Migma - Migma

Migma , noen ganger migmatron eller migmacell , var et foreslått kolliderende bjelke fusjonsreaktor laget av Bogdan Maglich i 1969. Migma benytter selv kryssende stråler av ioner fra små partikkel-akseleratorer for å tvinge de ioner til sikring. Lignende systemer som bruker større partikelsamlinger, opp til mikroskopisk støvstørrelse , ble referert til som " makroner ". Migma var et område for noe forskning på 1970- og begynnelsen av 1980 -tallet, men mangel på finansiering forhindret videre utvikling.

Konvensjonell fusjon

Fusjon finner sted når atomer kommer i umiddelbar nærhet og den kjernefysiske kraften trekker kjernene sammen. Motvirkning av denne prosessen er det faktum at kjernene alle er positivt ladet, og dermed avviser hverandre på grunn av den elektrostatiske kraften . For at fusjon skal skje, må kjernene ha nok energi til å overvinne denne coulomb -barrieren . Barrieren senkes for atomer med mindre positiv ladning, de med færrest protoner , og den sterke kraften økes med ytterligere nukleoner, totalt antall protoner og nøytroner . Dette betyr at en kombinasjon av deuterium og tritium har den laveste coulomb -barrieren, på omtrent 100 keV (se krav til fusjon ).

Når drivstoffet blir oppvarmet til høy energi, skilles elektronene fra kjernene, som blir igjen som ioner i et gasslignende plasma . Eventuelle partikler i en gass fordeles over et bredt spekter av energier i et spekter kjent som Maxwell - Boltzmann -fordelingen . Ved en gitt temperatur har størstedelen av partiklene lavere energier, med en "lang hale" som inneholder et mindre antall partikler ved mye høyere energier. Så mens 100 KeV representerer en temperatur på over en milliard grader, trenger drivstoffet ikke å bli oppvarmet til denne temperaturen som helhet for å produsere fusjonshendelser. Selv ved en mye lavere temperatur kan fusjonshastigheten blant de lange haledelene være høy nok til å gi nyttig effekt så lenge den er begrenset i en periode. Økt tetthet øker også hastigheten, ettersom energien fra reaksjonene vil varme opp det omkringliggende drivstoffet og potensielt stimulere til fusjon i det også. Kombinasjonen av temperatur, tetthet og innesperringstid er kjent som Lawson -kriteriet .

To primære tilnærminger har utviklet seg for å angripe fusjonsenergiproblemet . I inertial innesperringsmetoden presses drivstoffet raskt til ekstremt høy tetthet, noe som øker den interne temperaturen i prosessen. Det er ikke noe forsøk på å opprettholde disse forholdene i noen periode, drivstoffet eksploderer utover så snart kraften slippes. Innesperringstiden er i størrelsesorden nanosekunder, så temperaturene og tettheten må være veldig høy for at en betydelig mengde drivstoff skal gjennomgå fusjon. Denne tilnærmingen har vært vellykket med å produsere fusjonsreaksjoner, men til dags dato krever enhetene som kan gi komprimering, vanligvis lasere , mer energi enn reaksjonene produserer.

I den mer utbredte magnetiske innesperringsmetoden er plasmaet, som er elektrisk ladet, begrenset med magnetfelt. Drivstoffet blir langsomt oppvarmet til noe av drivstoffet i halen av temperaturfordelingen begynner å gjennomgå fusjon. Ved temperaturer og tettheter som er mulig ved bruk av magneter, er fusjonsprosessen ganske treg, så denne tilnærmingen krever lange innesperringstider i størrelsesorden titalls sekunder, eller til og med minutter. Det har vist seg vanskelig å begrense en gass ved millioner av grader for denne typen tidsskala, selv om moderne eksperimentelle maskiner nærmer seg forholdene som er nødvendige for netto kraftproduksjon.

Migma fusjon

Den kolliderende stråle -tilnærmingen unngikk problemet med å varme opp drivstoffmassen til disse temperaturene ved å akselerere ionene direkte i en partikkelakselerator .

Den enkle måten å lage et slikt system på er å ta to akseleratorer og rette dem mot hverandre. Imidlertid er sjansen for at to ioner skal kollidere uendelig liten; de fleste ionene ville fly av hverandre og energien ville gå tapt. For å gjøre et slikt system praktisk når det gjelder energi, må partiklene resirkuleres slik at de har mange sjanser til å kollidere. En måte å gjøre dette på er å bruke en lagringsring , men de ionene som kommer nær en reaksjon spres ut i høye vinkler som får dem til å gå ut av ringene. Enkel matematikk viste at denne tilnærmingen ikke ville fungere; tapshastigheten fra disse nestenulykkene ville alltid være mye høyere enn energien fra fusjonsreaksjoner.

Maglichs konsept endret arrangementet basert på et nytt partikkellagringskonsept han hadde oppfunnet, kjent som "precetron". I et typisk lagringsringkonsept blir partiklene skutt inn i ringen "ende på" med en bestemt energi, slik at de følger ringens vei. I kontrast er lagringsområdet et magnetisk speil i precetronen . I de fleste magnetiske speilarrangementer er gjennomsnittlig partikkelenergi relativt lav, og ionene og elektronene har relativt små baner rundt de magnetiske kraftlinjene, mye mindre i radius enn speilets diameter som helhet. I precetronen har ionene mye høyere energier, og dermed mye større baner, og tar opp en betydelig del av speilets diameter, omtrent 13 til 12 . I dette arrangementet vil ionene ha en tendens til å bevege seg mot midten av speilvolumet, i stedet for å reflektere frem og tilbake mellom endene som i det klassiske speiloppsettet.

I tillegg, på grunn av arrangementet av feltene, med feltet som er sterkere på utsiden av volumet, vil ionebane gå rundt det indre området. Dette får sirkelbanen til å bevege rotasjonssenteret. For eksempel, hvis partikkelen i utgangspunktet blir skutt inn i lagringsområdet slik at den går i bane rundt den nedre halvdelen av speilområdet, vil den sakte bevege seg slik at banen er på den ene siden, deretter toppen, den andre siden og deretter bunn igjen. Hvis man sporer banen til et enkelt ion over tid, danner det et mønster som ligner det på en spirograf , og skaper en serie sirkler som fyller volumet.

Nøkkelen til å bruke dette konseptet i migmasystemet var å fyre ionene inn i kammeret med riktig energi slik at deres veier gikk gjennom speilets geometriske sentrum. Etter kort tid ville denne bane gå vekk fra det opprinnelige inngangspunktet. Når et annet ion fyres inn, tar det opp den opprinnelige bane. Over tid ville kammeret fylle med ioner som kretset rundt det som faktisk var et uendelig antall lagringsringer som alle krysser hverandre i midten. Og fordi de møttes i midten, beveget ioner seg på motsatt side av kammeret i motsatte retninger da de møttes, så en enkelt akselerator ga en effekt som ligner to akseleratorer og to lagringsringer i den konvensjonelle utformingen.

En stor fordel med denne tilnærmingen er at spredning av ionene fremover i "tapte" reaksjoner ganske enkelt ville flytte dem til en annen bane, men deres naturlige bevegelse i speilfeltet ville raskt bringe dem tilbake til sentrum. Det var bare de ionene som spredte seg til en stor vinkel utenfor aksen som ville slippe unna. Som et resultat, ble det forventet at en hvilken som helst gitt ion vil ta omtrent 10 8 baner gjennom reaksjonsområdet før spredning ut av systemet. Begrepet "migma", fra det greske ordet for "blanding", ble valgt for å skille denne massen av kretsende ioner fra plasmaet i konvensjonelle maskiner.

Reaktorer

En serie med fire Migma -reaktorer ble bygget; den opprinnelige Migma (med tilbakevirkende kraft, Migma I) i 1973, Migma II i 1975, Migma III i 1976, og til slutt kulminerte den med Migma IV i 1982. Disse enhetene var relativt små, bare noen få meter lange langs gasspedalen med en skive -formet målkammer ca 2 meter i diameter og 1 meter tykt. Migma testbed -enheter brukte akseleratorer på omtrent 1 MeV til 2 MeV.

Migma-designene tar sikte på å bruke aneutroniske drivstoff , spesielt D-He3-reaksjonen, som krever mye høyere temperaturer for å komme til antenning enn den typiske DT-reaksjonen. Migma II klarte å nå den nødvendige temperaturen, omtrent 15 milliarder grader, i 1975. Migma IV satte rekord for innesperringstid på 25 sekunder i 1982, samt rekordfusjon trippelprodukt (tetthet × energiinnesperringstid × gjennomsnittlig energi ) på 4 × 10 14  keV sek cm −3 , en rekord som ikke ble oppsøkt av en konvensjonell tokamak før JET oppnådde 3 × 10 14  keV sek cm −3 i 1987.

For å gjøre en Migma stor nok til å produsere netto energi, må det tredobbelte produktet som Migma IV når, økes mellom 100 og 1000 ganger. Maglich forsøkte å sikre finansiering for en oppfølgingsdesign en stund, uten hell. I følge en artikkel i The Scientist har Maglich vært involvert i en voldsom debatt med de forskjellige finansieringsbyråene siden 1980 -tallet.

Problemer

Da Migma -designet først ble vurdert, ble det modellert ved hjelp av partikkelakseleratorteknikker. Det var ingen dyp vurdering av designenes beta , forholdet mellom magnetfeltet og plasmatrykket. I konvensjonelle design, som det tradisjonelle speilet, er beta en nøkkelytelse som indikerer hvor kraftige magnetene trenger for en gitt mengde drivstoff inne i reaktoren. Prisen på magneter skaleres med kraften, så dette gir et grovt estimat av reaktorens økonomi. I Migma er det ikke noe plasma i konvensjonell forstand, så det var ikke klart at denne vurderingen gjaldt - så lenge en matchet feltet til energien til ionene slik at de forble begrenset, ble de tekniske behovene dekket.

Men kontinuerlig fôring av ioner fører til et åpenbart problem, reaksjonskammeret vil bli stadig mer positivt ladet. Dette produserte et ytre trykk som var lik trykket fra et konvensjonelt plasma forårsaket av den ideelle gassloven . Til slutt ville dette trykket overvelde magnetfeltet, uavhengig av energien til partiklene. For å holde seg under denne grensen, vil tettheten av partiklene måtte være meget lav, omtrent Anmeldelse for 1. / 1000 som i et vanlig speil utforming.

Man kan oppveie denne effekten ved å injisere elektroner så vel som ioner, slik at det makroskopiske volumet blir nøytralisert. Dette fører imidlertid til to nye effekter som gjør at energi går tapt fra reaktoren. Det ene er at elektronene vil påvirke ionene tilfeldig, noe som får dem til å nøytralisere, noe som betyr at de ikke lenger er utsatt for magnetfeltet og fritt til å forlate reaksjonskammeret. Selv når en slik nøytralisering ikke skjedde, ville innvirkningene mellom elektronene og ionene føre til at elektronene frigjorde energi gjennom både bremsstrahlung og synkrotronstråling .

Ved en viss kritisk elektrontetthet vil disse tapene være større enn mengden energi som mates inn i systemet av akseleratorene. For å løse dette var designene beregnet på å fungere med svært lave elektrontall, i størrelsesorden ett elektron for hver 100 ioner. Dette fører til en betydelig begrensning på de mulige driftsparametrene til designet; hvis elektrontellene er lave, må drivstofftettheten være lav for å unngå at den positive ladningen overvelder magneter, men hvis elektrondensiteten økes for å tillate høyere drivstofftetthet, begynner tapene å øke gjennom elektroneffekter.

For å forbedre dette tallet ble det foreslått at en andre akselerator skyter elektroner inn i kammeret også; hvis elektroner møtte ioner ville de nøytralisere, og som sådan ville de ikke lenger være utsatt for magnetfeltene og forlate kammeret. Nøkkelen til å få dette til å fungere ville være å sende elektronene inn i midten, der de langsommere ionene som ikke lenger var nyttige var å massere. Frie elektroner skulle også fjernes av enheter i reaktorkammeret.

På slutten av 1990 -tallet antydet en generalisert vurdering av disse problemene at Migma ikke var alene om dette problemet; Når man vurderer bremsstrahlung i ikke-termisk brensel, ser det ut til at intet system som kjører på aneutronisk drivstoff kan nærme seg tenning, at ethvert system som bruker ikke-termisk brensel (inkludert Migma) ser ut til å kunne dekke tapene. Den eneste tilnærmingen som ser ut til å ha en teoretisk mulighet til å arbeide, er DT- eller kanskje DD -reaksjonen i en termisk plasmamasse.

Referanser

Eksterne linker