Fusor - Fusor

En hemgjord fusor

En fusor är en enhet som använder ett elektriskt fält för att värma joner till kärnfusionsförhållanden . Maskinen inducerar en spänning mellan två metallburar, inuti ett vakuum. Positiva joner faller ner detta spänningsfall och bygger upp hastigheten. Om de krockar i mitten kan de smälta ihop. Detta är en typ av en tröghetselektrostatisk inneslutningsanordning - en gren av fusionsforskning.

En Farnsworth – Hirsch fusor är den vanligaste typen av fusor. Denna design kom från arbete av Philo T. Farnsworth 1964 och Robert L. Hirsch 1967. En variant av fusor hade tidigare föreslagits av William Elmore, James L. Tuck och Ken Watson vid Los Alamos National Laboratory, även om de aldrig byggde maskinen.

Fusorer har byggts av olika institutioner. Dessa inkluderar akademiska institutioner som University of Wisconsin – Madison , Massachusetts Institute of Technology och statliga enheter, såsom Atomic Energy Organization of Iran och Turkish Atomic Energy Authority . Fusorer har också utvecklats kommersiellt, som källor till neutroner av DaimlerChrysler Aerospace och som en metod för att generera medicinska isotoper. Fusorer har också blivit mycket populära för amatörer och amatörer. Ett växande antal amatörer har utfört kärnfusion med enkla fusormaskiner. Fusorer anses dock inte vara ett livskraftigt koncept för storskalig energiproduktion av forskare.

Mekanism

För varje volt som en jon med ± 1 laddning accelereras över får den 1 elektronvolt i energi, på samma sätt som att värma ett material med 11 604  kelvin i temperatur ( T = eV / k _B , där T är temperaturen i kelvin , eV är energin av jonen i elektronvolt , och k _B är Boltzmann -konstanten ). Efter att ha accelererats med 15 kV har en enstaka laddad jon en kinetisk energi på 15 keV, liknande den genomsnittliga kinetiska energin vid en temperatur av cirka 174 megakelvin, en typisk magnetisk inneslutningsfusionsplasmatemperatur . Eftersom de flesta jonerna faller in i burens ledningar lider fusorerna av stora ledningsförluster . På en bänk kan dessa förluster vara minst fem storleksordningar högre än energin som frigörs från fusionsreaktionen, även när fusorn är i stjärnläge. Därför har ingen fusor någonsin varit i närheten av jämn energiproduktion. De vanliga källorna till högspänningen är ZVS flyback HV- källor och neon-sign-transformatorer . Det kan också kallas en elektrostatisk partikelaccelerator .

En illustration av den grundläggande mekanismen för fusion i fusorer. (1) Fusorn innehåller två koncentriska trådburar: katoden är inuti anoden. (2) Positiva joner lockas till den inre katoden, de faller ner i spänningsfallet. Det elektriska fältet fungerar på jonerna och värmer dem till fusionsförhållanden. (3) Jonerna saknar den inre buren. (4) Jonerna krockar i mitten och kan smälta ihop.

Historia

US patent 3 386 883 - fusor - Bild från Farnsworths patent, den 4 juni 1968. Denna enhet har en inre bur för att göra fältet, och fyra jonpistoler på utsidan.

Fusorn var ursprungligen tänkt av Philo T. Farnsworth , mer känd för sitt banbrytande arbete inom tv. I början av 1930 -talet undersökte han ett antal vakuumrörsdesigner för användning i tv och hittade en som ledde till en intressant effekt. I denna design, som han kallade "multipaktorn", stoppades elektroner som rör sig från en elektrod till en annan i mitten av flygningen med korrekt tillämpning av ett högfrekvent magnetfält . Laddningen ackumuleras sedan i rörets centrum, vilket leder till hög förstärkning. Tyvärr ledde det också till hög erosion på elektroderna när elektronerna så småningom träffade dem, och idag anses multipaktoreffekten i allmänhet vara ett problem som ska undvikas.

Det som särskilt intresserade Farnsworth om enheten var dess förmåga att fokusera elektroner vid en viss punkt. Ett av de största problemen inom fusionsforskning är att hålla det heta bränslet från att träffa behållarens väggar. Om detta får ske kan bränslet inte hållas tillräckligt varmt för att fusionsreaktionen ska kunna inträffa. Farnsworth resonerade att han kunde bygga ett elektrostatiskt plasmafängselsystem där reaktorns "vägg" -fält var elektroner eller joner som hölls på plats av multipaktorn . Bränsle kunde sedan injiceras genom väggen, och väl inuti skulle det inte kunna fly. Han kallade detta koncept för en virtuell elektrod, och systemet som helhet fusorn .

Design

Farnsworths ursprungliga fusordesigner baserades på cylindriska arrangemang av elektroder, som de ursprungliga multipaktorerna. Bränslet joniserades och avfyrades sedan från små acceleratorer genom hål i de yttre (fysiska) elektroderna. Väl genom hålet accelererades de mot det inre reaktionsområdet med hög hastighet. Elektrostatiskt tryck från de positivt laddade elektroderna skulle hålla bränslet som helhet från kammarens väggar, och påverkan från nya joner skulle hålla den hetaste plasma i mitten. Han hänvisade till detta som tröghet elektrostatisk inneslutning , en term som fortsätter att användas än idag. Spänningen mellan elektroderna måste vara minst 25 000 volt för att fusion ska ske.

Jobbar på Farnsworth Television labs

Allt detta arbete hade ägt rum på Farnsworth Television labs , som hade köpts 1949 av ITT Corporation , som en del av planen att bli nästa RCA . Ett fusionsforskningsprojekt ansågs dock inte som omedelbart lönsamt. 1965 började styrelsen be Harold Geneen att sälja av Farnsworth -divisionen, men han fick sin budget för 1966 godkänd med finansiering fram till mitten av 1967. Ytterligare finansiering nekades, och det slutade med ITT: s experiment med fusion.

Saker och ting förändrades dramatiskt med ankomsten av Robert Hirsch och introduktionen av det modifierade Hirsch – Meeks fusorpatentet. Nya fusorer baserade på Hirsch design konstruerades först mellan 1964 och 1967. Hirsch publicerade sin design i ett papper 1967. Hans design inkluderade jonstrålar för att skjuta joner in i vakuumkammaren.

Teamet vände sig sedan till AEC , då ansvarig för finansiering av fusionsforskning, och gav dem en demonstrationsanordning monterad på en serveringsvagn som producerade mer fusion än någon befintlig "klassisk" enhet. Observatörerna förvånades, men tiden var dålig; Hirsch själv hade nyligen avslöjat de stora framsteg som Sovjet gör med tokamak . Som svar på denna överraskande utveckling beslutade AEC att koncentrera finansieringen på stora tokamakprojekt och minska stödet för alternativa koncept.

Senaste utvecklingen

George H. Miley vid University of Illinois omprövade fusorn och introducerade den på nytt. Ett lågt men stadigt intresse för fusorn har kvarstått sedan dess. En viktig utveckling var den framgångsrika kommersiella introduktionen av en fusorbaserad neutrongenerator . Från 2006 till sin död 2007 höll Robert W. Bussard föredrag om en reaktor liknande designen till fusorn, som nu kallas polywell , som han uppgav skulle vara användbar för kraftproduktion. Senast har fusorn blivit populär bland amatörer, som väljer dem som hemprojekt på grund av deras relativt låga utrymme, pengar och effektbehov. En online -grupp av "fusioneers", The Open Source Fusor Research Consortium, eller Fusor.net, ägnar sig åt att rapportera utvecklingen i fusorsvärlden och hjälpa andra amatörer i deras projekt. Webbplatsen innehåller forum, artiklar och papper gjorda på fusorn, inklusive Farnsworths ursprungliga patent, samt Hirschs patent på hans version av uppfinningen.

Fusion i fusorer

Grundläggande fusion

Tvärsnittet av olika fusionsreaktioner

Kärnfusion avser reaktioner där lättare kärnor kombineras för att bli tyngre kärnor. Denna process förändrar massa till energi som i sin tur kan fångas upp för att ge fusionskraft . Många typer av atomer kan smälts samman. Det enklaste att smälta är deuterium och tritium . För att fusion ska ske måste jonerna ha en temperatur på minst 4 keV ( kiloelektronvolt ), eller cirka 45 miljoner kelvin . Den näst enklaste reaktionen är att smälta deuterium med sig själv. Eftersom denna gas är billigare är det bränslet som vanligtvis används av amatörer. Enkelheten att göra en fusionsreaktion mäts med dess tvärsnitt .

Nettoeffekt

Vid sådana förhållanden joniseras atomerna och bildar en plasma . Energin som genereras genom fusion, inuti ett hett plasmamoln, kan hittas med följande ekvation.

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

var

${\ displaystyle P _ {\ text {fusion}}}$ är fusionseffektdensiteten (energi per tid per volym),

n är antalet densiteter av arter A eller B (partiklar per volym),

${\ displaystyle \ langle \ sigma v_ {A, B} \ rangle}$är produkten av kollisionstvärsnittet σ (som beror på den relativa hastigheten) och den relativa hastigheten v för de två arterna, i genomsnitt över alla partikelhastigheter i systemet,

${\ displaystyle E _ {\ text {fusion}}}$ är energin som frigörs genom en enda fusionsreaktion.

Denna ekvation visar att energi varierar med temperaturen, densiteten, kollisionshastigheten och det använda bränslet. För att nå nettokraft måste fusionsreaktioner ske tillräckligt snabbt för att kompensera för energiförluster. Varje kraftverk som använder fusion kommer att hålla i detta heta moln. Plasmamoln tappar energi genom ledning och strålning . Konduktion är när joner , elektroner eller neutraler vidrör en yta och läcker ut. Energi går förlorad med partikeln. Strålning är när energi lämnar molnet som ljus. Strålningen ökar när temperaturen stiger. För att få nettokraft från fusion måste du övervinna dessa förluster. Detta leder till en ekvation för effekt.

${\ displaystyle P _ {\ text {out}} = \ eta _ {\ text {capture}} (P _ {\ text {fusion}}-P _ {\ text {ledning}}-P _ {\ text {strålning}}) .}$

var:

η är effektiviteten,

${\ displaystyle P _ {\ text {ledning}}}$ är kraften i ledningsförluster när energiladdad massa lämnar,

${\ displaystyle P _ {\ text {strålning}}}$ är kraften hos strålningsförluster när energi lämnar som ljus,

${\ displaystyle P _ {\ text {out}}}$ är nettokraften från fusion.

John Lawson använde denna ekvation för att uppskatta vissa villkor för nettoeffekt baserat på ett Maxwellian moln. Detta blev Lawson -kriteriet . Fusorer lider vanligtvis av ledningsförluster på grund av att trådburen är i vägen för den recirkulerande plasman.

I fusorer

I den ursprungliga fusordesignen injicerar flera små partikelacceleratorer , i huvudsak TV -rör med ändarna borttagna, joner med en relativt låg spänning i en vakuumkammare . I Hirsch -versionen av fusorn produceras jonerna genom jonisering av en utspädd gas i kammaren. I båda versionerna finns det två koncentriska sfäriska elektroder , den inre laddas negativt i förhållande till den yttre (till cirka 80 kV). När jonerna väl kommit in i området mellan elektroderna accelereras de mot mitten.

I fusorn accelereras jonerna till flera keV av elektroderna, så uppvärmning som sådan är inte nödvändig (så länge jonerna smälter ihop innan de tappar sin energi genom någon process). Medan 45 megakelvin är en mycket hög temperatur av någon standard, är motsvarande spänning bara 4 kV, en nivå som vanligen finns i sådana enheter som neonskyltar och CRT -tv. I den utsträckning att jonerna kvar på deras initiala energi, kan den energi avstämmas för att dra fördel av toppen av reaktionstvärsnittet eller för att undvika ofördelaktiga (t.ex. neutron-producerande) reaktioner som kan uppstå vid högre energier.

Olika försök har gjorts för att öka deuteriumjoniseringshastigheten, inklusive värmare i "jonpistoler" (liknande "elektronpistolen" som utgör grunden för gammaldags TV-displayrör), liksom enheter av magnetrontyp , (som är kraftkällorna för mikrovågsugnar), som kan öka jonbildningen med hjälp av elektromagnetiska högspänningsfält. Varje metod som ökar jontätheten (inom gränser som bevarar jonmedelfri väg) eller jonenergi kan förväntas öka fusionsutbytet, typiskt mätt i antalet neutroner som produceras per sekund.

Den lätthet med vilken jonenergin kan ökas verkar vara särskilt användbar när fusionsreaktioner vid "hög temperatur" övervägs, såsom proton-bor-fusion , som har gott om bränsle, kräver inget radioaktivt tritium och producerar inga neutroner i den primära reaktionen .

Vanliga överväganden

Driftsätt

Farnsworth – Hirsch fusor under drift i så kallat "stjärnläge" kännetecknat av "strålar" av glödande plasma som tycks utgå från luckorna i det inre rutnätet.

Fusorer har minst två driftslägen (möjligen fler): stjärnläge och haloläge . Haloläge kännetecknas av ett brett symmetriskt sken, med en eller två elektronstrålar som lämnar strukturen. Det finns lite fusion. Haloläget förekommer i tankar med högre tryck, och när vakuumet förbättras övergår enheten till stjärnläge. Star -läge visas som ljusa strålar av ljus som kommer från enhetens centrum.

Krafttäthet

Eftersom det elektriska fältet som skapas av burarna är negativt, kan det inte samtidigt fälla både positivt laddade joner och negativa elektroner. Därför måste det finnas vissa områden för laddningsackumulering , vilket kommer att resultera i en övre gräns för den uppnåbara densiteten. Detta kan placera en övre gräns för maskinens effekttäthet, vilket kan hålla den för låg för kraftproduktion.

Termalisering av jonhastigheterna

När de först faller in i mitten av fusorn kommer jonerna alla att ha samma energi, men hastighetsfördelningen kommer snabbt att närma sig en Maxwell -Boltzmann -fördelning . Detta skulle inträffa genom enkla Coulomb-kollisioner inom några millisekunder, men strålstråleinstabilitet kommer att uppstå storleksordningar snabbare fortfarande. I jämförelse kommer varje given jon att kräva några minuter innan den genomgår en fusionsreaktion, så att den monoenergetiska bilden av fusorn, åtminstone för kraftproduktion, inte är lämplig. En konsekvens av termiseringen är att några av jonerna kommer att få tillräckligt med energi för att lämna den potentiella brunnen, ta med sig sin energi utan att ha genomgått en fusionsreaktion.

Elektroder

Bild som visar en annan rutnätdesign

Det finns ett antal olösta utmaningar med elektroderna i ett fusorkraftsystem. Till att börja med kan elektroderna inte påverka potentialen i sig själva, så det verkar vid första anblicken att fusionsplasma skulle ha mer eller mindre direkt kontakt med den inre elektroden, vilket resulterar i kontaminering av plasma och förstörelse av elektroden. Majoriteten av fusionen tenderar emellertid att förekomma i mikrokanaler som bildas i områden med minimal elektrisk potential, sett som synliga "strålar" som tränger in i kärnan. Dessa bildas eftersom krafterna inom regionen motsvarar ungefär stabila "banor". Ungefär 40% av högenergjonerna i ett typiskt nät som arbetar i stjärnläge kan finnas inom dessa mikrokanaler. Icke desto mindre förblir nätkollisioner den primära energiförlustmekanismen för Farnsworth – Hirsch -fusorer. Att komplicera frågor är utmaningen när det gäller att kyla den centrala elektroden; varje fusor som producerar tillräckligt med kraft för att driva ett kraftverk verkar avsett att också förstöra dess inre elektrod. Som en grundläggande begränsning kommer varje metod som producerar ett neutronflöde som fångas för att värma en arbetsvätska också att bombardera dess elektroder med det flödet och värma dem också.

Försök att lösa dessa problem inkluderar Bussard 's Polywell systemet DC Barnes modifierad Penning fälla strategi och University of Illinois s Fusor som behåller galler men försök att tätare fokusera jonerna i mikro att försöka undvika förluster. Medan alla tre är tröghetselektrostatiska inneslutningsanordningar (IEC) är bara den sista faktiskt en "fusor".

Strålning

Laddade partiklar kommer att utstråla energi som ljus när de ändrar hastighet. Denna förlust kan uppskattas för icke -relativistiska partiklar med Larmor -formeln . Inuti en fusor finns ett moln av joner och elektroner . Dessa partiklar kommer att accelerera eller bromsa när de rör sig. Dessa hastighetsförändringar gör att molnet tappar energi som ljus. Strålningen från en fusor kan (åtminstone) vara i det synliga , ultravioletta och röntgenspektrumet , beroende på vilken typ av fusor som används. Dessa hastighetsförändringar kan bero på elektrostatiska interaktioner mellan partiklar (jon till jon, jon till elektron, elektron till elektron). Detta hänvisas till bremsstrahlungstrålning och är vanligt i fusorer. Förändringar i hastighet kan också bero på interaktioner mellan partikeln och det elektriska fältet. Eftersom det inte finns några magnetfält avger fusorer ingen cyklotronstrålning vid låga hastigheter eller synkrotronstrålning vid höga hastigheter.

I grundläggande begränsningar för plasmafusionssystem som inte är i termodynamisk jämvikt , hävdar Todd Rider att en kvasineutral isotrop plasma kommer att förlora energi på grund av Bremsstrahlung med en hastighet som är oöverkomlig för annat bränsle än DT (eller möjligen DD eller D-He3). Detta dokument är inte tillämpligt för IEC -fusion, eftersom en kvasineutral plasma inte kan innehållas av ett elektriskt fält, som är en grundläggande del av IEC -fusion. I en tidigare artikel, "En allmän kritik av tröghetselektrostatiska fängelsessystem" , riktar Rider sig dock direkt till de vanliga IEC-enheterna, inklusive fusorn. När det gäller fusorn är elektronerna i allmänhet separerade från massan av bränslet som är isolerat nära elektroderna, vilket begränsar förlusthastigheten. Rider visar emellertid att praktiska fusorer fungerar i en rad olika lägen som antingen leder till betydande elektronblandning och förluster eller växelvis lägre effekttätheter. Detta verkar vara en slags catch-22 som begränsar utsignalen från alla fusorliknande system.

Säkerhet

Det finns flera viktiga säkerhetshänsyn som är inblandade i byggandet och driften av en fusor. För det första är det högspänningen som är inblandad. För det andra finns det röntgen- och neutronutsläpp som är möjliga. Det finns också hänsyn till publicitet / desinformation med lokala och tillsynsmyndigheter. Se "Vanliga frågor om Neutronsäkerhet" för ytterligare information.

Kommersiella applikationer

Neutronkälla

Fusorn har visats som en livskraftig neutronkälla . Typiska fusorer kan inte nå flöden så höga som kärnreaktor- eller partikelacceleratorkällor , men är tillräckliga för många användningsområden. Det viktigaste är att neutrongeneratorn enkelt sitter på en bänkskiva och kan stängas av med en knapptryckning. En kommersiell fusor utvecklades som en icke-kärnverksamhet inom DaimlerChrysler Aerospace- Space Infrastructure, Bremen mellan 1996 och början av 2001. Efter att projektet faktiskt avslutats, etablerade den tidigare projektledaren ett företag som kallas NSD-Fusion. Hittills har det högsta neutronflödet som uppnåtts med en fusorliknande enhet varit 3 × 10 ¹¹ neutroner per sekund med deuterium-deuterium-fusionsreaktionen.

Medicinska isotoper

Kommersiella startups har använt neutronflödena som genereras av fusorer för att generera Mo-99 , en isotop som används för medicinsk vård.

Patent

• Bennett, WH, US patent 3,120,475 , februari 1964. (termonukleär kraft).
• P. T. Farnsworth, amerikanska patentet 3 258 402 , juni 1966 (elektrisk urladdning - nukleär interaktion).
• P. T. Farnsworth, US patent 3 386 883 . Juni 1968 (metod och apparat).
• Hirsch, Robert, US patent 3 530 036 . September 1970 (apparat).
• Hirsch, Robert, US patent 3 530 497 . September 1970 (Genereringsapparat - Hirsch/Meeks).
• Hirsch, Robert, US patent 3,533,910 . Oktober 1970 (litiumjonkälla).
• Hirsch, Robert, US -patentet 3 655 508 . April 1972 (Minska plasmaläckage).
• P. T. Farnsworth, US patent 3 664 920 . Maj 1972 (elektrostatisk inneslutning).
• R. W. Bussard, "Metod och apparat för kontroll av laddade partiklar", US patent 4,826,646 , maj 1989 (Metod och apparat - Magnetiska rutfält).
• R. W. Bussard, "Metod och apparater för att skapa och kontrollera kärnfusionsreaktioner", US patent 5 160 695 , november 1992 (Metod och apparater - joniska akustiska vågor).

Se även

• Coulomb -barriär
• Helium-3- möjligt bränsle
• Lista över Fusor -exempel
• Lista över plasma (fysik) artiklar
• Polywell

Referenser

Vidare läsning

externa länkar

• David, Schneider, " Fusion from Television? ". Amerikansk forskare , juli – augusti
• University of Wisconsin-Madison IEC hemsida
• RTFTechnologies.org IEC Fusion Reactor Detaljerad IEC -reaktorkonstruktion
• Neutroner till salu  - New Scientist artikeln
• Fusionsexperiment visar kärnkraftens mjukare sida  - trådbunden artikel
• Olika patent och artiklar relaterade till Fusion, IEC, ICC och Plasmafysik
• Hur ett litet vakuumsystem och en bit korgvävning ger dig en fungerande tröghetselektrostatisk inneslutningskälla
• Beskrivning av Bussards "aneutronic" borversion
• Fusor.net Forum för hobbybyggare
• NSD-fusion
• North West Nuclear Consortium lär gymnasieelever fusorer
• Farnsworth Fusor på Farnsworth Chronicles (farnovision.com)
• Hur: Gör en Fusor på 60 minuter