Fusion woo

Hvorfor bry seg med en stjerne når alt du trenger er en kjøkkenvask?
Stil over substans
Pseudovitenskap
Ikon pseudoscience.svg
Populær pseudovitenskap
Tilfeldige eksempler

Fusion woo refererer til drømmer om å utvinne energi fra kjernefysisk fusjon på en enkel, billig og trygg måte. Kald fusjon er kanskje det vanligste nyere eksemplet, men lignende eksempler dateres gjennom kjernefysikkens historie.


Selv om fusjonsenergi en dag kan være tilgjengelig, er alle tegn på at det vil kreve store, komplekse og dyre maskiner, vil kreve bruk av radioaktivt tritium som drivstoff, og vil produsere i det minste noe radioaktivt avfall . Fusion woo hevder at en enkel enhet som bruker alternative drivstoff vil unngå alle disse problemene. Slik ønsketenkning om enklere systemer er populært fordi, med tanke på at fusjonsdrivstoffressurser spenner fra store til effektivt ubegrensede, vil en slik enhet løse alle våre energihodepine. Hvis det lykkes, vil slike ordninger også gi svært tilfredsstillende muligheter til å si 'Jeg sa det' til vitenskapelig etablering (som gjør detUimotståeligtil veiv).

Fusion woo har blitt drevet av to utviklinger. For det første er det faktisk flere måter å produsere kjernefysisk fusjon på relativt enkle innretninger, selv i en hobbyists garasje. Disse inkluderer Farnsworth fuser og pyroelektrisk fusjon . Dessverre lovene i fysikk sørge for at disse enhetene alltid vil forbruke mer energi enn de kan produsere, selv om de fremdeles kan være nyttige som en nøytron kilde. For det andre, de mye omtalte påstandene om Kald fusjon reiste håp om å produsere kjernekraft i små husholdningsapparater, uten ulempene ved konvensjonelle, storskala atomkraftverk.


Det er ikke lett å fastslå målene for forespråkere av fusion woo. Noen av dem kan bare være svindlere som ønsker å skaffe seg risikovillig kapital og deretter forsvinne. Noen av dem kan virkelig tro at deres tilnærminger vil fungere.

Innhold

Historie

Tidlig woo

Historien om kontrollert fusjonsforskning er full av eksempler på fusion woo. Det ultimate eksemplet er det første.

I 1951, Juan Peron innkalte til en enorm pressekonferanse der han kunngjorde at den tidligere tyske forskeren Ronald Richter hadde lykkes med å produsere et kontrollert fusjonssystem på eksperimentell lab på Huemul . Nyhetene var forsiden over hele verden. Beskrivelsene av systemet ble latterliggjort av andre forskere, Edward Teller kommenterte 'Når man leser en linje, må man tro at han er et geni. Når man leser neste linje, innser man at han er gal. Resultatene ble senere hevdet å være noe mer enn et feiljustert diffraksjonsgitter i systemet som ble brukt til å måle plasmas temperatur.



Ironisk nok var det faktiske utfallet av at systemet ble fordømt rundt, å lansere det moderne fusjonsetablissementet. Den enorme pressen rundt Richter-affæren førte til at politikere avhørte fysikere, som alltid svarte med noe som ligner på 'ja,hansideen er køye, menminidé ... 'I løpet av noen måneder hadde nye fusjonsprosjekter blitt lansert i blant annet USA, Storbritannia og Russland.


Gullalderen

På den tiden viste grunnleggende beregninger at forholdene som trengs for fusjon var ekstreme, men gjennomførbare ved hjelp av et hvilket som helst antall løsninger. Så lett at D-D-drivstoff var den foretrukne løsningen - D-T var fysisk lettere, men ikke nok til å lønne seg, spesielt når det gjelder stråling.

Da de første maskinene ble slått på, feilet de alle. Det viser seg at ingenegentligforstått plasmaer ved høyere energier og tettheter. Det er en rekke iboende ustabiliteter i plasma, og de oppstår når du prøver å øke ytelsen. I et eksempel, som vil gjenta seg gjennom historien om fusjonswoo, påpekte Teller at en bestemt ustabilitet så ut til å være undergravende for speilet og stellatorens tilnærminger. Ingen av dem så noen åpenbare bevis på dette, så i speil tilfelle antok de ganske enkelt at det ikke faktisk skjedde. Andre tok disse problemene mer seriøst, og i 1956 så det ut til at det var løsninger.


Nok et løp fulgte. I Storbritannia ga deres arbeid med å stabilisere klypeeffekten seg. Forsynt med jevn finansiering begynte de langt på vei byggingen av verdens største fusjonsreaktor. ZETA begynte å operere sommeren 1957, og i slutten av august så det ut til å virke. Test etter test produserte nøytroner, og spenningen begynte å lekke ut av laboratoriene. Men hemmeligholdet rundt hele fusjonsområdet, kombinert med en avtale med deres amerikanske kolleger, forsinket den formelle publiseringen til januar 1958. Forsidenyheter over hele verden kunngjorde at fusjon var løst. Fire måneder senere ble de tvunget til å innrømme at nøytronene ikke var fra fusjon. Det hadde vært litt innsikt i dette hele tiden, men disse innvendingene ble vinket bort.

Doldrums

Det var en enorm oppside til ZETA-historien; Storbritannia var så begeistret over resultatene at de krevde at arbeidet ble avklassifisert. Sovjetunionen hadde holdt foredrag om fusjonstemaet et år tidligere, og USA var også stadig mer åpne for ideen. Dette kulminerte med den andre Atoms for Peace-konferansen i 1958, der alt dette arbeidet ble utgitt og alle plutselig innså at ingen av disse systemene fungerte. Hele feltet gikk inn i det som senere ble kalt 'doldrums', og det ble seriøst arbeidet med alternative tilnærminger.

På 1960-tallet begynte John Nuckolls å vurdere mengden energi som trengs for å utløse fusjon i en termonukleær bombe, og oppdaget at tenningen i veldig små størrelser, i størrelsesorden mindre enn et gram, kunne oppnås med noen få kilojoule energi. Dermed startet fusjonskonseptet for treghetsinneslutning, som siden har oppdaget at selv fire megajouler energi ikke er nok. Til tross for dette var håpet så høyt tidlig på 1970-tallet at Kip Siegel startet et kommersielt forsøk på å bygge en ICF-generator, som flammet ut da han døde i 1975 etter gjentatte ganger å forsvare seg mot anklager om ondskapsfull aktivitet fra de andre atomlaboratoriene.

Løst!

I 1969 reiste et team fra Storbritannia kjent som 'Culham five' til Sovjetunionen for å måle ytelsen til deres nyeste design, tokamak, som sovjeterne fremsatte utrolige påstander om. Resultatene fra det britiske teamet viste tydelig at enheten faktisk fungerte som påstått og la ut omtrent ti ganger de beste resultatene til noen andre.


Nesten umiddelbart stemplet hele fusjonsetableringen til tokamak-konseptet. I USA, med finansiering ut av ørene, presset en serie maskiner raskt ytelsen langt utover sovjettene. Ved midten av 1970-tallet spådde alle trygt at breakeven ville følge med neste generasjon maskiner. Nok et løp startet, denne gangen mellom tre maskiner som siktet spesielt mot breakeven, TFTR i USA, JET i Storbritannia og JT-60 i Japan (opprinnelig kjent som Breakeven Test Reactor). Alle ville komme online tidlig på 1980-tallet.

Under dette vanviddet på midten av 1970-tallet klarte Robert Bussard å overbevise Bob Guccione om at tokamak-baserte enheter bare var år unna kommersiell produksjon, og de begynte utviklingen av Riggatron. Rapporter utarbeidet av andre fysikere for hva som skulle bli DoE viste gjentatte ganger at det var svært usannsynlig at denne enheten noensinne ville fungere, men utviklingen fortsatte til Guccione ikke var i stand til å sikre $ 150 millioner dollar for et oppfølgingssystem.

Ved midten av 1980-tallet var resultatene i: alle de store maskinene klarte ikke å oppnå noe eksternt i nærheten av breakeven. JET satte rekorden, et tiår senere, til 0,67 (av flere grunner er 5 det minste nyttige tallet, og> 20 kreves økonomisk). Nok en gang falt feltet inn i et nytt svikt, og nok en gang begynte alle å lete etter alternativer.

Og så den virkelige woo

I 1989 kunngjorde Martin Fleischmann og Stanley Pons at de hadde produsert fusjon ved romtemperatur, i det som ble kjent som Kald fusjon . I løpet av en periode på en måned eller to ble det stadig tydeligere at dette var en annen Huemul. Likevel fortsetter 'forskning' på dette feltet.

På midten av 1980-tallet dukket Robert Bussard opp igjen med en ny enhet kjent som polywell, og begynte å jobbe med dem på 1990-tallet. Etter flere utviklingsrunder som ennå ikke har gitt resultater så gode som ZETA, har dette systemet blitt en prøvestein for mange i fusion woo-området, til tross for teoretisk arbeid som antyder at det aldri kan fungere. University of Sydney gjennomførte et aktivt polywell-program gjennom perioden 2010 til 2020, som produserte et papir fra 2019 som antydet at alle positive resultater til dags dato var i det vesentlige ønskelige datatolkninger. Dette papiret har blitt kalt 'den siste neglen i polywell-kisten'.

Todd Riders artikler fra 1994 og 1995 om energibalansen i forskjellige fusjonsmaskiner antyder at intet system som ikke er i Maxwellians likevekt (det vil si jevnt oppvarmet) noen gang kan være energipositivt. Dette er uheldig, fordi det eliminerer en stor klasse design som fyrer 'varmt' drivstoff i 'kult' plasma. Rider viste at frekvensen av energitap gjennom side-reaksjoner i disse systemene ville være mye høyere enn energien som frigjøres av de mulige reaksjonene, selv under perfekte forhold. Til tross for dette blir mange nye ikke-likevektige maskiner fortsatt foreslått og støttet, som polywell og fusor, med talsmenn som bare avviser Riders arbeid som ikke aktuelt.

Den 'trygge' delen: aneutronisk fusjon

Av alle mulige fusjonsreaksjoner er den med det største tverrsnittet, som også frigjør den nest mest energien per reaksjon

^ 2_1  tekst {H} + , ^ 3_1  tekst {H}  høyre pil ; ^ 4_2  text {He} + , ^ 1_0  text {n}

Han, en alfapartikkel, er i utgangspunktet bare helium . 'N' står for nøytron . De to reaktantene til venstre er isotoper av hydrogen : deuterium, som er stabilt og oppfører seg selv; og tritium, som er sterkt radioaktivt ogtrøbbel. Halveringstiden er 12,3 år, så den forekommer ikke naturlig i noen betydelig mengde fordi den forfaller før du kan komme til den. Det må 'avles' fra litium ved hjelp av nøytroner produsert av fusjonsreaksjonen.

Avl vil sannsynligvis fungere, men det kompliserer reaktoren, og avlens matematikk er grenselinje. Radioaktiviteten gjør også tritium til en helsefare, spesielt siden hydrogen er flyktig og biologisk aktivt. De nøytroner (n) produsert er også et problem. For det første krever de omtrent 1 meter skjerming for å beskytte magneter. For det andre absorberes de av reaktorens struktur og gjør den radioaktiv. Men med riktig valg av strukturelt materiale, kan radioaktiviteten minimeres slik at det er trygt å resirkulere om 100 år.

Dette er veldig gode grunner til å ta alvorlige hensyn til alternative fusjonsreaksjoner, som det er flere av. Som regel, hvis du vil redusere strålingshodepine, er kostnaden enda større hodepine som får reaktoren til å fungere i det hele tatt. Det er tre grunner til dette.

  1. Den nødvendige temperaturen er høyere.
  2. Fusjonskraften relativt til tap av kanaler, spesielt Bremsstrahlung stråling, er lavere, slik at du tåler mindre ineffektivitet.
  3. Energitettheten er lavere, noe som gjør kapitalkostnaden per MW høyere.

For talsmenn for fusion woo, gjør det liten forskjell om de ignorerer vitenskap og ingeniørfag begrensninger marginalt eller i stor grad, så de går vanligvis rett for reaksjonen som gir færrest nøytroner:

^ 1_1  text {p} + , ^ {11} _5  text {B}  rightarrow 3 ; ^ 4_2  text {He}

p er en proton (hagesort hydrogen). B er den vanligste isotopen av bor, som i seg selv er et rimelig vanlig element. Merk at ingen av reaktantene eller produktene er radioaktive eller sjeldne. Spesielt produseres ingen nøytroner, så du kan sette en reaktor i kjelleren din og ta den med til avfallsdeponiet når du er ferdig med det, ikke sant? Først må du sørge for at ikke for mye deuterium eller B kommer inn i drivstoffet ditt, siden de også vil smelte og produsere nøytroner. Men selv med isotopisk rent drivstoff er det flere ekle sidereaksjoner, inkludert disse:

^ {11} _5  text {B} +  alpha  rightarrow ; ^ {14} _7  text {N} + , ^ 1_0  text {n}
^ {11} _5  text {B} +  text {p}  rightarrow ; ^ {11} _6  text {C} + , ^ 1_0  text {n}
^ {11} _5  text {B} +  text {p}  rightarrow ; ^ {12} _6  text {C} +  gamma

De to første produserer nøytroner (om enn lavenergi) og den tredje produserer harde gammastråler. Resultatet av det er at selv den 'aneutroniske' pB-reaksjonen ville produsere nok nøytroner til å kreve tung skjerming og avhending av radioaktivt avfall, det ville være omtrent tusen ganger mindre enn DT-reaksjonen, som allerede har størrelsesorden lavere problemer med radioaktivitet enn kjernefisjon.

Verdien som vanligvis betraktes som mest indikativ for den generelle kvaliteten på en plasmainneslutningsenhet, er produktet av trykket og energistoppetiden (f.eksτ, det 'tredoble produktet'). For p-B-fusjon, må det tredoble produktet være 500 ganger større enn det som kreves for D-T-fusjon. Etter 80 års innsats (fra og med 2020) har vi ikke klart å oppnå D-T breakeven, så det virker usannsynlig at en løsning for p-B vil være tilgjengelig når som helst snart.

Verre ennå, mens man kan tenke seg å finne en måte å øke inneslutningstiden ved å plugge det ene hullet etter det andre, er det en slags tap som i det vesentlige er umulig å stoppe: Bremsstrahlung-stråling. Standardberegningen under de mest optimistiske forholdene indikerer at i et p-B plasma vil Bremsstrahlung-tapet alltid være høyere enn den produserte fusjonskraften. Plasmaet kan ikke 'brenne', men vil sprute ut. Noen mennesker har brukt mye krefter på å finne en vei rundt dette, for eksempel ved å beholde elektroner kaldere enn ionene, eller ved å holde ionene eller elektronene fra å slappe av til en Maxwellian (termisk) hastighetsfordeling, men energien som kreves for å opprettholde disse spesielle fordelingene er alltid større enn den produserte fusjonsenergien.

Mindre oppmerksomhet har blitt gitt til energitettheten, selv om det også ville være et dramatisk problem, selv om du kunne løse innesperringsproblemet på en eller annen måte. For et gitt trykk med ellers sammenlignbare forhold og rimelige tilnærminger, ville effekttettheten for p-B være 2000 ganger lavere enn for D-T. Hvis kapitalkostnaden for en fusjonsreaktor skalerer seg lineært med plasmavolumet (en rimelig første kutt), vil strøm fra pB koste rundt 2000 ganger mer enn strøm fra DT (skjønt hvis vi tar i betraktning at pB plasma kan tillate mer effektiv energi konvertering, som kan falle til 'bare' 400 ganger mer). Selv om du kunne få p-B-fusjon til å fungere, hvorfor ville du ikke velge å bruke D-T-drivstoff i stedet for å produsere hundrevis av ganger mer kraft til den samme investeringen?

Alle disse betraktningene - den gjenværende radioaktiviteten, den lave effekttettheten, men spesielt Bremsstrahlung-tapene - gjør aneutronisk fusjon til den største fusjonswoo. Med unntak av kald fusjon, selvfølgelig.

Den 'enkle og billige' delen: alternative konsepter

Et tokamak interiør

Når kald fusjon og aneutron fusjon er utenfor bordet, har det meste av resten en vitenskapelig kjerne dypt inne, men PR avdelingen overforhandler potensialet på en måte mellom 'aggressiv' og 'kriminell'.

Det beste håp om å produsere nettoenergi fra kjernefysisk fusjon er tokamak. Det vil sannsynligvis virkelig fungere, men det kan også vise seg å være en størrelsesorden dyrere enn alternativer, enten de er kjernefysisk fisjon, solcelleanlegg i ørkenområder eller brenning kull og leve med Klima forandringer . Det beste argumentet for å fortsette forskningen uansett er at detkunnevise seg å være bedre enn forventet, og det vil bare koste en liten dråpe å finne ut, sammenlignet med våre utgifter til energiforsyning.

Blant faktorene som gjør tokamaks (og deres mindre populære brødre stjernerne) dyre, er at de er toroidale (store og komplekse), og at plasmatrykket bare er omtrent en tidel av magnetfelttrykket. De fleste alternativene prøver å angripe begge disse problemene. En toroidalfelter virkelig en god idé fordi det er den eneste måten å unngå løse ender, men hvis du kan produsere den i en sylindriskmaskin, kan du kanskje gjøre det mye mindre og billigere. Denne alléen kalles en 'kompakt toroid', hvorav det er to store baner: Feltomvendte konfigurasjoner (FRC) og sfæromakker. FRCs har også fordelen av å ha et plasmatrykk nesten like høyt som magnetfelttrykket. (Ikke la noen fortelle deg at plasmatrykket kan være høyere enn magnetfelttrykket. Det matematiske beviset på dette kalles 'virialteoremet'.)

Hvordan gjenkjenne fusion crankery

'Se ma, nei fagfellevurdering ! '

Det er ganske lett å gjenkjenne fusion woo. Følgende ting er store røde flagg:

  • Ingen nøytronproduksjon, spesielt når du hevder å bruke rent deuterium som drivstoff. D-D-fusjon produserer tritium i halvparten av reaksjonen; tritium gjennomgår så D-T fusjon for å produsere nøytroner. Den andre halvdelen av D-D-fusjonsreaksjoner produserer Han og et nøytron. Ekte aneutroniske fusjonsreaksjoner krever eksotiske drivstoff (som helium-3) og forhold som er langt mer ekstreme enn de som oppnås ved de største 'Big Science' -fusjonsanleggene.
  • Bruk av partikkelakseleratorer som det primære middel for å opprettholde plasmaet. Det er grunnleggende grunner som forhindrer slike systemer i å generere nettokraft.
  • Bruk av annet drivstoff enn en deuterium-tritiumblanding, spesielt protonborbrensel. Betingelsene som kreves for p-B-fusjon er så ekstreme at Bremsstrahlung-tap ville dverge enhver kraft produsert av fusjon.

Eksempler

  • CrossFire Fusion Reactor
  • Tri Alpha Energy - Et selskap i California som utvikler aneutroniske fusjonsmaskiner
  • Focus Fusion - mens tilnærmingen er en variant av den 'vanlige' magnetiske inneslutningsfusjonen og kanskje ikke er helt ubrukelig, hevder dens talsmenn at de til slutt kan oppnå netto energiforøkelse fra protonborfusjon, noe som mistenkes sterkt å være fysisk umulig.

'Myk' woo

Den nasjonale tenningsanleggets målkammer blir flyttet til målbukten

Dette er gjenstander som, selv om de ikke åpenbart befordres selv, ofte blir presentert av deres arrangører på måter som får dem til å beite.

  • ICF - Inertial Confinement Fusion (ICF), hvor ekstremt kraftige laserpulser er fokusert på små drivstoffpiller for å implodere dem. Dette modellerer nøye prosessene som skjer i termonukleære våpen . Hovedmålet med disse anleggene er å gjøre det mulig å designe nye atomvåpen og verifisere påliteligheten til eksisterende uten behov for testeksplosjoner. Det er høyst usannsynlig at en slik enhet noensinne vil bli brukt til kraftproduksjon, men å beskrive disse prosjektene som energiforskning i stedet for lagervedlikehold er langt mer politisk akseptabelt. ICF fasiliteter inkluderer Nasjonalt tenningsanlegg i USA og USA Megajoule Laser i Frankrike. Det er påstandene om å være energiforskning som resulterer i at ICF blir klassifisert som soft woo; NIF bruker 422MJ elektrisitet til å drive laseren, og har hittil generert en maksimal effekt på 13 kJ fusjon.
  • Focus Fusion - Også kjent som fusjon med tett plasmafokus (DPF). Denne tilnærmingen oppnår definitivt fusjon, og har blitt hevdet å produsere 4 ganger fusjonshendelsene per enhetsenergi til en ICF-enhet ved 1 / 12.000 effektnivået ved hjelp av D-D og ikke det dyrere, men bedre D-T-drivstoffet. Dermed, hvis resultatene er reelle, har det empirisk vist seg å være nærmere nettoenergiproduksjon enn ICF, selv om ICF i seg selv langt fra er i ferd med å komme.
    DPF kan være nyttige som en røntgen- eller nøytronkilde uavhengig av fusjonsenergiproduksjon. Det er mye spekulasjoner om at enheten skal be om at gruppen som forfølger den til slutt vil brenne p-B-drivstoff og har dette drivstoffet på en fremtredende måte, selv om enheten for øyeblikket forbrenner D-D-drivstoff. Ytterligere kritikk tillegges gruppens leder, Eric Lerner, for hans avvisning av mainstream konsensus om Det store smellet , noe som fører til mer tvil om gruppens legitimitet.

Vil det noen gang fungere?

Utsiktene for en slik billig fusjonsteknologi ser veldig dystre ut. Tilbake i 1995 skrev en doktorgradsstudent i fysikk ved MIT, Todd Rider, en omfattende doktorgrad. avhandling som undersøkte mange mulige måter å produsere energi fra fusjon i plasma langt fra termodynamisk likevekt, dvs. på en måte som ikke krever vedvarende ekstremt høye temperaturer og trykk. Ingen av dusinvis av tilnærminger han studerte, kunne forventes å generere nettokraft, selv under svært optimistiske forutsetninger. Imidlertid har denne artikkelen et smutthull ved at den ikke undersøker 'forbigående ikke-likevektsforbrenningssystemer som prøver å produsere nok fusjonskraft før partikkelfordelingene kommer i likevekt'. Det er selvfølgelig en liten sjanse for at han gjorde alvorlige feil som ikke ble oppdaget av ham eller hans korrekturlesere, eller at det er noen tilnærming han ikke vurderte, og energigevinst fra et steady state fusjonssystem langt fra termodynamisk likevekt er tross alt mulig .

Noen av enhetene produsert av fusion woo-selskaper kunne finne applikasjoner på steder der det kreves intense nøytronkilder - for eksempel i transmutasjon av atomavfall .

Ikke-woo tilnærminger

Tilnærmingen til fusjonskraft som mottar størstedelen av finansieringen, er magnetisk inneslutningsfusjon (MCF), som bruker kraftige superledende magneter for å skape et spiralmagnetisk felt for å stabilisere plasmaet, og det kan hende det ikke er mulig å be om det. Denne tilnærmingen brukes i ITER-anlegget under oppføring i Frankrike , som kan produsere nettokraft i løpet av det neste tiåret. Kommersiell søknad er imidlertid fremdeles langt i fremtiden (etter 2050). De Polywell , hjernebarnet til Robert 'interstellar ramjets' Bussard, er også en slags magnetisk inneslutningsfusjon; juryen er fremdeles ute av Polywells effektivitet, men den amerikanske marinen har fortsatt å vise interesse for den.

Den andre tilnærmingen er inertial confinement fusion (ICF), hvor ekstremt kraftige laserpulser er fokusert på små drivstoffpiller for å implodere dem. Se ovenfor.