Polywell - Polywell

Den Polywell er en foreslått konstruksjon for en fusjonsreaktor ved hjelp av et elektrisk felt for å varme opp ioner til sammensmeltingstilstander.

Designet er relatert til fusoren , high beta -fusjonsreaktoren , det magnetiske speilet og det bikoniske cusp . Et sett med elektromagneter genererer et magnetfelt som fanger elektroner . Dette skaper en negativ spenning, som tiltrekker seg positive ioner . Når ionene akselererer mot det negative sentrum, stiger kinetisk energi . Ioner som kolliderer ved høy nok energi kan smelte sammen .

Mekanisme

Fusor

En hjemmelaget fusor
Farnsworth - Hirsch fusor under drift i såkalt "stjernemodus" preget av "stråler" av glødende plasma som ser ut til å komme fra hullene i det indre rutenettet.

En Farnsworth-Hirsch fusor består av to trådbur , det ene inne i det andre, ofte referert til som rutenett, som er plassert inne i et vakuumkammer . Det ytre buret har en positiv spenning kontra det indre buret. Et drivstoff, vanligvis deuteriumgass , injiseres i dette kammeret. Det varmes opp forbi ioniseringstemperaturen , noe som gir positive ioner . Ionene er positive og beveger seg mot det negative indre buret. De som savner ledningene i det indre buret flyr gjennom midten av enheten i høye hastigheter og kan fly ut den andre siden av det indre buret. Når ionene beveger seg utover, driver en Coulomb -kraft dem tilbake mot midten. Over tid kan det dannes en kjerne av ionisert gass inne i det indre buret. Ioner passerer frem og tilbake gjennom kjernen til de rammer enten rutenettet eller en annen kjerne. De fleste kjerneangrep resulterer ikke i fusjon. Rasterangrep kan øke temperaturen på rutenettet i tillegg til å tære det. Disse angrepene leder masse og energi vekk fra plasmaet, i tillegg til at metallioner kommer ned i gassen, som avkjøler den.

I fusorer er den potensielle brønnen laget med et trådbur . Fordi de fleste ionene og elektronene faller inn i buret, lider fusorer av store ledningstap . Derfor har ingen fusor kommet nær energibalanse.

Figur 1 : Illustrasjon av den grunnleggende fusjonsmekanismen i fusorer. (1) Fusoren inneholder to konsentriske trådbur. Katoden (blå) er inne i anoden (rød). (2) Positive ioner tiltrekkes av den indre katoden. Det elektriske feltet virker på at ionene oppvarmer dem til fusjonsforhold. (3) Ionene savner det indre buret. (4) Ionene kolliderer i midten og kan smelte sammen.

Polywell

Figur 1 : Skisse av en MaGrid i en polywell

Hovedproblemet med fusoren er at det indre buret leder bort for mye energi og masse. Løsningen, foreslått av Robert Bussard og Oleg Lavrentiev , var å erstatte det negative buret med en "virtuell katode" laget av en sky av elektroner.

En polywell består av flere deler. Disse settes inne i et vakuumkammer

  • Et sett med positivt ladede elektromagnetspoler arrangert i et polyeder . Det vanligste arrangementet er en sekssidig terning . De seks magnetiske polene peker i samme retning mot midten. Magnetfeltet forsvinner i midten ved symmetri, og skaper et nullpunkt.
  • Elektronpistoler vendt mot ringaksen. Disse skyter elektroner inn i midten av ringstrukturen. Når de er inne, er elektronene begrenset av magnetfeltene. Dette er målt i polywells ved bruk av Langmuir -prober . Elektroner som har nok energi til å slippe ut gjennom de magnetiske knivene kan tiltrekkes på nytt av de positive ringene. De kan bremse farten og gå tilbake til innsiden av ringene langs tuppene. Dette reduserer ledningstap og forbedrer maskinens generelle ytelse. Elektronene fungerer som et negativt spenningsfall som tiltrekker seg positive ioner. Dette er en virtuell katode .
  • Gasspuffer i hjørnet. Gass puffes inne i ringene der det ioniserer ved elektronskyen. Når ioner faller ned i den potensielle brønnen, fungerer det elektriske feltet på dem og varmer den opp til fusjonsforhold. Ionene bygger opp fart. De kan smelle sammen i midten og smelte sammen. Ioner er elektrostatisk begrenset og øker tettheten og øker fusjonshastigheten.

Den magnetiske energitettheten som kreves for å begrense elektroner er langt mindre enn den som kreves for å direkte begrense ioner, slik det gjøres i andre fusjonsprosjekter som ITER .

Magnetiske fangstmodeller

Figur 2 : Et plott av magnetfeltet generert av MaGrid inne i en polywell. Nullpunktet er markert med rødt i midten.

Magnetiske felt utøver et trykk på plasmaet. Beta er forholdet mellom plasmatrykk og magnetfeltstyrken. Det kan defineres separat for elektroner og ioner. Polywell angår seg selv bare for elektron beta, mens ion beta er av større interesse i Tokamak og andre nøytrale plasmamaskiner. De to varierer med et veldig stort forhold på grunn av den enorme masseforskjellen mellom et elektron og et hvilket som helst ion. Vanligvis i andre enheter blir elektronbeta neglisjert, ettersom ion beta bestemmer viktigere plasmaparametere. Dette er et betydelig forvirringspunkt for forskere som er mer kjent med mer 'konvensjonell' fusjonsplasmafysikk.

Vær oppmerksom på at for elektron beta, bare elektron nummer tetthet og temperatur brukes, som begge disse, men spesielt sistnevnte, kan variere betydelig fra ion parametere på samme sted.

De fleste forsøk på polywells innebære lav-beta plasma regimer (hvor β <1), hvor plasmatrykket er svak i forhold til den magnetiske trykk . Flere modeller beskriver magnetisk fangst i polybrønner. Tester indikerte at plasmakapasiteten er forbedret i en magnetisk spisskonfigurasjon når β (plasmatrykk/magnetfelttrykk) er av ordenenhet. Denne forbedringen er nødvendig for at en fusjonskraftreaktor basert på innesperring skal være mulig.

Magnetisk speil

Magnetisk speil dominerer i design med lav beta. Både ioner og elektroner reflekteres fra felt med høy til lav tetthet. Dette er kjent som den magnetiske speileffekten. Polywells ringer er ordnet slik at de tetteste feltene er på utsiden og fanger elektroner i midten. Dette kan fange partikler ved lave betaverdier.

Cusp innesperring

Figur 3 : Polywell cusps. Linjespissen går langs sømmen mellom to elektromagneter. Den morsomme spissen er spenningen mellom tre magneter, som løper langs hjørnene. Point cusp ligger i midten av en elektromagnet.

Under høye betatilstander kan maskinen operere med innesperring. Dette er en forbedring i forhold til det enklere magnetiske speilet. MaGrid har seks punktspenner, hver plassert i midten av en ring; og to sterkt modifiserte line cusps, som forbinder de åtte hjørne cusps plassert på kube hjørner. Nøkkelen er at disse to line cusps er mye smalere enn single line cusp i magnetiske speilmaskiner, så nettotapene er mindre. Tapene på to linjeknuter ligner eller er lavere enn de seks ansiktssentrerte punktknivene.

Frigrensende plasma

I 1955 teoretiserte Harold Grad at et høyt beta- plasmatrykk kombinert med et magnetisk felt ville forbedre plasmakapasiteten. Et diamagnetisk plasma avviser de ytre feltene og plugger tappene. Dette systemet ville være en mye bedre felle.

Cusped innesperring ble utforsket teoretisk og eksperimentelt. Imidlertid mislyktes de fleste eksperimenter og forsvant fra nasjonale programmer innen 1980. Bussard kalte senere denne typen innesperring Wiffle-Ball . Denne analogien ble brukt til å beskrive elektronfangst inne i feltet. Marmor kan bli fanget inne i en Wiffle -ball , en hul, perforert sfære; Hvis kuler settes inn, kan de rulle og noen ganger rømme gjennom hullene i sfæren. Den magnetiske topologien til en høy-beta-polywell virker på samme måte som elektroner.

Denne figuren viser utviklingen av det foreslåtte "wiffle ball" -begrensningskonseptet. Tre rader med figurer er vist: magnetfeltet, elektronbevegelsen og plasmatettheten inne i polyhuset. (A) feltet er superposisjonen til seks ringer i en eske. I midten er et nullpunkt - en sone uten magnetfelt. Plasmaet er magnetisert , noe som betyr at plasma og magnetfelt blander seg. (B) Når plasma injiseres, stiger tettheten. (C) Etter hvert som plasmatettheten stiger, blir plasmaet mer diamagnetisk , noe som får det til å avvise det ytre magnetfeltet. Når plasmaet presser utover, stiger tettheten til det omkringliggende magnetfeltet. Dette strammer korketrekkerbevegelsen til partiklene utenfor sentrum. En skarp grense dannes. Det er spådd en strøm på denne grensen. (D) Hvis trykket finner likevekt ved en beta på en, bestemmer dette formen på plasmaskyen. (E) I midten er det ikke noe magnetfelt fra ringene. Dette betyr at bevegelsen inne i feltet fri radius skal være relativt rett eller ballistisk.

I mange tiår har cusped innesperring aldri oppført seg eksperimentelt slik det var forutsagt. Kraftig bøyde felt ble brukt av Lawrence Livermore National Laboratory i en serie magnetiske speilmaskiner fra slutten av 1960-tallet til midten av 1980-tallet. Etter at hundrevis av millioner ble brukt, lekket maskinene fremdeles plasma i feltendene. Mange forskere flyttet fokuset til å sløyfe feltene til en tokamak . Til slutt ble det antatt at cusped innesperringseffekt ikke eksisterte.

I juni 2014 publiserte EMC2 et fortrykk som ga bevis på at effekten er ekte, basert på røntgenmålinger og magnetiske fluksmålinger under eksperimentet.

Ifølge Bussard er typisk cusp -lekkasjefrekvens slik at et elektron gjør 5 til 8 passeringer før det rømmer gjennom et cusp i en standard speilinneslutning biconic cusp; 10 til 60 passerer i en polywell under speilinnesperring (lav beta) som han kalte cusp confinement; og flere tusen pasninger i Wiffle-Ball innesperring (høy beta).

I februar 2013 kunngjorde Lockheed Martin Skunk Works en ny kompakt fusjonsmaskin, high beta -fusjonsreaktoren , som kan være relatert til biconic cusp og polywell, og arbeider på β  = 1.

Annen oppførsel

Enkelt-elektron bevegelse

Figur 4 : Illustrasjon av enkelt elektronbevegelse inne i polywell. Den er basert på tall fra "Lav beta -innesperring i en polywell modellert med konvensjonelle point cusp -teorier", men er ikke en eksakt kopi.

Når et elektron kommer inn i et magnetfelt, kjenner det en Lorentz -kraft og korketrekkere. Radiusen til denne bevegelsen er gyroradius . Når den beveger seg, mister den litt energi som røntgenstråler , hver gang den endrer hastighet. Elektronet spinner raskere og strammere i tettere felt når det kommer inn i MaGrid. Inne i MaGrid reiser enkle elektroner rett gjennom nullpunktet, på grunn av deres uendelige gyroradius i områder uten magnetfelt. Deretter går de mot kantene på MaGrid -feltet og korketrekker strammere langs de tettere magnetfeltlinjene. Dette er typisk elektron -syklotronresonansbevegelse . Gyroradius deres krymper, og når de treffer et tett magnetfelt kan de reflekteres ved hjelp av den magnetiske speileffekten. Elektronfangst er målt i polybrønner med Langmuir -sonder .

Polywell prøver å begrense ionene og elektronene på to forskjellige måter, lånt fra fusorer og magnetiske speil . Elektronene er lettere å begrense magnetisk fordi de har så mye mindre masse enn ionene. Maskinen begrenser ioner ved hjelp av et elektrisk felt på samme måte som en fusor begrenser ionene: i polywell tiltrekkes ionene til den negative elektronskyen i midten. I fusoren tiltrekkes de av et negativt trådbur i midten.

Plasma resirkulering

Plasma resirkulering ville forbedre funksjonen til disse maskinene betydelig. Det har blitt hevdet at effektiv resirkulering er den eneste måten de kan være levedyktig. Elektroner eller ioner beveger seg gjennom enheten uten å treffe en overflate, noe som reduserer ledningstap . Bussard understreket dette; understreker spesielt at elektroner må bevege seg gjennom alle maskinens klynger.

Figur 5 : Termalisert plasmaion -energifordeling inne i en polywell. Denne modellen forutsetter en maxwellian ion -populasjon, delt inn i forskjellige grupper. (1) ionene som ikke har nok energi til å smelte sammen, (2) ionene ved injeksjonsenergien (3) ionene som har så mye kinetisk energi at de slipper unna.

Modeller for energifordeling

Figur 6 : Ikke-termalisert plasmaenergifordeling inne i en polywell. Det hevdes at området med umagnetisert rom fører til elektronspredning, dette fører til en monoenergetisk fordeling med en kald elektronhale. Dette støttes av todimensjonale partikkel-i-celle simuleringer.

Fra 2015 var det ikke bestemt hva som er ion- eller elektronenergifordelingen. Den energifordeling av plasma kan måles ved hjelp av en Langmuir sonde . Denne sonden absorberer ladning fra plasmaet når spenningen endres, og lager en IV -kurve . Fra dette signalet kan energifordelingen beregnes. Energifordelingen både driver og drives av flere fysiske hastigheter, elektron- og ionetapshastigheten, energitapshastigheten ved stråling , fusjonshastigheten og frekvensen av ikke-fusjonskollisjoner. Kollisjonshastigheten kan variere sterkt i systemet:

  • På kanten: hvor ioner er sakte og elektronene er raske.
  • I sentrum: hvor ioner er raske og elektroner er sakte.

Kritikere hevdet at både elektronene og ionebestandene har fordeling av klokkekurver ; at plasmaet er termisk . Begrunnelsen er at jo lenger elektronene og ionene beveger seg inne i polyhuset, desto flere interaksjoner som de gjennomgår, fører til termikalisering. Denne modellen for ionefordelingen er vist i figur 5.

Tilhengere modellerte et ikke -termisk plasma . Begrunnelsen er den store mengden spredning i enhetssenteret. Uten et magnetfelt spres elektroner i denne regionen. De hevdet at denne spredningen fører til en monoenergetisk fordeling, som den som er vist i figur 6. Dette argumentet støttes av todimensjonale partikkel-i-celle simuleringer. Bussard hevdet at konstant elektroninjeksjon ville ha samme effekt. En slik fordeling vil bidra til å opprettholde en negativ spenning i senteret, og forbedre ytelsen.

Hensyn til nettokraft

Drivstoff type

Figur 7 : Plott av tverrsnittet av forskjellige fusjonsreaksjoner.

Kjernefusjon refererer til kjernefysiske reaksjoner som kombinerer lettere kjerner til å bli tyngre kjerner. Alle kjemiske elementer kan smeltes sammen; for elementer med færre protoner enn jern, endrer denne prosessen masse til energi som potensielt kan fanges opp for å gi fusjonskraft .

Den sannsynlighet av et fusjons reaksjon som finner sted er styrt av tverrsnittet av drivstoffet, som i sin tur er en funksjon av dens temperatur. De enkleste kjernene å smelte er deuterium og tritium . Fusjonen deres oppstår når ionene når 4 keV ( kiloelektronvolt ), eller omtrent 45 millioner kelvin . Polywell ville oppnå dette ved å akselerere et ion med en ladning på 1 ned et 4000 volt elektrisk felt. De høye kostnadene, korte halveringstiden og radioaktiviteten til tritium gjør det vanskelig å jobbe med.

Den nest enkleste reaksjonen er å smelte deuterium med seg selv. På grunn av de lave kostnadene, brukes deuterium ofte av Fusor -amatører. Bussards polywell -eksperimenter ble utført ved bruk av dette drivstoffet. Fusjon av deuterium eller tritium gir et raskt nøytron, og produserer derfor radioaktivt avfall. Bussards valg var å smelte bor-11 med protoner; denne reaksjonen er aneutronisk (produserer ikke nøytroner). En fordel med p- 11 B som fusjonsbrensel er at den primære reaktoreffekten vil være energiske alfapartikler, som kan konverteres direkte til elektrisitet ved høy effektivitet ved hjelp av direkte energiomstilling . Direkte konvertering har oppnådd en effektivitet på 48% mot 80–90% teoretisk effektivitet.

Lawson -kriterium

Energien generert ved fusjon inne i en varm plasmasky kan bli funnet med følgende ligning:

hvor:

  • er fusjonseffekttettheten (energi per tid per volum),
  • n er antallet tetthet av art A eller B (partikler per volum),
  • er produktet av kollisjonstverrsnittet σ (som avhenger av den relative hastigheten) og den relative hastigheten til de to artene v , gjennomsnittlig over alle partikkelhastighetene i systemet.

Energi varierer med temperatur, tetthet, kollisjonshastighet og drivstoff. For å nå netto kraftproduksjon må reaksjoner skje raskt nok til å gjøre opp for energitap. Plasmaskyer mister energi gjennom ledning og stråling . Konduksjon er når ioner , elektroner eller nøytrale berører en overflate og rømmer. Energi går tapt med partikkelen. Stråling er når energi slipper ut som lys. Stråling øker med temperaturen. For å få netto kraft fra fusjon, må disse tapene overvinnes. Dette fører til en ligning for effekt.

Netto effekt = Effektivitet × (fusjon - tap av stråling - tap av ledning)

  • Net Power - effekt
  • Effektivitet - brøkdel av energi som trengs for å drive enheten og konvertere den til elektrisitet.
  • Fusjon - energi generert av fusjonsreaksjonene.
  • Stråling - energi tapt som lys og forlater plasmaet.
  • Konduksjon - tapt energi når masse forlater plasmaet.

Lawson brukte denne ligningen for å estimere forholdene for netto strøm basert på en Maxwellian sky.

Lawson -kriteriet gjelder imidlertid ikke for Polywells hvis Bussards formodning om at plasmaet er ikke -termisk er riktig. Lawson uttalte i sin grunnleggende rapport: "Det er selvfølgelig lett å postulere systemer der partikkels hastighetsfordeling ikke er Maxwellian. Disse systemene er utenfor denne rapporten." Han utelukket også muligheten for at et ikke -termisk plasma kan antennes: "Ingenting kan oppnås ved å bruke et system der elektroner har en lavere temperatur [enn ioner]. Energitapet i et slikt system ved overføring til elektronene vil alltid være større enn energien som ville bli utstrålt av elektronene hvis de hadde [samme] temperatur. "

Kritikk

Todd Rider beregnet at røntgenstrålingstap med dette drivstoffet ville overstige produksjonen av fusjonskraft med minst 20%. Riders modell brukte følgende forutsetninger:

  • Plasmaet var quasineutral . Derfor blandes positivt og negativt like godt.
  • Drivstoffet ble jevnt blandet gjennom volumet.
  • Plasmaet var isotrop, noe som betyr at dets oppførsel var den samme i en gitt retning.
  • Plasmaet hadde en jevn energi og temperatur i hele skyen.
  • Plasmaet var en ustrukturert gaussisk sfære, med en sterkt konvergerende kjerne som representerte en liten (~ 1%) del av det totale volumet. Nevins utfordret denne antagelsen og uttalte at partiklene ville bygge opp vinkelmoment og få den tette kjernen til å brytes ned. Tapet av tetthet inne i kjernen vil redusere fusjonshastigheten.
  • Den potensielle brønnen var bred og flat.

Basert på disse forutsetningene brukte Rider generelle ligninger for å estimere frekvensen av forskjellige fysiske effekter. Disse inkluderte tap av ioner til oppspredning, ionetermaliseringshastigheten, energitapet på grunn av røntgenstråling og fusjonshastigheten. Hans konklusjoner var at enheten led av "grunnleggende feil".

Derimot argumenterte Bussard for at plasmaet hadde en annen struktur, temperaturfordeling og brønnprofil. Disse egenskapene er ikke fullt ut målt og er sentrale for enhetens gjennomførbarhet. Bussards beregninger indikerte at bremsstrahlungtapene ville være mye mindre. I følge Bussard gjør den høye hastigheten og derfor det lave tverrsnittet for Coulomb -kollisjoner av ionene i kjernen svært lite sannsynlig at termiserende kollisjoner, mens den lave hastigheten ved felgen betyr at termalisering nesten ikke påvirker ionehastigheten i kjernen. Bussard beregnet at en polywell -reaktor med en radius på 1,5 meter ville produsere netto -effekt som smelter deuterium .

Andre studier motbeviste noen av forutsetningene fra Rider og Nevins, og argumenterte for den virkelige fusjonshastigheten og den tilhørende resirkuleringskraften (nødvendig for å overvinne den termaliserende effekten og opprettholde den ikke-Maxwellianske ionprofilen) kunne estimeres bare med en selvkonsekvent kollisjonsbehandling av ionefordelingsfunksjonen, mangler i Riders arbeid.

Energifangst

Det er blitt foreslått at energi kan ekstraheres fra polywells ved hjelp av varme fange eller, i tilfelle av aneutronic fusjon som D- 3 Han eller p - 11 B, direkte energiomsetning , skjønt det ordningen har utfordringer. De energiske alfapartiklene (opptil noen få MeV) generert av den aneutroniske fusjonsreaksjonen ville gå ut av MaGrid gjennom de seks aksiale klypene som kjegler (spredte ionestråler). Direkte konverteringssamlere inne i vakuumkammeret vil konvertere alfapartiklenes kinetiske energi til en høyspent likestrøm . Alfa -partiklene må bremse før de kommer i kontakt med samlerplatene for å oppnå høy konverteringseffektivitet. I eksperimenter har direkte konvertering vist en konverteringseffektivitet på 48%.

Historie

På slutten av 1960 -tallet studerte flere undersøkelser polyhedrale magnetfelt som en mulighet til å begrense et fusjonsplasma. Det første forslaget om å kombinere denne konfigurasjonen med en elektrostatisk potensialbrønn for å forbedre elektroninneslutning ble fremmet av Oleg Lavrentiev i 1975. Ideen ble plukket opp av Robert Bussard i 1983. Hans patentsøknad fra 1989 siterte Lavrentiev, selv om han i 2006 ser ut til å hevder å ha (re) oppdaget ideen uavhengig.

HEPS

Forskning ble først finansiert av Defense Threat Reduction Agency som begynte i 1987 og senere av DARPA . Denne finansieringen resulterte i en maskin kjent som eksperimentet med høy energikilde (HEPS). Den ble bygget av Directed Technologies Inc. Denne maskinen var en stor (1,9 m på tvers) maskin, med ringene utenfor vakuumkammeret. Denne maskinen fungerte dårlig fordi magnetfeltene sendte elektroner inn i veggene, noe som førte til ledningstap. Disse tapene ble tilskrevet dårlig elektroninjeksjon. Den amerikanske marinen begynte å finansiere prosjektet på lavt nivå i 1992. Krall publiserte resultater i 1994.

Bussard, som hadde vært talsmann for Tokamak -forskning , henvendte seg til talsmann for dette konseptet, slik at ideen ble knyttet til navnet hans. I 1995 sendte han et brev til den amerikanske kongressen om at han bare hadde støttet Tokamaks for å få fusjonsforskning sponset av regjeringen, men han mente nå at det var bedre alternativer.

EMC2, Inc.

Bussard grunnla Energy/Matter Conversion Corporation, Inc. (aka EMC2) i 1985, og etter at HEPS -programmet ble avsluttet, fortsatte selskapet sin forskning. Etterfølgende maskiner ble laget, og utviklet seg fra WB-1 til WB-8. Selskapet vant et SBIR I -stipend i 1992–93 og et SBIR II -stipend i 1994–95, begge fra den amerikanske marinen. I 1993 mottok det et tilskudd fra Electric Power Research Institute . I 1994 mottok selskapet små tilskudd fra NASA og LANL . Fra 1999 ble selskapet først og fremst finansiert av den amerikanske marinen.

WB-1 hadde seks konvensjonelle magneter i en terning. Denne enheten var 10 cm bred. WB-2 brukte spoler av ledninger for å generere magnetfeltet. Hver elektromagnet hadde et firkantet tverrsnitt som skapte problemer. De magnetiske felter drev elektroner inn i metallringene, heve ledetap og elektron overlapping. Denne designen led også av "morsomme knus" -tap ved leddene mellom magneter. WB-6 forsøkte å løse disse problemene ved å bruke sirkulære ringer og avstand lenger fra hverandre. Den neste enheten, PXL-1, ble bygget i 1996 og 1997. Denne maskinen var 26 cm over og brukte flatere ringer for å generere feltet. Fra 1998 til 2005 bygde selskapet en rekke på seks maskiner: WB-3, MPG-1,2, WB-4, PZLx-1, MPG-4 og WB-5. Alle disse reaktorene var seks magnetdesigner bygget som en terning eller avkortet terning . De varierte fra 3 til 40 cm i radius.

Innledende vanskeligheter med sfærisk elektroninneslutning førte til at forskningsprosjektet i 2005 ble avsluttet. Bussard rapporterte imidlertid en fusjonshastighet på 10 9 per sekund med DD -fusjonsreaksjoner på bare 12,5 kV (basert på å påvise ni nøytroner i fem tester, noe som gir et bredt konfidensintervall ). Han uttalte at fusjonshastigheten oppnådd av WB-6 var omtrent 100 000 ganger større enn det Farnsworth oppnådde ved lignende brønndybde og drivforhold. Til sammenligning forskere ved universitetet i Wisconsin-Madison, rapporterte et nøytron hastighet på opp til 5 x 10 9 pr sekund ved spenninger på 120 kV fra en elektro fusor uten magnetfelter.

Bussard hevdet ved bruk av superlederspoler at den eneste betydelige energitapskanalen er gjennom elektrontap proporsjonalt med overflatearealet. Han uttalte også at tettheten vil skalere med kvadratet i feltet (konstante betaforhold ), og det maksimalt oppnåelige magnetfeltet skaleres med radius. Under disse forholdene vil fusjonskraften som produseres skalere med radiusens syvende kraft , og energigevinsten skalere med den femte kraften. Selv om Bussard ikke offentlig dokumenterte begrunnelsen for dette estimatet, ville det, hvis det var sant, muliggjøre en modell som bare var ti ganger større som et fusjonskraftverk.

WB-6

Finansieringen ble strammere og strammere. Ifølge Bussard , "Midlene var tydelig nødvendig for den viktigere krigen i Irak ." En ekstra $ 900k av Office of Naval Research- midler tillot programmet å fortsette lenge nok til å nå WB-6-testing i november 2005. WB-6 hadde ringer med sirkulære tverrsnitt som skiller seg fra hverandre ved leddene. Dette reduserte metalloverflaten uten beskyttelse av magnetfelt. Disse endringene forbedret systemytelsen dramatisk, noe som førte til mer elektronresirkulasjon og bedre elektroninnesperring, i en gradvis strammere kjerne. Denne maskinen produserte en fusjonshastighet på 109 per sekund. Dette er basert på totalt ni nøytroner i fem tester, noe som gir et bredt konfidensintervall. Drivspenning på WB-6-testene var omtrent 12,5 kV, med en potensiell brønndybde på omtrent 10 kV. Dermed kan deuteriumioner ha maksimalt 10 keV kinetisk energi i sentrum. Til sammenligning vil en Fusor som kjører deuteriumfusjon ved 10 kV produsere en fusjonshastighet som er nesten for liten til å oppdage. Hirsch rapporterte en så høy fusjonshastighet bare ved å kjøre maskinen med et 150 kV fall mellom innvendig og utvendig merd. Hirsch brukte også deuterium og tritium , et mye lettere drivstoff å smelte sammen, fordi det har et høyere atomtverrsnitt .

Mens WB-6-pulser var sub-millisekund, følte Bussard at fysikken skulle representere steady state. En siste-minutters test av WB-6 endte for tidlig da isolasjonen på en av de håndsårede elektromagneter brant gjennom og ødela enheten.

Forsøk på å starte finansieringen på nytt

Uten mer finansiering i løpet av 2006 ble prosjektet stoppet. Dette avsluttet den amerikanske marines 11-årige embargo for publisering og publisering mellom 1994 og 2005. Selskapets militæreide utstyr ble overført til SpaceDev , som ansatte tre av teamets forskere. Etter overføringen prøvde Bussard å tiltrekke seg nye investorer og holdt foredrag for å øke interessen for designet hans. Han holdt et foredrag på Google med tittelen: "Skal Google gå kjernefysisk?" Han presenterte og publiserte også en oversikt på den 57. internasjonale astronautiske kongressen i oktober 2006. Han presenterte på en intern Yahoo! Tech Talk 10. april 2007. og talte på internett-radioradioprogrammet The Space Show 8. mai 2007. Bussard hadde planer om WB-8 som var et polyhedron av høyere orden, med 12 elektromagneter. Imidlertid ble dette designet ikke brukt i selve WB-8-maskinen.

Bussard mente at WB-6-maskinen hadde vist fremgang og at det ikke ville være behov for modeller i mellomskala. Han bemerket, "Vi er sannsynligvis de eneste menneskene på planeten som vet hvordan de lager et ekte nettstrømssikkert fusjonssystem" Han foreslo å bygge WB-6 mer robust for å verifisere ytelsen. Etter å ha publisert resultatene, planla han å innkalle til en konferanse med eksperter på feltet i et forsøk på å få dem bak designet hans. Det første trinnet i den planen var å designe og bygge ytterligere to småskalautforminger (WB-7 og WB-8) for å avgjøre hvilken maskin i full skala som ville være best. Han skrev "Det eneste lille maskinarbeidet som gjenstår, som ennå kan gi ytterligere forbedringer i ytelse, er test av en eller to WB-6-enheter, men med" firkantede "eller polygonale spoler justert omtrent (men litt forskjøvet på hovedflatene ) langs kantene på polyhedronens hjørner. Hvis dette er bygget rundt en avkortet dodekaeder , forventes det nesten optimal ytelse; omtrent 3-5 ganger bedre enn WB-6. " Bussard døde 6. oktober 2007 av myelomatose i en alder av 79 år.

I 2007 svarte Steven Chu , nobelprisvinneren og tidligere USAs energisekretær , på et spørsmål om polywell på en teknologisk samtale på Google . Han sa: "Så langt er det ikke nok informasjon til [at] jeg kan gi en vurdering av sannsynligheten for at det kan fungere eller ikke ... Men jeg prøver å få mer informasjon."

Brofinansiering 2007–09

Sett sammen team igjen

I august 2007 mottok EMC2 en US Navy -kontrakt på 1,8 millioner dollar. Før Bussards død i oktober 2007 hjalp Dolly Gray, som grunnla EMC2 med Bussard og fungerte som president og administrerende direktør, med å sette sammen forskere i Santa Fe for å fortsette. Gruppen ble ledet av Richard Nebel og inkluderte Princeton -utdannede fysiker Jaeyoung Park. Begge fysikerne hadde permisjon fra LANL . Gruppen inkluderte også Mike Wray, fysikeren som kjørte de viktigste testene i 2005; og Kevin Wray, dataspesialisten for operasjonen.

WB-7

WB-7 ble konstruert i San Diego og sendt til testanlegget EMC2. Enheten ble betegnet WB-7 og ble som tidligere utgaver designet av ingeniør Mike Skillicorn. Denne maskinen har et design som ligner på WB-6. WB-7 oppnådde "1. plasma" i begynnelsen av januar 2008. I august 2008 avsluttet teamet den første fasen av eksperimentet og sendte resultatene til et fagfellevurderingsnemnd. Basert på denne anmeldelsen ble føderale finansiører enige om at teamet skulle gå videre til neste fase. Nebel sa "vi har hatt en viss suksess", og refererte til lagets innsats for å gjengi de lovende resultatene Bussard fikk. "Det er en slags blanding", rapporterte Nebel. "Vi er generelt fornøyd med det vi har fått ut av det, og vi har lært enormt mye," sa han også.

2008

I september 2008 søkte Naval Air Warfare Center offentlig på forhånd en kontrakt om forskning på en elektrostatisk " Wiffle Ball " -fusjonsenhet. I oktober 2008 søkte den amerikanske marinen på forhånd to ytterligere kontrakter med EMC2, den foretrukne leverandøren. Disse to oppgavene var å utvikle bedre instrumentering og å utvikle en ioninjeksjonspistol. I desember 2008, etter mange måneders gjennomgang av ekspertpanelet for innsending av de endelige WB-7-resultatene, kommenterte Nebel at "Det er ingenting i [forskningen] som antyder at dette ikke vil fungere", men "Det er en helt annen uttalelse fra å si at det vil fungere. "

2009 til 2014

2009

I januar 2009 søkte Naval Air Warfare Center på forhånd en annen kontrakt for "modifikasjon og testing av plasma wiffleball 7" som syntes å være finansiering for å installere instrumenteringen utviklet i en tidligere kontrakt, installere en ny design for kontakten (skjøten) mellom spolene , og bruk den modifiserte enheten. Den modifiserte enheten ble kalt WB-7.1. Denne forhåndsoppfordringen startet som en kontrakt på 200 000 dollar, men den siste prisen var på 300 000 dollar. I april 2009 publiserte DoD en plan om å gi EMC2 ytterligere 2 millioner dollar som en del av American Recovery and Reinvestment Act fra 2009 . Sitatet i lovgivningen ble merket som Plasma Fusion (Polywell) - Demonstrasjon av fusjonsplasmakapasitetssystem for land og ombord; Felles OSD /USN -prosjekt. Recovery Act finansierte marinen for 7,86 millioner dollar for å konstruere og teste en WB-8. Marinekontrakten hadde en opsjon på ytterligere 4,46 millioner dollar. Den nye enheten økte magnetfeltstyrken åtte ganger i forhold til WB-6.

2010

Teamet bygde WB-8 og beregningsverktøyene for å analysere og forstå dataene fra den. Laget flyttet til San Diego.

2011

Jaeyoung Park ble president. I et intervju i mai kommenterte Park at "Denne maskinen [WB8] burde kunne generere 1000 ganger mer atomaktivitet enn WB-7, med omtrent åtte ganger mer magnetfelt" Det første WB-8-plasmaet ble generert 1. november 2010 .. I tredje kvartal hadde det blitt utført over 500 høyeffektplasmaskudd.

2012

15. august gikk marinen med på å finansiere EMC2 med ytterligere 5,3 millioner dollar over 2 år for å jobbe med å pumpe elektroner inn i wiffleballen. De planla å integrere en pulserende strømforsyning for å støtte elektronkanonene (100+A, 10kV). WB-8 opererte på 0,8 Tesla. Gjennomgang av arbeidet ga anbefalingen om å fortsette og utvide innsatsen, og sa: "De eksperimentelle resultatene til dags dato var i samsvar med de underliggende teoretiske rammene for polywell -fusjonskonseptet, og etter komiteens mening fortjente det fortsettelse og utvidelse."

Blir offentlig

2014

I juni demonstrerte EMC2 for første gang at elektronskyen blir diamagnetisk i midten av en magnetisk cusp -konfigurasjon når beta er høy, og løser en tidligere formodning. Om plasmaet er termisk gjenstår å demonstrere eksperimentelt. Park presenterte disse funnene på forskjellige universiteter, det årlige 2014 Fusion Power Associates -møtet og IEC -konferansen 2014.

2015

22. januar presenterte EMC2 på Microsoft Research . EMC2 planla et treårig kommersielt forskningsprogram på 30 millioner dollar for å bevise at Polywell kan fungere. 11. mars inngav selskapet en patentsøknad som forbedret ideene i Bussards patent fra 1985. Artikkelen "High-Energy Electron Confinement in a Magnetic Cusp Configuration" ble publisert i Physical Review X.

2016

April publiserte Next Big Future en artikkel om informasjon om Wiffle Ball -reaktoren datert til 2013 gjennom loven om informasjonsfrihet .

Mai holdt Jaeyoung Park et foredrag ved Khon Kaen University i Thailand, og hevdet at verden har undervurdert tidsplanen og virkningen som praktisk og økonomisk fusjonskraft vil ha, at dens endelige ankomst vil være svært forstyrrende. Park uttalte at han forventet å presentere "siste vitenskapelige prinsippbevis for polywell-teknologien rundt 2019-2020", og forventer at "en første generasjon kommersiell fusjonsreaktor blir utviklet innen 2030 og deretter masseproduksjon og kommersialisering av teknologien på 2030-tallet. Dette er omtrent 30 år raskere enn forventet av International Thermonuclear Energy Reactor (ITER) -prosjektet. Det ville også være titalls milliarder dollar billigere. "

2018

I mai 2018 arkiverte Park og Nicholas Krall WIPO -patent WO/2018/208953. "Generering av kjernefusjonsreaksjoner med bruk av ionestråleinjeksjon i magnetiske høytrykksenheter", som beskrev polywell -enheten i detalj.

Eksperimenter fra University of Sydney

I juni 2019 ble resultatene av langvarige eksperimenter ved University of Sydney (USyd) publisert i doktorgradsoppgave av Richard Bowden-Reid. Ved hjelp av en eksperimentell maskin bygget ved universitetet, undersøkte teamet dannelsen av de virtuelle elektrodene.

Arbeidet deres viste at det var lite eller ingen spor av virtuell elektrodedannelse. Dette etterlot et mysterium; både deres maskin og tidligere eksperimenter viste klare og konsekvente bevis på dannelsen av en potensiell brønn som fanget ioner, som tidligere ble tilskrevet dannelsen av elektrodene. Ved å utforske dette problemet utviklet Bowden-Reid nye feltligninger for enheten som forklarte potensialet godt uten elektrodedannelse, og demonstrerte at dette stemte overens med både resultatene og resultatene fra tidligere eksperimenter.

Videre viste utforskning av den generelle mekanismen for det virtuelle elektrodekonseptet at dets interaksjoner med ionene og seg selv ville få det til å "lekke" i en rasende hastighet. Forutsatt plasmatettheter og energier som kreves for netto energiproduksjon, ble det beregnet at nye elektroner måtte tilføres med en umulig hastighet på 200 000  ampere .

De første resultatene indikerer ubetydelig ladestopp med liten eller ingen potensiell brønndannelse. Videre er det vist at eksistensen av potensielle brønner rapportert i tidligere publikasjoner kan forklares uten krav om en virtuell katode produsert av fangede elektroner. Videre er det vist at potensielle brønner, som produserer elektrontilkobling og oppvarming fra virtuelle katoder, ikke lenger eksisterer med økende plasmatetthet.

Relaterte prosjekter

Prometheus Fusion Perfection

Mark Suppes bygde en polywell i Brooklyn. Han var den første amatøren som oppdaget elektronfanging ved hjelp av en Langmuir -sonde inne i en polywell. Han presenterte på LIFT -konferansen 2012 og WIRED -konferansen 2012. Prosjektet avsluttet offisielt i juli 2013 på grunn av mangel på finansiering.

University of Sydney

Den University of Sydney i Australia gjennomførte Polywell eksperimenter, som fører til fem artikler i fysikk Plasmas . De publiserte også to doktorgradsoppgaver og presenterte arbeidet sitt på IEC Fusion -konferanser.

Et papir fra mai 2010 diskuterte en liten enhets evne til å fange elektroner. Papiret antydet at maskinen hadde en ideell magnetfeltstyrke som maksimerte evnen til å fange elektroner. Papiret analyserte polywell magnetisk innesperring ved hjelp av analytiske løsninger og simuleringer. Arbeidet knyttet den polywell magnetiske innesperringen til magnetisk speilteori . Arbeidet fra 2011 brukte partikkel-i-celle simuleringer for å modellere partikkelbevegelse i polybrønner med en liten elektronpopulasjon. Elektroner oppførte seg på lignende måte som partikler i det bikoniske spissen .

Et papir fra 2013 målte en negativ spenning inne i en 4-tommers polywell av aluminium. Tester inkluderte måling av en intern stråle av elektroner, sammenligning av maskinen med og uten et magnetfelt , måling av spenningen på forskjellige steder og sammenligning av spenningsendringer med magnetisk og elektrisk feltstyrke.

Et papir fra 2015 med tittelen "Fusion in a magnetically-shielded-grid inertial electrostatic confinement device" presenterte en teori for et gitterert inertial electrostatic confinement (IEC) fusjonssystem som viser en netto energigevinst er mulig hvis nettet er magnetisk skjermet for ionpåvirkning. Analysen indikerte at bedre enn break-even-ytelse er mulig selv i et deuterium-deuterium-system på benk-skalaer. Den foreslåtte enheten hadde den uvanlige egenskapen at den kan unngå både tap ved tradisjonelle magnetiske fusjonssystemer og nettapene til tradisjonelle IEC -konfigurasjoner.

Iranian Nuclear Science and Technology Research Institute

I november 2012 rapporterte Trend News Agency at Atomic Energy Organization of Iran hadde bevilget "8 millioner dollar" til inertial elektrostatisk innesperringsforskning og omtrent halvparten hadde blitt brukt. Den finansierte gruppen publiserte et papir i Journal of Fusion Energy , der de sa at partikkel-i-celle simuleringer av et polywell hadde blitt utført. Studien antydet at brønndybder og ionefokuskontroll kan oppnås ved variasjoner i feltstyrke, og refererte til eldre forskning med tradisjonelle fusorer. Gruppen hadde kjørt en fusor i kontinuerlig modus ved -140 kV og 70 mA strøm, med DD -drivstoff, som produserte 2 × 10 7 nøytroner per sekund.

University of Wisconsin

Forskere utførte Vlasov-Poisson, partikkel-i-celle simuleringsarbeid på polywell. Dette ble finansiert gjennom National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship og ble presentert på American Physical Society -konferansen i 2013 .

Convergent Scientific, Inc.

Convergent Scientific, Inc. (CSI) er et amerikansk selskap grunnlagt i desember 2010 og med base i Huntington Beach, California. De testet sitt første polywell-design, Model 1, på steady-state-operasjoner fra januar til sensommeren 2012. MaGrid var laget av en unik diamantformet hultråd, som en elektrisk strøm og et flytende kjølevæske strømmet inn i. De gjør en innsats for å bygge et småskala Polywell fusing deuterium . Selskapet inngav flere patenter, og høsten 2013 gjorde de en rekke nettbaserte investorplasser. Presentasjonene nevner støt på plasma ustabilitet inkludert Diocotron , to stream og Weibel ustabilitet. Selskapet ønsker å lage og selge Nitrogen-13 for PET- skanninger.

Radiant Matter Research

Radiant Matter er en nederlandsk organisasjon som har bygget fusorer og har planer om å bygge en polywell.

ProtonBoron

ProtonBoron er en organisasjon som planlegger å bygge en protonbor polywell.

Progressive Fusion Solutions

Progressive Fusion Solutions er en oppstart av fusjonsforskning fra IEC som forsker på enheter av typen Fusor og Polywell.

Fusion One Corporation

Fusion One Corporation var en amerikansk organisasjon grunnlagt av Dr. Paul Sieck (tidligere Lead Physicist of EMC2), Dr. Scott Cornish ved University of Sydney og Randall Volberg. Den gikk fra 2015 til 2017. De utviklet en magneto-elektrostatisk reaktor kalt "F1" som delvis var basert på polywell. Den introduserte et system med eksternt monterte elektromagnetiske spoler med internt monterte katode -repelleroverflater for å gi et middel til å bevare energi og partikkeltap som ellers ville gå tapt gjennom de magnetiske klypene. Som svar på Todd Riders 1995 -maktbalansekonklusjoner, ble en ny analytisk modell utviklet basert på denne gjenopprettingsfunksjonen samt en mer nøyaktig kvantrelativistisk behandling av bremsstrahlungstapene som ikke var tilstede i Riders analyse. Versjon 1 av den analytiske modellen ble utviklet av senior teoretisk fysiker dr Vladimir Mirnov og demonstrerte mange ganger netto gevinst med DT og tilstrekkelig multipler med DD til bruk for å generere elektrisitet. Disse foreløpige resultatene ble presentert på ARPA-E ALPHA 2017 Annual Review Meeting. Fase 2 i modellen fjernet viktige forutsetninger i Rider-analysen ved å inkorporere en selvkonsistent behandling av ionenergifordelingen (Rider antok en ren Maxwellian-fordeling) og kraften som kreves for å opprettholde fordelingen og ionebestanden. Resultatene ga en energifordeling som var ikke-termisk, men mer Maxwellian enn monoenergetisk. Inngangseffekten som kreves for å opprettholde fordelingen ble beregnet til å være overdreven, og ion-ion-termisering var en dominerende tapskanal. Med disse tilleggene var en vei til kommersiell elektrisitetsproduksjon ikke lenger mulig.

Se også

Referanser

Eksterne linker