиционно можно было бы ожидать, учитывая долю площади, занимаемой проводами сетки. Уменьшая нагрев проводов сетки, режим звезды в принципе должен позволять использовать устройства меньшего размера. [3]

Заключение

Разработка инерционных электростатических удерживающих устройств может стать решающим шагом на пути использования термоядерной энергии. По словам Майли и др., сферические устройства инерционного электростатического удержания (IEC) способны обеспечивать 107 нейтронов в секунду в установившемся режиме. [4] В августе 2014 года высокопроизводительный нейтронный генератор, изобретенный Phoenix Nuclear Labs, использовал электрическое поле для нагрева ионов до условий термоядерного синтеза. Утверждалось, что устройство способно выдерживать 1011 нейтронов в секунду в течение 24 часов. Эти усилия отражают постоянный большой интерес к приложениям неразрушающей оценки и нейтронно-активационного анализа устройств IEC.

© Хунпэн Гао. Автор гарантирует, что работа принадлежит ему и что Стэнфордский университет не предоставил никакой информации, кроме рекомендаций по верстке и ссылкам. Автор дает разрешение на копирование, распространение и показ данного произведения в неизмененном виде с указанием автора только в некоммерческих целях. Все остальные права, включая коммерческие права, принадлежат автору.