Поливелл - Polywell

Polywell является предлагаемой конструкцией для термоядерного реактора с использованием электрического поля для нагрева ионов в условия синтеза.

Конструкция связана с фузором , термоядерным реактором с высоким бета- коэффициентом, магнитным зеркалом и биконическим куспидом . Набор электромагнитов создает магнитное поле, которое захватывает электроны . Это создает отрицательное напряжение, которое притягивает положительные ионы . По мере того, как ионы ускоряются к отрицательному центру, их кинетическая энергия увеличивается. Ионы, которые сталкиваются при достаточно высоких энергиях, могут сливаться .

Механизм

Fusor

Основная статья: Фусор
Самодельный фузор
Фузор Фарнсворта-Хирша во время работы в так называемом «звездном режиме» характеризуется «лучами» светящейся плазмы, которые, кажется, исходят из зазоров во внутренней сетке.

Фарнсворт-Hirsch Fusor состоит из двух проволочных клеток, один внутри других, часто называют сетками, которые размещены внутри вакуумной камеры. Внешняя клетка имеет положительное напряжение по сравнению с внутренней клеткой. В эту камеру впрыскивается топливо, обычно газообразный дейтерий . Он нагревается выше температуры ионизации , образуя положительные ионы . Ионы положительны и движутся к отрицательной внутренней клетке. Те, которые пропускают провода внутренней клетки, пролетают через центр устройства с высокой скоростью и могут вылететь с другой стороны внутренней клетки. Когда ионы движутся наружу, кулоновская сила толкает их обратно к центру. Со временем внутри внутренней клетки может образоваться ядро ​​из ионизированного газа. Ионы проходят через ядро ​​вперед и назад, пока не ударяются либо о сетку, либо о другое ядро. Большинство ядерных ударов не приводят к слиянию. Удары по сетке могут поднять температуру сетки, а также разрушить ее. Эти удары отводят массу и энергию от плазмы, а также отщепляют ионы металлов в газ, который охлаждает его.

В предохранителях потенциальная яма сделана проволочной сеткой. Поскольку большая часть ионов и электронов попадает в клетку, фузоры страдают от высоких потерь проводимости . Следовательно, ни один фузор не приблизился к энергетической безубыточности.

Рисунок 1 : Иллюстрация основного механизма слияния в фузорах. (1) Фузор содержит две концентрические проволочные клетки. Катод (синий) находится внутри анода (красный). (2) Положительные ионы притягиваются к внутреннему катоду. Электрическое поле воздействует на ионы, нагревая их до состояния термоядерного синтеза. (3) Ионы не попадают во внутреннюю клетку. (4) Ионы сталкиваются в центре и могут сливаться.

Polywell

Рисунок 1 : Эскиз MaGrid в поливанце

Основная проблема фузора заключается в том, что внутренняя клетка отводит слишком много энергии и массы. Решение, предложенное Робертом Бюссардом и Олегом Лаврентьевым , заключалось в замене отрицательной клетки на «виртуальный катод», состоящий из облака электронов.

Поливелл состоит из нескольких частей. Их помещают в вакуумную камеру.

  • Набор положительно заряженных катушек электромагнита, расположенных в виде многогранника . Чаще всего используется шестигранный куб . Шесть магнитных полюсов направлены в одном направлении к центру. Магнитное поле исчезает в центре по симметрии, создавая нулевую точку.
  • Электронные пушки обращены к оси кольца. Они стреляют электронами в центр кольцевой структуры. Оказавшись внутри, электроны удерживаются магнитными полями. Это было измерено в поливаннах с помощью зондов Ленгмюра . Электроны, у которых достаточно энергии для выхода через магнитные каспы, могут быть повторно привлечены к положительным кольцам. Они могут замедляться и возвращаться внутрь колец вдоль бугров. Это снижает потери проводимости и улучшает общую производительность машины. Электроны действуют как отрицательное падение напряжения, притягивая положительные ионы. Это виртуальный катод .
  • Газовые колонки на углу. Газ подается внутрь колец, где он ионизируется электронным облаком. Поскольку ионы падают потенциал хорошо, электрическое поле работает на них, нагревая его в условиях синтеза. Ионы набирают скорость. Они могут столкнуться в центре и слиться. Ионы удерживаются электростатически, увеличивая плотность и скорость синтеза.

Плотность магнитной энергии, необходимая для удержания электронов, намного меньше, чем плотность магнитной энергии, необходимая для прямого удержания ионов, как это делается в других проектах термоядерного синтеза, таких как ITER .

Модели магнитного захвата

Рисунок 2 : График магнитного поля, создаваемого MaGrid внутри поливарны. Нулевая точка отмечена красным в центре.

Магнитные поля оказывают давление на плазму. Бета - это отношение давления плазмы к напряженности магнитного поля. Его можно определить отдельно для электронов и ионов. Поливан относится только к электронному бета, тогда как ионный бета представляет больший интерес в токамаках и других машинах с нейтральной плазмой. Они различаются в очень большом соотношении из-за огромной разницы в массе электрона и любого иона. Обычно в других устройствах электронным бета-коэффициентом пренебрегают, поскольку ионный бета-коэффициент определяет более важные параметры плазмы. Это серьезная путаница для ученых, более знакомых с более «традиционной» физикой термоядерной плазмы.

Обратите внимание, что для электронного бета используются только концентрация электронов и температура, поскольку оба они, но особенно последняя, ​​могут значительно отличаться от параметров иона в одном и том же месте.

Большинство экспериментов с поливьюнами связано с режимами плазмы с низким бета-коэффициентом (где β <1), где давление плазмы слабое по сравнению с магнитным давлением . Некоторые модели описывают магнитное захватывание в поливолнах. Испытания показали, что удержание плазмы усиливается в конфигурации магнитного каспа, когда β (давление плазмы / давление магнитного поля) имеет порядок единицы. Это усовершенствование необходимо для того, чтобы создать термоядерный энергетический реактор, основанный на ограничении остаточного выброса.

Магнитное зеркало

Магнитное зеркало преобладает в конструкциях с низким бета-коэффициентом. И ионы, и электроны отражаются от полей высокой плотности к полям с низкой плотностью. Это известно как эффект магнитного зеркала. Кольца поливелла расположены так, что самые плотные поля находятся снаружи, а электроны захватывают в центре. Это может улавливать частицы с низкими значениями бета.

Удержание куспида

Рисунок 3 : Бугорки Polywell. Куспид лески проходит по шву между двумя электромагнитами. Забавный куспид - это куспид между тремя магнитами, идущими по углам. Острие острия находится в середине одного электромагнита.

В условиях высокого бета-излучения машина может работать с ограничением выступа. Это улучшение по сравнению с более простым магнитным зеркалом. MaGrid имеет шесть точечных куспидов, каждый из которых расположен в середине кольца; и две сильно модифицированные линии возврата, соединяющие восемь угловых точек возврата, расположенных в вершинах куба. Ключевым моментом является то, что эти две линии возврата намного уже, чем одна линия возврата в магнитных зеркальных машинах, поэтому чистые потери меньше. Потери на двух прямых выступах аналогичны или меньше, чем для шести гранецентрированных точек возврата.

Плазма со свободной границей

В 1955 году Гарольд Грэд предположил, что давление плазмы с высоким бета-коэффициентом в сочетании с остаточным магнитным полем улучшит удержание плазмы. Диамагнитная плазмы отвергает внешние поля и вилки остриями. Эта система была бы гораздо лучшей ловушкой.

Конфайнмент изучается теоретически и экспериментально. Однако большинство экспериментов с острыми контурами провалились и к 1980 году исчезли из национальных программ. Позже Бюссар назвал этот тип заключения Виффл-Боллом . Эта аналогия была использована для описания захвата электронов внутри поля. Шарики могут быть захвачены внутри шара Wiffle , полой перфорированной сферы; если внутрь положить шарики, они могут катиться и иногда вылетать через отверстия в сфере. Магнитная топология поливяна с высоким бета-коэффициентом действует аналогично с электронами.

На этом рисунке показано развитие предложенной концепции удержания «виффл-шар». Показаны три ряда рисунков: магнитное поле, движение электронов и плотность плазмы внутри поливяна. (A) Поле представляет собой суперпозицию шести колец в коробке. В центре находится нулевая точка - зона отсутствия магнитного поля. Плазма намагничена , а это означает, что плазма и магнитное поле смешиваются. (B) По мере нагнетания плазмы плотность увеличивается. (C) По мере увеличения плотности плазмы плазма становится более диамагнитной , заставляя ее отклонять внешнее магнитное поле. По мере того, как плазма выдавливается наружу, плотность окружающего магнитного поля увеличивается. Это усиливает вращательное движение частиц за пределами центра. Образуется резкая граница. По прогнозам, на этой границе образуется ток. (D) Если давления достигают равновесия при бета, равном единице, это определяет форму плазменного облака. (E) В центре нет магнитного поля от колец. Это означает, что его движение внутри свободного радиуса поля должно быть относительно прямым или баллистическим.

На протяжении многих десятилетий конфайнмент с заострением никогда не вел себя экспериментально, как это было предсказано. Резко изогнутые поля использовались Ливерморской национальной лабораторией в серии магнитных зеркал с конца 1960-х до середины 1980-х годов. После того, как были потрачены сотни миллионов, из аппаратов все еще происходила утечка плазмы на концах поля. Многие ученые сосредоточили свое внимание на кольцевании полей в токамаках . В конце концов, было решено, что эффекта удержания заострений не существует.

В июне 2014 года EMC2 опубликовала препринт, подтверждающий реальность эффекта, основанный на рентгеновских измерениях и измерениях магнитного потока во время эксперимента.

Согласно Бассарду, типичная скорость утечки из каспа такова, что электрон делает от 5 до 8 проходов, прежде чем вырваться через касп в стандартном биконическом каспе с ограничением зеркала; От 10 до 60 проходов в поливарне с ограничением зеркала (низкая бета), которое он назвал ограничением острия; и несколько тысяч проходов в ограничении Уиффл-Болла (высокая бета).

В феврале 2013 года Lockheed Martin Skunk Works анонсировала новую компактную термоядерную машину, термоядерный реактор с высоким бета-коэффициентом , который может быть связан с биконическим куспидом и поливеллом и работает при β  = 1.

Другое поведение

Одноэлектронное движение

Рисунок 4 : Иллюстрация движения одного электрона внутри поливяна. Он основан на цифрах из «Ограничение низкого бета-излучения в поливарте, смоделированном с помощью традиционных теорий точечных выступов», но не является точной копией.

Когда электрон попадает в магнитное поле, он ощущает силу Лоренца и начинает вращаться. Радиус этого движения - гирорадиус . Когда он движется, он теряет часть энергии в виде рентгеновских лучей каждый раз, когда меняет скорость. Электрон вращается быстрее и сильнее в более плотных полях, когда он входит в MaGrid. Внутри MaGrid одиночные электроны проходят прямо через нулевую точку из-за их бесконечного гирорадиуса в областях без магнитного поля. Затем они направляются к краям поля MaGrid и плотнее сжимаются вдоль линий более плотного магнитного поля. Это типичное движение электронного циклотронного резонанса . Их гирорадиус уменьшается, и когда они попадают в плотное магнитное поле, они могут отражаться с помощью эффекта магнитного зеркала. Захват электронов был измерен в полиянках с помощью зондов Ленгмюра .

Поливэлл пытается удержать ионы и электроны двумя разными способами, заимствованными у фузоров и магнитных зеркал . Электроны легче удерживать магнитным путем, потому что они имеют гораздо меньшую массу, чем ионы. Машина удерживает ионы с помощью электрического поля так же, как фузор удерживает ионы: в поливелле ионы притягиваются к отрицательному электронному облаку в центре. В фузоре они притягиваются к отрицательной проволочной клетке в центре.

Рециркуляция плазмы

Рециркуляция плазмы значительно улучшит работу этих машин. Утверждалось, что эффективная рециркуляция - единственный способ, которым они могут быть жизнеспособными. Электроны или ионы проходят через устройство, не ударяясь о поверхность, что снижает потери проводимости . Бюссар подчеркнул это; особо подчеркивая, что электроны должны проходить через все куспиды машины.

Рисунок 5 : Распределение энергии ионов термализованной плазмы внутри поливяна. Эта модель предполагает максвелловскую популяцию ионов, разбитую на разные группы. (1) ионы, у которых недостаточно энергии для слияния, (2) ионы с энергией инжекции (3) ионы, которые обладают такой большой кинетической энергией, что они ускользают.

Модели распределения энергии

Рис. 6 : Распределение энергии нетермализованной плазмы внутри поливяна. Утверждается, что область немагниченного пространства приводит к рассеянию электронов, это приводит к моноэнергетическому распределению с холодным электронным хвостом. Это подтверждается двумерным моделированием частиц в ячейках.

По состоянию на 2015 год не было окончательно определено, каково распределение ионов или электронов по энергиям. Распределение энергии плазмы можно измерить с помощью зонда Ленгмюра . Этот зонд поглощает заряд из плазмы , как ее изменение напряжения, что делает ВАХ . По этому сигналу можно рассчитать распределение энергии. Распределение энергии как движет, так и определяется несколькими физическими скоростями, скоростью потери электронов и ионов, скоростью потери энергии излучением , скоростью термоядерного синтеза и скоростью не-термоядерных столкновений. Частота столкновений может сильно различаться в системе:

  • На краю: где ионы медленные, а электроны быстрые.
  • В центре: где ионы быстрые, а электроны медленные.

Критики утверждали, что и электроны, и ионные популяции имеют распределение колоколообразной кривой ; что плазма термализована . Приведенное обоснование состоит в том, что чем дольше электроны и ионы движутся внутри поливяна, тем большему количеству взаимодействий они подвергаются, приводя к термализации. Эта модель распределения ионов показана на рисунке 5.

Сторонники моделировали нетепловую плазму . Обоснование - большое количество рассеяния в центре устройства. Без магнитного поля электроны разбегаются в этой области. Они утверждали, что это рассеяние приводит к моноэнергетическому распределению, как показано на рисунке 6. Этот аргумент подтверждается двумерным моделированием частиц в ячейках. Бюссар утверждал, что постоянная инжекция электронов будет иметь такой же эффект. Такое распределение поможет поддерживать отрицательное напряжение в центре, улучшая характеристики.

Соображения относительно полезной мощности

Тип топлива

Рисунок 7 : График поперечного сечения различных реакций синтеза.

Ядерный синтез относится к ядерным реакциям , в которых более легкие ядра превращаются в более тяжелые. Все химические элементы могут быть сплавлены; для элементов с меньшим количеством протонов, чем у железа, этот процесс превращает массу в энергию, которая потенциально может быть захвачена для обеспечения термоядерной энергии .

Вероятность реакции синтеза , протекающие управляется поперечным сечением топлива, которое в свою очередь зависит от его температуры. Самыми легкими для слияния ядер являются дейтерий и тритий . Их слияние происходит, когда ионы достигают 4 кэВ ( килоэлектронвольт ), или около 45 миллионов кельвинов . Polywell достигнет этого путем ускорения иона с зарядом 1 до электрического поля в 4000 вольт. Высокая стоимость, короткий период полураспада и радиоактивность из трития затрудняют работу с.

Вторая простейшая реакция - это слияние дейтерия с самим собой. Из-за его низкой стоимости дейтерий обычно используется любителями фузора. На этом топливе проводились поливелковые эксперименты Бюссарда. Синтез дейтерия или трития производит быстрые нейтроны и, следовательно, производит радиоактивные отходы. Выбором Бюссарда было сплавление бора-11 с протонами; эта реакция анейтронная (не производит нейтронов). Преимущество p- 11 B в качестве слитого топлива является то , что выход первичного реактора будет энергичный альфа - частица, которые могут быть непосредственно превращены в электричество с высокой эффективностью с помощью прямого преобразования энергии . Прямое преобразование позволило достичь КПД 48% против теоретического КПД 80–90%.

Критерий Лоусона

Основная статья: критерий Лоусона

Энергия, генерируемая термоядерным синтезом внутри облака горячей плазмы, может быть найдена с помощью следующего уравнения:

куда:

  • - плотность мощности термоядерного синтеза (энергия в раз на объем),
  • n - плотность частиц A или B (частиц в объеме),
  • представляет собой произведение поперечного сечения столкновения σ (которое зависит от относительной скорости) и относительной скорости двух частиц v , усредненных по всем скоростям частиц в системе.

Энергия зависит от температуры, плотности, скорости столкновения и топлива. Чтобы достичь чистого производства энергии, реакции должны происходить достаточно быстро, чтобы компенсировать потери энергии. Плазменные облака теряют энергию из-за проводимости и излучения . Проводимость - это когда ионы , электроны или нейтральные частицы касаются поверхности и улетучиваются. Энергия теряется вместе с частицей. Излучение - это когда энергия выходит в виде света. Излучение увеличивается с повышением температуры. Чтобы получить чистую мощность от термоядерного синтеза, эти потери необходимо преодолеть. Это приводит к уравнению для выходной мощности.

Чистая мощность = КПД × (термоядерный синтез - потеря радиации - потеря проводимости)

  • Полезная мощность - выходная мощность
  • Эффективность - доля энергии, необходимая для приведения устройства в действие и преобразования его в электричество.
  • Термоядерный синтез - энергия, генерируемая реакциями термоядерного синтеза.
  • Излучение - энергия теряется в виде света, покидая плазму.
  • Проводимость - потеря энергии, когда масса покидает плазму.

Лоусон использовал это уравнение для оценки условий чистой мощности на основе облака Максвелла .

Однако критерий Лоусона неприменим для Поливеллса, если гипотеза Бюссара о том, что плазма нетепловая, верна. Лоусон заявил в своем отчете об основании: «Конечно, легко постулировать системы, в которых распределение скорости частицы не является максвелловским. Эти системы выходят за рамки этого отчета». Он также исключил возможность воспламенения нетепловой плазмы: «Ничего нельзя получить, используя систему, в которой электроны имеют более низкую температуру [чем ионы]. Потери энергии в такой системе из-за передачи электронам всегда будут больше, чем энергия, которую излучали бы электроны, если бы они имели [такую ​​же] температуру ».

Критика

Тодд Райдер подсчитал, что потери рентгеновского излучения с этим топливом превысят выработку термоядерной энергии как минимум на 20%. Модель Райдера использовала следующие допущения:

  • Плазма была квазинейтральной . Таким образом, положительные и отрицательные стороны в равной степени перемешаны между собой.
  • Топливо было равномерно перемешано по всему объему.
  • Плазма была изотропной, что означало, что ее поведение было одинаковым в любом заданном направлении.
  • Плазма имела однородную энергию и температуру по всему облаку.
  • Плазма представляла собой неструктурированную гауссову сферу с сильно суженной сердцевиной, которая составляла небольшую (~ 1%) часть общего объема. Невинс оспорил это предположение, заявив, что частицы будут наращивать угловой момент , вызывая разрушение плотного ядра. Потеря плотности внутри активной зоны снизит скорость синтеза.
  • Потенциальная яма была широкой и плоской.

Основываясь на этих предположениях, Райдер использовал общие уравнения для оценки скорости различных физических эффектов. К ним относятся потери ионов из-за рассеяния вверх, скорость термализации ионов, потеря энергии из -за рентгеновского излучения и скорость синтеза. Его выводы заключались в том, что устройство имело «фундаментальные недостатки».

Напротив, Бюссар утверждал, что плазма имеет другую структуру, распределение температуры и профиль скважины. Эти характеристики не были полностью измерены и имеют решающее значение для возможности использования устройства. Расчеты Бюссара показали, что потери на тормозное излучение будут намного меньше. По словам Бюссара, высокая скорость и, следовательно, низкое поперечное сечение кулоновских столкновений ионов в ядре делает термализующие столкновения очень маловероятными, в то время как низкая скорость на ободе означает, что термализация там почти не влияет на скорость ионов в ядре. Бассард подсчитал, что реактор с поликорпусом радиусом 1,5 метра будет производить полезную мощность, синтезирующую дейтерий .

Другие исследования опровергли некоторые предположения, сделанные Райдером и Невинсом, утверждая, что реальная скорость синтеза и соответствующая рециркулирующая мощность (необходимая для преодоления термализующего эффекта и поддержания немаксвелловского ионного профиля) могут быть оценены только с помощью самосогласованной столкновительной трактовки. функции распределения ионов, отсутствующей в работе Райдера.

Захват энергии

Было высказано предположение , что энергия может быть извлечена из polywells с помощью захвата тепла или, в случае слияния безнейтронного как D- 3 He или р - 11 В, прямое преобразование энергии , хотя эта схема сталкивается с проблемами. Энергичные альфа-частицы (до нескольких МэВ), генерируемые анейтронной реакцией синтеза, будут выходить из MaGrid через шесть осевых выступов в виде конусов (распространенных ионных пучков). Коллекторы прямого преобразования внутри вакуумной камеры будут преобразовывать кинетическую энергию альфа-частиц в постоянный ток высокого напряжения . Альфа-частицы должны замедлиться, прежде чем они коснутся коллекторных пластин, чтобы обеспечить высокую эффективность преобразования. В экспериментах прямое преобразование продемонстрировало эффективность преобразования 48%.

История

В конце 1960-х годов в нескольких исследованиях изучались полиэдрические магнитные поля как возможность удержания термоядерной плазмы. Первое предложение объединить эту конфигурацию с электростатической потенциальной ямой для улучшения удержания электронов было сделано Олегом Лаврентьевым в 1975 году. Идея была подхвачена Робертом Бюссардом в 1983 году. В своей патентной заявке 1989 года цитировал Лаврентьева, хотя в 2006 году он, похоже, утверждают, что (пере) открыли идею независимо.

ГЭС

Исследования финансировались сначала Агентством по уменьшению угрозы, начиная с 1987 года, а затем DARPA . Это финансирование привело к созданию машины, известной как эксперимент с источником энергии высокой энергии (HEPS). Он был построен компанией Directed Technologies Inc. Эта машина была большой (1,9 м в диаметре) с кольцами за пределами вакуумной камеры. Эта машина работала плохо, потому что магнитные поля посылали электроны в стены, увеличивая потери проводимости. Эти потери объясняются плохой инжекцией электронов. Военно- морские силы США начали финансирование проекта на низком уровне в 1992 году. Krall опубликовал результаты в 1994 году.

Бюссар, который был сторонником исследований токамаков , обратился к сторонникам этой концепции, так что идея стала ассоциироваться с его именем. В 1995 году он отправил письмо в Конгресс США, в котором заявил, что поддерживал токамаки только для того, чтобы получить финансирование исследований термоядерного синтеза от правительства, но теперь он полагал, что существуют лучшие альтернативы.

EMC2, Inc.

Бюссар основал Energy / Matter Conversion Corporation, Inc. (также известную как EMC2) в 1985 году, и после завершения программы HEPS компания продолжила свои исследования. Были сделаны последующие машины, от WB-1 до WB-8. Компания выиграла грант SBIR I в 1992–93 годах и грант SBIR II в 1994–95 годах, оба от ВМС США. В 1993 г. он получил грант НИЭИ . В 1994 году компания получила небольшие гранты от NASA и LANL . Начиная с 1999 года, компания в основном финансировалась ВМС США.

WB-1 имел шесть обычных магнитов в кубе. Это устройство было 10 см в поперечнике. WB-2 использовал катушки проводов для создания магнитного поля. Каждый электромагнит имел квадратное поперечное сечение, что создавало проблемы. В магнитных полей электронов вынудили в металлических кольца, в результате чего потери проводимости и захват электронов. Эта конструкция также страдала от потерь на "забавных выступах" на стыках между магнитами. WB-6 попытался решить эти проблемы, используя круглые кольца и более удаленные друг от друга промежутки. Следующее устройство, PXL-1, было построено в 1996 и 1997 годах. Это устройство было 26 см в диаметре и использовало более плоские кольца для создания поля. С 1998 по 2005 год компания построила шесть машин: WB-3, MPG-1,2, WB-4, PZLx-1, MPG-4 и WB-5. Все эти реакторы представляли собой шесть магнитов, построенных в виде куба или усеченного куба . Их радиус составлял от 3 до 40 см.

Первоначальные трудности со сферическим удержанием электронов привели к прекращению исследовательского проекта 2005 года. Тем не менее, Bussard сообщил о скорости синтеза 10 9 в секунду при запуске DD-реакций синтеза всего лишь при 12,5 кВ (на основе обнаружения девяти нейтронов в пяти тестах, что дает широкий доверительный интервал ). Он заявил, что скорость термоядерного синтеза, достигнутая WB-6, была примерно в 100 000 раз выше, чем у Фарнсворта при аналогичной глубине скважины и аналогичных условиях движения. Для сравнения, исследователи из Университета Висконсина-Мэдисона сообщили о скорости нейтронов до 5 × 10 9 в секунду при напряжении 120 кВ от электростатического фузора без магнитных полей.

Бюссар утверждал, используя сверхпроводящие катушки, что единственный значительный канал потерь энергии - это потери электронов, пропорциональные площади поверхности. Он также заявил, что плотность будет масштабироваться с квадратом поля (постоянные бета- условия), а максимально достижимое магнитное поле будет масштабироваться с радиусом. В этих условиях произведенная термоядерная энергия будет масштабироваться в седьмой степени радиуса, а выигрыш в энергии - в пятой степени. Хотя Бюссар публично не задокументировал доводы, лежащие в основе этой оценки, если она верна, это позволит модели, только в десять раз большей, быть полезной в качестве термоядерной электростанции.

WB-6

Финансирование становилось все труднее. По словам Бюссара , «средства были явно необходимы для более важной войны в Ираке ». Дополнительные 900 тыс. Долларов из финансирования Управления военно-морских исследований позволили программе продолжаться достаточно долго, чтобы дойти до испытаний WB-6 в ноябре 2005 года. WB-6 имел кольца с круглым поперечным сечением, которые разделялись в стыках. Это уменьшило площадь поверхности металла, незащищенную от магнитных полей. Эти изменения резко улучшили характеристики системы, что привело к большей рециркуляции электронов и лучшему удержанию электронов в постоянно более плотном сердечнике. Эта машина производила скорость плавления 10 9 в секунду. Это основано на количестве девяти нейтронов в пяти испытаниях, что дает широкий доверительный интервал. Напряжение возбуждения при испытаниях WB-6 составляло около 12,5 кВ, в результате чего глубина потенциальной ямы составляла около 10 кВ. Таким образом, ионы дейтерия могут иметь максимум 10 кэВ кинетической энергии в центре. Для сравнения, фузор, работающий на синтезе дейтерия при 10 кВ, будет иметь скорость синтеза, слишком малую для обнаружения. Хирш сообщил о такой высокой скорости термоядерного синтеза только при работе своей машины с перепадом напряжения 150 кВ между внутренней и внешней клетками. Хирш также использовал дейтерий и тритий , горючее, которое легче сплавлять, потому что оно имеет более высокое ядерное сечение .

Хотя импульсы WB-6 были субмиллисекундными, Бюссар считал, что физика должна представлять установившееся состояние. Тест WB-6 в последнюю минуту закончился преждевременно, когда изоляция на одном из электромагнитов с ручным заводом прогорала, разрушив устройство.

Попытки возобновить финансирование

Из-за отсутствия финансирования в 2006 году проект был остановлен. Это положило конец 11-летнему эмбарго ВМС США на публикацию и распространение информации в период с 1994 по 2005 год. Военное оборудование компании было передано SpaceDev , которая наняла трех исследователей из команды. После передачи Бюссар пытался привлечь новых инвесторов, проводя переговоры, пытаясь поднять интерес к своему дизайну. Он выступил в Google с докладом под названием "Должен ли Google переходить на ядерную технологию?" Он также представил и опубликовал обзор на 57-м Международном астронавтическом конгрессе в октябре 2006 года. Он выступил на внутреннем форуме Yahoo! Tech Talk 10 апреля 2007 г. и выступил в ток-шоу на Интернет-радио «Космическое шоу» 8 мая 2007 г. У Бюссарда были планы относительно WB-8, который был многогранником высшего порядка с 12 электромагнитами. Однако в реальной машине WB-8 эта конструкция не использовалась.

Бюссар считал, что машина WB-6 продемонстрировала прогресс и что никаких промежуточных моделей не потребуется. Он отметил: «Вероятно, мы единственные люди на планете, которые знают, как создать настоящую систему чистого термоядерного синтеза». Он предложил перестроить WB-6 более надежно, чтобы проверить его работоспособность. После публикации результатов он планировал созвать конференцию экспертов в этой области, чтобы попытаться привлечь их к своей разработке. Первым шагом в этом плане было спроектировать и построить еще две небольшие конструкции (WB-7 и WB-8), чтобы определить, какая полномасштабная машина будет лучшей. Он написал: «Единственная оставшаяся небольшая работа с машинами, которая может дать дальнейшее улучшение производительности, - это испытание одного или двух устройств в масштабе WB-6, но с приблизительно выровненными« квадратными »или многоугольными катушками (но с небольшим смещением на основных гранях). ) по краям вершин многогранника. Если он построен вокруг усеченного додекаэдра , ожидается почти оптимальная производительность; примерно в 3-5 раз лучше, чем WB-6 ». Бюссар умер 6 октября 2007 года от множественной миеломы в возрасте 79 лет.

В 2007 году Стивен Чу , лауреат Нобелевской премии и бывший министр энергетики США , ответил на вопрос о polywell на техническом выступлении в Google . Он сказал: «Пока информации недостаточно, [чтобы] я мог дать оценку вероятности того, что это может сработать или нет ... Но я пытаюсь получить больше информации».

Промежуточное финансирование 2007–09 гг.

Сборка команды

В августе 2007 года EMC2 получила контракт с ВМС США на 1,8 миллиона долларов. Перед смертью Бюссарда в октябре 2007 года Долли Грей, которая была соучредителем EMC2 вместе с Бюссардом и была его президентом и главным исполнительным директором, помогла собрать ученых в Санта-Фе для продолжения работы. Группу возглавлял Ричард Небель, в ее состав входил физик, получивший образование в Принстоне, Джэён Пак. Оба физика были в отпуске из ЛАНЛ . В группу также входили Майк Рэй, физик, проводивший ключевые тесты 2005 года; и Кевин Рэй, компьютерный специалист по операции.

WB-7

WB-7 был построен в Сан-Диего и отправлен на испытательный центр EMC2. Устройство называлось WB-7 и, как и предыдущие версии, было разработано инженером Майком Скилликорном. Эта машина имеет конструкцию, аналогичную WB-6. WB-7 достиг «первой плазмы» в начале января 2008 года. В августе 2008 года команда завершила первую фазу своего эксперимента и представила результаты экспертной комиссии. Основываясь на этом обзоре, федеральные спонсоры согласились, что команда должна перейти к следующему этапу. Небель сказал, что «мы добились определенного успеха», имея в виду усилия команды по воспроизведению многообещающих результатов, полученных Bussard. «Это своего рода смесь», - сообщил Небель. «Мы в целом довольны тем, что получили от этого, и мы многому научились», - сказал он.

2008 г.

В сентябре 2008 года Центр воздушной войны ВМФ публично запросил контракт на исследование электростатического термоядерного устройства « Wiffle Ball ». В октябре 2008 года ВМС США публично запросили еще два контракта с предпочтительным поставщиком EMC2. Эти две задачи заключались в разработке более совершенной аппаратуры и в разработке ионно-инжекторной пушки. В декабре 2008 года, после многих месяцев рассмотрения группой экспертов по рассмотрению представления окончательных результатов ВБ-7, Небель прокомментировал, что «в [исследовании] нет ничего, что предполагало бы, что это не сработает», но «Это совсем другое. заявление о том, что это будет работать ".

2009 к 2014

2009 г.

В январе 2009 года Центр авиации ВМС предварительно запросил еще один контракт на «модификацию и тестирование плазменного шара 7», который, по-видимому, финансировал установку приборов, разработанных в предыдущем контракте, установки новой конструкции соединителя (стыка) между катушками. , и управлять модифицированным устройством. Доработанный агрегат получил название WB-7.1. Этот предварительный запрос начался с контракта на 200 тысяч долларов, но окончательная сумма была заключена в размере 300 тысяч долларов. В апреле 2009 года Министерство обороны опубликовало план предоставления EMC2 еще 2 миллионов долларов в рамках Закона о восстановлении и реинвестициях в Америке от 2009 года . Ссылка в законодательстве была помечена как Plasma Fusion (Polywell) - демонстрация системы удержания термоядерной плазмы для береговых и судовых приложений; Совместный проект OSD / USN. В соответствии с Законом о восстановлении ВМФ выделено 7,86 миллиона долларов на строительство и испытания WB-8. Контракт с ВМФ предусматривал дополнительные 4,46 миллиона долларов. Новый прибор увеличивал напряженность магнитного поля в восемь раз по сравнению с WB-6.

2010 г.

Команда создала WB-8 и вычислительные инструменты для анализа и анализа полученных данных. Команда переехала в Сан-Диего.

2011 г.

Пак Джеён стал президентом. В майском интервью Парк прокомментировал, что «Эта машина [WB8] должна быть в состоянии генерировать в 1000 раз больше ядерной активности, чем WB-7, с примерно в восемь раз большим магнитным полем». Первая плазма WB-8 была образована 1 ноября 2010 г. К третьему кварталу было произведено более 500 плазменных выстрелов большой мощности.

2012 г.

По состоянию на 15 августа ВМС согласились профинансировать EMC2 дополнительными 5,3 миллиона долларов в течение 2 лет для работы по закачке электронов в виффлбол. Планировалось интегрировать импульсный источник питания для поддержки электронных пушек (100 + A, 10 кВ). WB-8 работал при 0,8 Тесла. Обзор работы дал рекомендацию продолжить и расширить усилия, заявив: «Экспериментальные результаты на сегодняшний день согласуются с лежащей в основе теоретической структурой концепции поливно-термоядерного синтеза и, по мнению комитета, заслуживают продолжения и расширения».

Выход на публику

2014 г.

В июне EMC2 впервые продемонстрировал, что электронное облако становится диамагнитным в центре конфигурации магнитного каспа, когда бета высока, разрешив ранее высказанную гипотезу. Термализация плазмы еще предстоит продемонстрировать экспериментально. Пак представил эти результаты в различных университетах, на ежегодном собрании Fusion Power Associates в 2014 году и конференции IEC в 2014 году.

2015 г.

22 января EMC2 представили на Microsoft Research . EMC2 запланировала трехлетнюю программу коммерческих исследований стоимостью 30 миллионов долларов, чтобы доказать, что Polywell может работать. 11 марта компания подала заявку на патент, в которой усовершенствованы идеи патента Бассарда 1985 года. Статья «Удержание электронов высоких энергий в конфигурации с магнитным выступом» была опубликована в Physical Review X.

2016 г.

13 апреля издание Next Big Future опубликовало статью с информацией о реакторе Уиффл Болла, датированную 2013 годом в соответствии с Законом о свободе информации .

2 мая Джэён Пак прочитал лекцию в университете Кхон Каен в Таиланде, заявив, что мир настолько недооценил график и влияние, которое будет иметь практический и экономический синтез , что его окончательное появление будет очень разрушительным. Парк заявил, что он рассчитывает представить «окончательное научное доказательство принципа технологии поливаннов в 2019-2020 годах» и ожидает, что «коммерческий термоядерный реактор первого поколения будет разработан к 2030 году, а затем массовое производство и коммерциализация технологии в 2030-х годах. примерно на 30 лет быстрее, чем ожидалось по проекту Международного термоядерного энергетического реактора (ИТЭР). Это также будет на десятки миллиардов долларов дешевле ».

2018 г.

В мае 2018 г. Парк и Николас Кролл подали патентную заявку ВОИС WO / 2018/208953. «Генерация реакций ядерного синтеза с использованием инжекции ионного пучка в устройствах с магнитным выступом высокого давления», в котором подробно описывается поливно-устройство.

Сиднейский университет экспериментов

В июне 2019 года Ричард Боуден-Рейд опубликовал результаты длительных экспериментов в Сиднейском университете (USyd) в форме докторской диссертации. Используя экспериментальную машину, созданную в университете, команда исследовала формирование виртуальных электродов.

Их работа продемонстрировала, что следов образования виртуальных электродов практически невозможно обнаружить. Это оставило загадку; и их установка, и предыдущие эксперименты показали четкие и последовательные свидетельства формирования потенциальной ямы, которая захватывала ионы, что ранее приписывалось образованию электродов. Исследуя эту проблему, Боуден-Рейд разработал новые уравнения поля для устройства, объясняющие потенциальную яму без образования электродов, и продемонстрировал, что это соответствует как их результатам, так и результатам предыдущих экспериментов.

Кроме того, исследование общего механизма концепции виртуального электрода продемонстрировало, что его взаимодействие с ионами и самим собой может вызвать «утечку» с бешеной скоростью. Предполагая плотность плазмы и энергию, необходимую для производства чистой энергии, было подсчитано, что новые электроны должны быть доставлены с невероятной скоростью в 200 000  ампер .

Первоначальные результаты указывают на незначительный захват заряда с минимальным образованием потенциальной ямы или его отсутствие. Кроме того, показано, что существование потенциальных ям, о которых сообщалось в предыдущих публикациях, можно объяснить без необходимости виртуального катода, создаваемого захваченными электронами. Более того, показано, что потенциальные ямы, которые вызывают ограничение электронов и нагрев виртуальных катодов, больше не существуют с увеличением плотности плазмы.

Связанные проекты

Прометей Fusion Perfection

Марк Суппес построил поливелл в Бруклине. Он был первым любителем, который обнаружил захват электронов с помощью зонда Ленгмюра внутри поливарны. Он выступал на конференциях LIFT 2012 и WIRED 2012. Официально проект завершился в июле 2013 года из-за отсутствия финансирования.

Сиднейский университет

Университет Сиднея в Австралии провел Polywell экспериментов, ведущий к пяти работам в физике плазмы . Они также опубликовали две кандидатские диссертации и представили свои работы на конференциях IEC Fusion.

В статье, опубликованной в мае 2010 года, обсуждалась способность небольшого устройства захватывать электроны. В документе утверждается, что машина имеет идеальную напряженность магнитного поля, которая максимизирует ее способность улавливать электроны. В статье проанализировано магнитное удержание в полыноях с использованием аналитических решений и моделирования. Работа связала полиямное магнитное удержание с теорией магнитного зеркала . 2011 работы используется частицы в ячейке моделирования для модели движения частиц в polywells с малым электронным населением. Электроны вели себя аналогично частицам в биконическом каспе .

В статье 2013 года было измерено отрицательное напряжение внутри 4-дюймовой алюминиевой поливарны. Тесты включали измерение внутреннего пучка электронов, сравнение машины с магнитным полем и без него , измерение напряжения в разных местах и ​​сравнение изменений напряжения с напряженностью магнитного и электрического поля.

В статье 2015 года, озаглавленной «Синтез в устройстве инерционного электростатического удержания с магнитной экранированной сеткой», была представлена ​​теория термоядерной системы с инерционным электростатическим удержанием (IEC) с сеткой, которая показывает, что чистый выигрыш энергии возможен, если сетка магнитно защищена от воздействия ионов. Анализ показал, что даже в дейтериево-дейтериевой системе в лабораторных масштабах возможна работа лучше, чем безубыточная. Предлагаемое устройство имело необычное свойство, позволяющее избежать как потерь на острие традиционных магнитных термоядерных систем, так и потерь в сети традиционных конфигураций IEC.

Иранский научно-исследовательский институт ядерной науки и технологий

В ноябре 2012 года информационное агентство Trend сообщило, что Организация по атомной энергии Ирана выделила «8 миллионов долларов» на исследования по инерционному электростатическому удержанию, и примерно половина из них была потрачена. Финансируемая группа опубликовала статью в Journal of Fusion Energy , в которой говорилось, что было проведено моделирование поливарны по принципу "частицы в ячейках". Исследование показало, что регулировка глубины скважин и ионного фокуса может быть достигнута путем изменения напряженности поля, и ссылались на более ранние исследования с традиционными фьюзерами. Группа запускала фузор в непрерывном режиме при -140 кВ и токе 70 мА с DD-топливом, производя 2 × 10 7 нейтронов в секунду.

Университет Висконсина

Исследователи выполнили моделирование Власова – Пуассона с использованием частиц в ячейках на поливелле. Это было профинансировано за счет стипендии для аспирантов по науке и технике национальной обороны и было представлено на конференции Американского физического общества в 2013 году .

Convergent Scientific, Inc.

Convergent Scientific, Inc. (CSI) - американская компания, основанная в декабре 2010 года и базирующаяся в Хантингтон-Бич, Калифорния. Они испытали свою первую конструкцию поливаннов, Model 1, в установившемся режиме с января до конца лета 2012 года. MaGrid был сделан из уникальной полой проволоки ромбовидной формы, по которой протекали электрический ток и жидкий хладагент. Они прилагают усилия для создания небольшого полигона, синтезирующего дейтерий . Компания подала несколько патентов, а осенью 2013 года провела серию интернет-презентаций для инвесторов. Доклады упоминают столкновения плазменных неустойчивостей включая диокотронный , два поток и вейбелевские нестабильность. Компания хочет производить и продавать азот-13 для сканирования ПЭТ .

Исследование лучистой материи

Radiant Matter - голландская организация, которая построила фузоры и планирует построить поливелл.

ПротонБорон

ProtonBoron - это организация, которая планирует построить поливелл на основе протон-бора.

Прогрессивные решения Fusion

Progressive Fusion Solutions - это исследовательский стартап IEC, который исследует устройства типа Fusor и Polywell.

Корпорация Fusion One

Fusion One Corporation была американской организацией, основанной доктором Полом Зиком (бывший ведущий физик EMC2), доктором Скоттом Корнишем из Сиднейского университета и Рэндаллом Волбергом. Он работал с 2015 по 2017 год. Они разработали магнито-электростатический реактор под названием «F1», частично основанный на поливелле. Он представил систему установленных снаружи электромагнитных катушек с установленными внутри катодными отражающими поверхностями, чтобы обеспечить средства сохранения энергии и потерь частиц, которые в противном случае были бы потеряны через магнитные выступы. В ответ на выводы Тодда Райдера 1995 года о балансе мощности была разработана новая аналитическая модель, основанная на этой функции восстановления, а также на более точной квантово-релятивистской трактовке потерь на тормозное излучение, которой не было в анализе Райдера. Версия 1 аналитической модели была разработана старшим физиком-теоретиком д-ром Владимиром Мирновым и продемонстрировала значительную кратную чистую прибыль с DT и достаточную кратную с DD для использования для выработки электроэнергии. Эти предварительные результаты были представлены на ежегодной обзорной встрече ARPA-E ALPHA 2017. Фаза 2 модели удалила ключевые допущения в анализе Райдера, включив самосогласованную трактовку распределения ионов по энергии (Райдер предположил чисто максвелловское распределение) и мощности, необходимой для поддержания распределения и населенности ионов. Результаты дали распределение энергии, которое было нетепловым, но скорее максвелловским, чем моноэнергетическим. Входная мощность, необходимая для поддержания распределения, была рассчитана как чрезмерная, и ион-ионная термализация была основным каналом потерь. С этими добавлениями путь к коммерческому производству электроэнергии стал невозможен.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки