Migma

Migma , ibland migmatron eller migmacell , var en föreslagen kolliderande strålfusionsreaktor designad av Bogdan Maglich 1969. Migma använder självkorsande strålar av joner från små partikelacceleratorer för att tvinga jonerna att smälta. Liknande system som använder större samlingar av partiklar, upp till mikroskopiska dammstorlekar, kallades " makroner ". Migma var ett område för viss forskning under 1970- och början av 1980-talet, men brist på finansiering hindrade vidare utveckling.

Konventionell fusion

Fusion äger rum när atomer kommer nära varandra och kärnkraften drar samman deras kärnor. Att motverka denna process är det faktum att kärnorna alla är positivt laddade och därmed stöter bort varandra på grund av den elektrostatiska kraften . För att fusion ska ske måste kärnorna ha tillräckligt med energi för att övervinna denna coulomb-barriär . Barriären sänks för atomer med mindre positiv laddning, de med minst protoner , och den starka kraften ökar med ytterligare nukleoner, det totala antalet protoner och neutroner . Det betyder att en kombination av deuterium och tritium har den lägsta coulombbarriären, vid cirka 100 keV (se krav för fusion ).

När bränslet värms upp till höga energier frigörs elektronerna från kärnorna, som finns kvar som joner i en gasliknande plasma . Alla partiklar i en gas är fördelade över ett brett spektrum av energier i ett spektrum som kallas Maxwell-Boltzmann-fördelningen . Vid varje given temperatur har majoriteten av partiklarna lägre energier, med en "lång svans" som innehåller mindre antal partiklar med mycket högre energier. Så medan 100 keV representerar en temperatur på över en miljard grader, för att producera fusionshändelser behöver bränslet inte värmas upp till denna temperatur som helhet. Även vid en mycket lägre temperatur kan smälthastigheten mellan de långa svanselementen vara tillräckligt hög för att ge användbar effekt så länge den är begränsad under en viss tidsperiod så att de har en chans att mötas. Ökad densitet ökar också hastigheten, eftersom energin från reaktionerna kommer att värma det omgivande bränslet och potentiellt stimulera till fusion även i det. Kombinationen av temperatur, densitet och inneslutningstid kallas Lawson-kriteriet .

Två primära tillvägagångssätt har utvecklats för att angripa fusionsenergiproblemet . I tröghetsinneslutningsmetoden pressas bränslet snabbt till extremt höga densiteter, vilket ökar den inre temperaturen i processen. Det görs inget försök att upprätthålla dessa förhållanden under någon tidsperiod, bränslet exploderar utåt så fort kraften släpps. Instängningstiden är i storleksordningen nanosekunder, så temperaturerna och densiteten måste vara mycket höga för att någon märkbar mängd av bränslet ska genomgå fusion. Detta tillvägagångssätt har varit framgångsrikt för att producera fusionsreaktioner, men hittills kräver enheterna som kan ge kompressionen, vanligtvis lasrar , mer energi än vad reaktionerna producerar.

I det mer allmänt studerade tillvägagångssättet för magnetisk inneslutning är plasman, som är elektriskt laddad, begränsad av magnetfält. Bränslet värms långsamt upp tills en del av bränslet i bakdelen av temperaturfördelningen börjar smälta. Vid de temperaturer och densiteter som är möjliga med hjälp av magneter är fusionsprocessen ganska långsam, så detta tillvägagångssätt kräver långa inneslutningstider i storleksordningen tiotals sekunder, eller till och med minuter. Att begränsa en gas i miljontals grader för denna typ av tidsskala har visat sig vara svårt, även om moderna experimentmaskiner närmar sig de förutsättningar som krävs för nettokraftproduktion.

Migma fusion

Den kolliderande strålmetoden undvek problemet med att värma upp bränslemassan till dessa temperaturer genom att accelerera jonerna direkt i en partikelaccelerator .

Det enkla sättet att göra ett sådant system är att ta två acceleratorer och rikta dem mot varandra. Chansen att två joner ska kollidera är dock oändligt liten; de flesta joner skulle flyga förbi varandra och energin som lagts in i dem skulle gå förlorad. För att göra ett sådant system praktiskt energimässigt måste partiklarna recirkuleras så att de har många chanser att kollidera. Ett sätt att göra detta är att använda en lagringsring , men de joner som kommer nära en reaktion sprids ut i höga vinklar som gör att de lämnar ringarna. Enkel matematik visade att detta tillvägagångssätt inte skulle fungera; förlusthastigheten från dessa nära-olyckor skulle alltid vara mycket högre än energin som erhålls från fusionsreaktioner.

Maglichs koncept modifierade arrangemanget baserat på ett nytt partikellagringskoncept som han hade uppfunnit, känt som "precetronen". I ett typiskt lagringsringskoncept skjuts partiklarna in i ringen "slut på" med en specifik energi så att de följer ringens väg. Däremot är lagringsområdet i precetronen en magnetisk spegel . I de flesta magnetiska spegelarrangemang är medelpartikelenergin relativt låg och jonerna och elektronerna har relativt små banor runt de magnetiska kraftlinjerna, mycket mindre i radie än spegelns diameter som helhet. I precetronen har jonerna mycket högre energier, och därmed mycket större banor, och tar upp en betydande del av spegelns diameter, cirka 1 ⁄ 3 till 1 ⁄ 2 . I detta arrangemang kommer jonerna att tendera att röra sig mot mitten av spegelvolymen, istället för att reflektera fram och tillbaka mellan ändarna som i den klassiska spegeluppsättningen.

Dessutom, på grund av arrangemanget av fälten, med fältet starkare på utsidan av volymen, kommer jonbanorna att precessera runt det inre området. Detta gör att den cirkulära banan flyttar sitt rotationscentrum. Till exempel, om partikeln initialt skjuts in i lagringsområdet så att den kretsar runt den nedre halvan av spegelområdet, kommer den långsamt att röra sig så att omloppsbanan är på ena sidan, sedan toppen, den andra sidan och sedan botten igen. Om man spårar vägen för en enstaka jon över tiden, bildar den ett mönster som liknar det för en spirograf och skapar en serie cirklar som fyller volymen.

Nyckeln till att använda detta koncept i migmasystemet var att skjuta in jonerna i kammaren med rätt energi så att deras vägar passerade genom spegelns geometriska centrum. Efter en kort tid skulle denna omloppsbana pressas bort från den initiala ingångspunkten. När en annan jon skjuts in tar den upp den ursprungliga omloppsbanan. Med tiden skulle kammaren fyllas med joner som kretsade runt inom vad som i praktiken var ett oändligt antal lagringsringar som alla skär varandra i mitten. Och eftersom de möttes i mitten rörde sig joner på motsatta sidor av kammaren i motsatta riktningar när de möttes, så en enda accelerator gav en effekt som liknar två acceleratorer i den konventionella layouten.

En stor fördel med detta tillvägagångssätt är att framåtspridning av jonerna i "missade" reaktioner helt enkelt skulle flytta dem till en annan bana, men deras naturliga rörelse i spegelfältet skulle snabbt föra dem tillbaka till mitten. Det var bara de joner som spreds till en stor vinkel utanför axeln som skulle komma ut. Som ett resultat förväntades det att varje given jon skulle ta cirka 10 ⁸ omlopp genom reaktionsområdet innan den spreds ut ur systemet. Termen "migma", från det grekiska ordet för "blandning", valdes för att skilja denna massa av kretsande joner från plasman i konventionella maskiner.

Reaktorer

En serie om fyra Migma-reaktorer byggdes; den ursprungliga Migma (retroaktivt, Migma I) 1973, Migma II 1975, Migma III 1976, och kulminerade så småningom med Migma IV 1982. Dessa enheter var relativt små, bara några meter långa längs acceleratorns strållinje med en skiva -formad målkammare ca 2 meter (6 ft 7 tum) i diameter och 1 meter (3 ft 3 tum) tjock. Migma testbäddsenheter använde acceleratorer på cirka 1 MeV till 2 MeV.

Migma-designerna syftade till att använda aneutroniska bränslen , framför allt D-He3-reaktionen, som kräver mycket högre temperaturer för att nå antändning än den typiska DT-reaktionen. Migma II lyckades nå den erforderliga temperaturen, cirka 15 miljarder grader, 1975. Migma IV satte rekord för instängningstid på 25 sekunder 1982, liksom rekordsmältningstrippelprodukten (densitet × energi-inneslutningstid × medelenergi ) på 4 × 10 ¹⁴ keV sek cm ⁻³ , ett rekord som inte nåddes av en konventionell tokamak förrän JET uppnådde 3 × 10 ¹⁴ keV sek cm ⁻³ 1987.

För att göra en Migma tillräckligt stor för att producera nettoenergi, måste den trippelprodukt som Migma IV uppnår ökas mellan 100 och 1000 gånger. Maglich försökte säkra finansiering för en uppföljningsdesign under en tid, utan framgång. Enligt en artikel i The Scientist har Maglich varit inblandad i en hård debatt med de olika finansiärerna sedan 1980-talet.

Problem

När Migma-designen först övervägdes, modellerades den med partikelacceleratortekniker. Det fanns ingen djupgående hänsyn till beta , förhållandet mellan magnetfältet och plasmatrycket. I konventionella konstruktioner, som den traditionella spegeln, är beta ett nyckeltal som anger hur kraftfulla magneterna skulle behöva vara för en given mängd bränsle inuti reaktorn. Kostnaden för magneterna skalar med effekten, så detta ger en grov uppskattning av reaktorns ekonomi. I Migma finns det ingen plasma i konventionell mening, så det var inte klart att denna hänsyn gällde - så länge man matchade fältet till jonernas energi så att de förblev instängda var de tekniska behoven tillgodosedda.

Men den kontinuerliga matningen av joner leder till ett uppenbart problem, reaktionskammaren skulle bli allt mer positivt laddad. Detta gav ett utåtriktat tryck som liknade trycket från en konventionell plasma orsakad av den ideala gaslagen . Så småningom skulle detta tryck överväldiga magnetfältet, oavsett energin hos partiklarna. För att hålla sig under denna gräns måste partiklarnas densitet vara mycket låg, cirka 1 ⁄ 1000 av en typisk spegeldesign.

Man skulle kunna kompensera denna effekt genom att injicera såväl elektroner som joner, så att den makroskopiska volymen neutraliseras. Detta leder dock till två nya effekter som gör att energi går förlorad från reaktorn. En är att elektronerna slumpmässigt kommer att påverka jonerna, vilket får dem att neutralisera, vilket innebär att de inte längre är föremål för magnetfältet och fria att lämna reaktionskammaren. Även när sådan neutralisering inte inträffade, skulle effekterna mellan elektronerna och jonerna få elektronerna att frigöra energi genom både bremsstrahlung och synkrotronstrålning .

Vid en viss kritisk elektrondensitet kommer dessa förluster att vara större än mängden energi som matas in i systemet av acceleratorerna. För att komma till rätta med detta avsåg designen att arbeta med mycket låga elektronantal, i storleksordningen en elektron för varje 100 joner. Detta leder till en betydande begränsning av konstruktionens möjliga driftsparametrar; om elektronantalet är lågt måste bränslets densitet vara låg för att undvika att den positiva laddningen överväldigar magneterna, men om elektrontätheten ökas för att tillåta högre bränsledensitet börjar förlusterna att öka genom elektroneffekter.

För att förbättra denna siffra föreslogs att en andra accelerator avfyrar elektroner i kammaren också; om elektroner mötte joner skulle de neutralisera, och som sådana skulle de inte längre vara föremål för magnetfälten och lämna kammaren. Nyckeln till att få detta att fungera skulle vara att skicka elektronerna in i centrum, där de långsammare jonerna som inte längre var användbara samlades. Fria elektroner skulle också fångas av anordningar i reaktorkammaren.

I slutet av 1990-talet antydde en allmän övervägande av dessa frågor att Migma inte var ensam om detta problem; när man betraktar bremsstrahlung i icke-termaliserade bränslen, verkar det som att inget system som körs på aneutroniska bränslen kan närma sig tändning, att alla system som använder icke-termaliserade bränslen (inklusive Migma) verkar kunna täcka sina förluster. Det enda tillvägagångssättet som verkar ha en teoretisk möjlighet att fungera är DT- eller kanske DD-reaktionen i en termaliserad plasmamassa.

externa länkar

• Patent 4788024: Apparat och metod för att erhålla en självkolliderande stråle av laddade partiklar som arbetar över rymdladdningsgränsen