Войти
Самодельный фузор Fusor является устройством, которое использует электрическое поле для тепловых ионов до ядерного синтеза условий. Машина индуцирует напряжение между двумя металлическими клетками внутри вакуума. Положительные ионы падают вниз при этом падении напряжения, увеличивая скорость. Если они столкнутся в центре, они могут слиться. Это один из видов инерционного электростатического удерживающего устройства - одна из ветвей 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. Вариант типа фузора был предложен ранее Уильямом Элмором, Джеймсом Л. Таком и Кеном Уотсоном в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, хотя они никогда не построил машину.
Фузоры были построены различными учреждениями. К ним относятся академические учреждения, такие как Университет Висконсин-Мэдисон, Массачусетский технологический институт, и государственные учреждения, такие как Организация по атомной энергии Ирана и Управление по атомной энергии Турции. Фузоры также были разработаны в коммерческих целях в качестве источников нейтронов компанией DaimlerChrysler Aerospace и в качестве метода получения медицинских изотопов. Фузоры также стали очень популярными среди любителей и любителей. Все большее число любителей проводят ядерный синтез с помощью простых фузорных машин. Однако ученые не считают фузоры жизнеспособной концепцией для крупномасштабного производства энергии.
Для каждого вольта, что ион ± 1 заряда ускоряются через нее получает 1 электронвольт в энергии, похожий на нагревание материала путем 11,604 кельвинов температуры ( Т = эВ / к В, где Т температура в градусах Кельвина, эВ энергия иона в электронвольтах, k B - постоянная Больцмана ). После ускорения 15 кВ однозарядный ион имеет кинетическую энергию 15 кэВ, аналогичную средней кинетической энергии при температуре примерно 174 мегакельвина, типичной температуре термоядерной плазмы с магнитным удержанием. Поскольку большая часть ионов попадает в провода клетки, фузоры страдают от высоких потерь проводимости. На стенде эти потери могут быть по крайней мере на пять порядков выше, чем энергия, выделяемая в результате реакции синтеза, даже когда фузор находится в звездном режиме. Следовательно, ни один фузор никогда не приближался к выходу энергии безубыточности. Общие источники высокого напряжения являются ZVS FLYBACK Высоковольтных источников и неоновых трансформаторов. Его также можно назвать электростатическим ускорителем частиц.
Иллюстрация основного механизма плавления в фузорах. (1) Фузор содержит две концентрические проволочные клетки: катод находится внутри анода. (2) Положительные ионы притягиваются к внутреннему катоду и падают вниз при падении напряжения. Электрическое поле действует на ионы, нагревая их до состояния термоядерного синтеза. (3) Ионы не попадают во внутреннюю клетку. (4) Ионы сталкиваются в центре и могут сливаться. 
Патент США 3 386 883 - фузор - Изображение из патента Фарнсворта, 4 июня 1968 г. Это устройство имеет внутреннюю клетку для создания поля и четыре ионных пушки снаружи. Первоначально фузор был придуман 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, перемещающиеся от одного электрода к другому, останавливались в полете при правильном приложении высокочастотного магнитного поля. Тогда заряд будет накапливаться в центре трубки, что приведет к сильному усилению. К сожалению, это также привело к сильной эрозии электродов, когда электроны в конечном итоге столкнулись с ними, и сегодня эффект мультипактора обычно считается проблемой, которую следует избегать.
Что особенно интересовало Фарнсворта в устройстве, так это его способность фокусировать электроны в определенной точке. Одна из самых больших проблем в исследованиях термоядерного синтеза - предотвратить удары горячего топлива о стенки контейнера. Если это допустить, топливо не сможет оставаться достаточно горячим, чтобы могла произойти реакция термоядерного синтеза. Фарнсворт рассуждал, что он может построить электростатическую систему удержания плазмы, в которой «пристеночные» поля реактора представляют собой электроны или ионы, удерживаемые на месте мультипактором. Затем топливо можно было впрыснуть через стену, и, оказавшись внутри, оно не смогло бы выйти. Он назвал эту концепцию виртуальным электродом, а систему в целом - фузором.
Оригинальные 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 большой скоростью разогнались по направлению к внутренней зоне реакции. Электростатическое давление от положительно заряженных электродов будет удерживать топливо в целом от стенок камеры, а удары новых ионов будут удерживать самую горячую плазму в центре. Он назвал это инерционным электростатическим удержанием, термин, который используется по сей день. Напряжение между электродами должно составлять не менее 25000 вольт, чтобы произошло плавление.
Вся эта работа проводилась в телевизионных лабораториях Фарнсворта, которые были куплены в 1949 году ITT Corporation в рамках ее плана стать следующим RCA. Однако исследовательский проект термоядерного синтеза не считался прибыльным сразу. В 1965 году совет директоров начал просить Гарольда Дженина продать подразделение Фарнсворта, но его бюджет на 1966 год был утвержден с финансированием до середины 1967 года. В дальнейшем финансировании было отказано, и это положило конец экспериментам ITT с термоядерным синтезом.
Ситуация кардинально изменилась с приходом Роберта Хирша и введением модифицированного патента на фузор Хирша-Микса. Новые фьюзеры, основанные на конструкции Хирша, были впервые сконструированы между 1964 и 1967 годами. Хирш опубликовал свой проект в статье в 1967 году. Его конструкция включала ионные пучки для попадания ионов в вакуумную камеру.
Затем команда обратилась к AEC, которая тогда отвечала за финансирование исследований в области термоядерного синтеза, и предоставила им демонстрационное устройство, установленное на сервировочной тележке, которое производило больше термоядерного синтеза, чем любое существующее «классическое» устройство. Наблюдатели были поражены, но время было неподходящим; Сам Хирш недавно сообщил о большом прогрессе, достигнутом Советским Союзом в использовании токамака. В ответ на это неожиданное развитие событий AEC решила сконцентрировать финансирование на крупных проектах токамаков и сократить поддержку альтернативных концепций.
Джордж Х. Майли из Университета Иллинойса повторно исследовал фузор и повторно ввел его в поле зрения. С тех пор сохраняется низкий, но устойчивый интерес к фузору. Важным событием стало успешное коммерческое внедрение нейтронного генератора на основе фузора. С 2006 года до своей смерти в 2007 году Роберт В. Бюссар вел переговоры о реакторе, аналогичном по конструкции фузору, который теперь называется поливеллом, который, как он заявил, будет способен вырабатывать полезную электроэнергию. Совсем недавно фузоры приобрели популярность среди любителей, которые выбирают их в качестве домашних проектов из-за их относительно невысокой площади, денег и требований к мощности. Интернет-сообщество «фьюжеров», The Open Source Fusor Research Consortium, или Fusor.net, посвящено освещению событий в мире фузоров и помощи другим любителям в их проектах. Сайт включает форумы, статьи и статьи, посвященные фузору, в том числе оригинальный патент Фарнсворта, а также патент Хирша на его версию изобретения.
Сечения различных реакций синтеза Ядерный синтез относится к реакциям, в которых более легкие ядра объединяются, чтобы стать более тяжелыми. Этот процесс превращает массу в энергию, которая, в свою очередь, может быть захвачена для обеспечения термоядерной энергии. Можно сплавить многие типы атомов. Легче всего сплавляются дейтерий и тритий. Чтобы произошел синтез, ионы должны иметь температуру не менее 4 кэВ ( килоэлектронвольт ) или около 45 миллионов кельвинов. Вторая простейшая реакция - это синтез дейтерия с самим собой. Поскольку этот газ дешевле, его чаще всего используют любители. Легкость проведения реакции синтеза измеряется ее поперечным сечением.
В таких условиях атомы ионизируются и образуют плазму. Энергия, генерируемая термоядерным синтезом внутри облака горячей плазмы, может быть найдена с помощью следующего уравнения.
куда
Это уравнение показывает, что энергия зависит от температуры, плотности, скорости столкновения и используемого топлива. Чтобы достичь полезной мощности, реакции синтеза должны протекать достаточно быстро, чтобы компенсировать потери энергии. Любая электростанция, использующая термоядерный синтез, удержится в этом горячем облаке. Плазменные облака теряют энергию из-за проводимости и излучения. Проводимость - это когда ионы, электроны или нейтралы касаются поверхности и вытекают наружу. Энергия теряется вместе с частицей. Излучение - это когда энергия покидает облако в виде света. Радиация увеличивается с повышением температуры. Чтобы получить чистую мощность от термоядерного синтеза, вы должны преодолеть эти потери. Это приводит к уравнению для выходной мощности.
куда:
Джон Лоусон использовал это уравнение для оценки некоторых условий чистой мощности на основе облака Максвелла. Это стало критерием Лоусона. Фузоры обычно страдают от потерь проводимости из-за того, что проволочная клетка находится на пути рециркулирующей плазмы.
В первоначальной конструкции фузора несколько небольших ускорителей частиц, в основном телевизионные лампы с удаленными концами, инжектируют ионы при относительно низком напряжении в вакуумную камеру. В версии фузора Хирша ионы образуются путем ионизации разбавленного газа в камере. В любом варианте есть два концентрических сферических электрода, причем внутренний заряжен отрицательно по отношению к внешнему (примерно до 80 кВ). Как только ионы попадают в область между электродами, они ускоряются к центру.
В фузоре ионы ускоряются электродами до нескольких кэВ, поэтому нагрев как таковой не требуется (до тех пор, пока ионы сливаются перед тем, как потерять свою энергию в результате какого-либо процесса). В то время как 45 мегакельвинов - это очень высокая температура по любым стандартам, соответствующее напряжение составляет всего 4 кВ, уровень, обычно встречающийся в таких устройствах, как неоновые вывески и телевизоры с электронно-лучевой трубкой. В той степени, в которой ионы остаются на своей начальной энергии, энергия может быть настроена так, чтобы воспользоваться преимуществом пика поперечного сечения реакции или избежать нежелательных (например, генерирующих нейтроны) реакций, которые могут происходить при более высоких энергиях.
Были предприняты различные попытки увеличить скорость ионизации дейтерия, включая нагреватели в «ионных пушках» (аналогичные «электронной пушке», которая составляет основу для телевизионных трубок старого образца), а также устройства магнетронного типа (которые являются источниками питания для микроволновых печей), которые могут усиливать образование ионов с помощью электромагнитных полей высокого напряжения. Можно ожидать, что любой метод, который увеличивает плотность ионов (в пределах, которые сохраняют длину свободного пробега ионов) или энергию ионов, увеличит выход термоядерного синтеза, обычно измеряемый числом нейтронов, производимых в секунду.
Легкость увеличения энергии ионов оказывается особенно полезной, когда рассматриваются "высокотемпературные" термоядерные реакции, такие как синтез протон-бор, который имеет много топлива, не требует радиоактивного трития и не производит нейтронов в первичной реакции..
Фузор Фарнсворта-Хирша во время работы в так называемом «звездном режиме» характеризуется «лучами» светящейся плазмы, которые, по-видимому, исходят из зазоров во внутренней решетке. Fusors имеет по меньшей мере два режима работы (возможно, больше): режим звезды и режим гало. Гало-мода характеризуется широким симметричным свечением с одним или двумя электронными пучками, выходящими из структуры. Слияния мало. Режим ореола возникает в резервуарах с более высоким давлением, и по мере улучшения вакуума устройство переходит в звездный режим. Звездный режим выглядит как яркие лучи света, исходящие из центра устройства.
Поскольку электрическое поле, создаваемое клетками, является отрицательным, оно не может одновременно захватывать как положительно заряженные ионы, так и отрицательные электроны. Следовательно, должны быть некоторые области накопления заряда, что приведет к верхнему пределу достижимой плотности. Это может установить верхний предел удельной мощности машины, который может удерживать ее слишком низкой для выработки электроэнергии.
Когда они впервые попадают в центр фузора, все ионы будут иметь одинаковую энергию, но распределение скоростей быстро приблизится к распределению Максвелла – Больцмана. Это могло бы произойти в результате простых кулоновских столкновений за считанные миллисекунды, но нестабильность пучка-пучка будет происходить на порядки быстрее еще. Для сравнения, любому данному иону потребуется несколько минут, прежде чем он подвергнется реакции слияния, так что моноэнергетическая картина фузора, по крайней мере, для производства энергии, не подходит. Одним из следствий термализации является то, что некоторые из ионов набирают достаточно энергии, чтобы покинуть потенциальную яму, забирая с собой свою энергию, не подвергаясь реакции синтеза.
Изображение, показывающее другой дизайн сетки Есть ряд нерешенных проблем с электродами в системе питания фузоров. Начнем с того, что электроды не могут влиять на потенциал внутри себя, поэтому на первый взгляд может показаться, что термоядерная плазма будет находиться в более или менее прямом контакте с внутренним электродом, что приведет к загрязнению плазмы и разрушению электрода. Однако большая часть термоядерного синтеза имеет тенденцию происходить в микроканалах, сформированных в областях с минимальным электрическим потенциалом, которые видны как видимые «лучи», проникающие в ядро. Они формируются, потому что силы внутри региона соответствуют примерно стабильным «орбитам». Примерно 40% высокоэнергетических ионов в типичной сети, работающей в звездообразном режиме, могут находиться внутри этих микроканалов. Тем не менее, столкновения сетей остаются основным механизмом потери энергии для фузоров Фарнсворта – Хирша. Осложняет проблему охлаждение центрального электрода; любой фузор, производящий достаточно мощности для работы электростанции, кажется, также обречен разрушить свой внутренний электрод. В качестве одного из фундаментальных ограничений любой метод, который создает поток нейтронов, который улавливается для нагрева рабочего тела, также будет бомбардировать его электроды этим потоком, нагревая их также.
Попытки решить эти проблемы включают в себя Bussard «s Polywell систему, DC Barnes» модифицированные ловушки Пеннинга подход, и университет Fusor Иллинойс, который сохраняет сетки, но попытки более плотно фокусировать ионы в микроканалы, чтобы попытаться избежать потерь. В то время как все три являются устройствами инерционного электростатического удержания (IEC), только последнее на самом деле является «фузором».
Заряженные частицы будут излучать энергию в виде света при изменении скорости. Для нерелятивистских частиц этот коэффициент потерь можно оценить с помощью формулы Лармора. Внутри фузора находится облако ионов и электронов. Эти частицы будут ускоряться или замедляться при движении. Эти изменения скорости заставляют облако терять энергию в виде света. Излучение от фузора может (по крайней мере) быть в видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском спектрах, в зависимости от типа используемого фузора. Эти изменения скорости могут быть связаны с электростатическим взаимодействием между частицами (ион с ионом, ион с электроном, электрон с электроном). Это относится к тормозному излучению и часто встречается в фьюзерах. Изменения скорости также могут быть связаны с взаимодействием частицы с электрическим полем. Поскольку магнитные поля отсутствуют, фузоры не излучают циклотронное излучение на малых скоростях или синхротронное излучение на высоких скоростях.
В « Фундаментальных ограничениях для систем термоядерного синтеза плазмы, не находящихся в термодинамическом равновесии», Тодд Райдер утверждает, что квазинейтральная изотропная плазма будет терять энергию из-за тормозного излучения со скоростью, недопустимой 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 систем термоядерного синтеза с инерционным электростатическим удержанием» Райдер напрямую обращается к общим устройствам IEC, включая фузор. В случае фузора электроны обычно отделяются от массы топлива, изолированной около электродов, что ограничивает скорость потерь. Однако Райдер демонстрирует, что практические фьюзеры работают в различных режимах, которые либо приводят к значительному смешиванию и потерям электронов, либо, наоборот, к снижению плотности мощности. Похоже, это своего рода уловка-22, которая ограничивает производительность любой фузорной системы.
При изготовлении и эксплуатации фузора необходимо учитывать несколько ключевых соображений безопасности. Во-первых, это высокое напряжение. Во-вторых, возможны рентгеновское и нейтронное излучение. Также существуют соображения по поводу публичности / дезинформации с местными и регулирующими органами. Дополнительную информацию см. В разделе «Часто задаваемые вопросы по нейтронной безопасности».
| Источник производства | |
|---|---|
| Нейтронов | |
| Энергия | 2,45 МэВ |
| Масса | 940 МэВ |
| Электрический заряд | 0 С |
| Вращаться | 1/2 |
Фузор был продемонстрирован как жизнеспособный источник нейтронов. Обычные фьюзеры не могут достигать таких высоких потоков, как ядерный реактор или ускоритель частиц, но их достаточно для многих применений. Важно отметить, что нейтронный генератор легко устанавливается на столе и может быть выключен одним щелчком переключателя. Коммерческий фузор был разработан как непрофильный бизнес в DaimlerChrysler Aerospace - Space Infrastructure, Бремен в период с 1996 по начало 2001 года. После того, как проект был фактически завершен, бывший руководитель проекта основал компанию под названием NSD-Fusion. На сегодняшний день максимальный поток нейтронов, достигаемый с помощью фузорного устройства, составляет 3 × 10 11 нейтронов в секунду с реакцией синтеза дейтерия и дейтерия.
Коммерческие стартапы использовали нейтронные потоки, генерируемые фузорами, для получения Mo-99, изотопа, используемого в медицине.
- плотность мощности термоядерного синтеза (энергия в единицу времени на единицу объема),
является произведением поперечного сечения столкновения σ (которое зависит от относительной скорости) и относительной скорости v двух частиц, усредненных по всем скоростям частиц в системе,
это энергия, выделяемая в результате одной реакции синтеза.
- мощность потерь проводимости при уходе нагруженной энергией массы,
- мощность радиационных потерь, когда энергия уходит в виде света,
это чистая мощность от термоядерного синтеза.