Fusion woo

Hvorfor gider med en stjerne, når alt hvad du behøver er en køkkenvask?
Stil frem for stof
Pseudovidenskab
Ikon pseudoscience.svg
Populær pseudovidenskab
Tilfældige eksempler

Fusion woo henviser til drømme om at udvinde energi fra kernefusion på en enkel, billig og sikker måde. Kold fusion er måske det mest almindelige nylige eksempel, men lignende eksempler dateres gennem kernevidenskabens historie.


Mens fusionsenergi måske en dag vil være tilgængelig, er alle tegn på, at det vil kræve store, komplekse og dyre maskiner, vil kræve brug af radioaktivt tritium som brændstof og vil producere i det mindste noget radioaktivt affald . Fusion woo hævder, at en simpel enhed, der bruger alternative brændstoffer, vil undgå alle disse problemer. Sådan ønsketænkning om enklere systemer er populært, fordi en sådan enhed ville løse alle vores energihovedpine i betragtning af at fusionsbrændstofressourcer spænder fra store til effektivt ubegrænsede. Hvis det lykkes, vil sådanne ordninger også give meget tilfredsstillende muligheder for at sige 'jeg sagde det' til videnskabelig etablering (hvilket gør detUimodståeligtil krumtap).

Fusion woo er blevet drevet af to udviklinger. For det første er der faktisk flere måder at producere nuklear fusion på relativt enkle enheder, selv i en hobbyists garage. Disse inkluderer Farnsworth fuser og pyroelektrisk fusion . Desværre er lovene i fysik sikre, at disse enheder altid bruger mere energi, end de kan producere, selvom de stadig kan være nyttige som en neutron kilde. For det andet de bredt omtalte påstande om kold fusion rejste håb om at producere Atomenergi i små husholdningsapparater, uden ulemperne ved konventionelle, store atomkraftværker.

Det er ikke let at fastslå målene for fusion woo-fortalere. Nogle af dem er måske bare svindlere, der ønsker at erhverve finansiering af venturekapital og derefter forsvinder. Nogle af dem tror måske virkelig på, at deres tilgang vil fungere.

Indhold

Historie

Tidlig woo

Historien om kontrolleret fusionsforskning er fyldt med eksempler på fusion woo. Det ultimative eksempel er det første.


I 1951 Juan Peron indkaldte til en enorm pressekonference, hvor han meddelte, at den tidligere tyske videnskabsmand Ronald Richter var lykkedes at producere et kontrolleret fusionssystem på eksperimentelt laboratorium på Huemul . Nyhederne var forsiden over hele verden. Beskrivelserne af systemet blev latterliggjort af andre forskere, Edward Teller kommenterede 'Når man læser en linje, må man tro, at han er et geni. Når man læser den næste linje, indser man, at han er skør '. Resultaterne blev senere hævdet at være intet andet end et forkert justeret diffraktionsgitter i det system, der blev brugt til at måle plasmas temperatur.



Ironisk nok var det faktiske resultat af, at systemet blev fordømt runde, at lancere den moderne fusionsvirksomhed. Den enorme presse omkring Richter-affæren førte til, at politikere afhørte fysikere, som altid reagerede med noget svarende til 'ja,hansidé er køje, menminidé ... 'Inden for få måneder var der lanceret nye fusionsprojekter i blandt andet USA, Storbritannien og Rusland.


Guldalderen

På det tidspunkt viste grundlæggende beregninger, at de nødvendige betingelser for fusion var ekstreme, men gennemførlige ved hjælp af et hvilket som helst antal løsninger. Så let at D-D-brændstof var den foretrukne løsning - D-T var fysisk lettere, men ikke nok til at være umagen værd, især når det drejer sig om stråling.

Da de første maskiner blev tændt, mislykkedes de alle. Det viser sig, at ingenvirkeligforstod plasmas ved højere energier og tætheder. Der er en masse iboende ustabiliteter i plasma, og de opstår, når du prøver at øge dens ydeevne. I et eksempel, som gentog sig gennem historien om fusion woo, påpegede Teller, at en bestemt ustabilitet syntes at dømme spejlet og stellaratorens tilgange. Ingen af ​​dem så nogen åbenlyse beviser for dette, så i spejlsagen antog de simpelthen, at det ikke faktisk skete. Andre tog disse spørgsmål mere alvorligt, og i 1956 så det ud til, at der var løsninger.


Et andet løb fulgte. I Storbritannien betalte deres arbejde med at stabilisere klemmeeffekten. Forsynet med stabil finansiering begyndte de langt opførelsen af ​​verdens største fusionsreaktor. ZETA begyndte at arbejde i sommeren 1957, og i slutningen af ​​august så det ud til at virke. Test efter test producerede neutroner, og spændingen begyndte at lække ud af laboratorierne. Men hemmeligholdelsen omkring hele fusionsområdet kombineret med en aftale med deres amerikanske kolleger forsinkede den formelle offentliggørelse indtil januar 1958. Forside-nyheder rundt om i verden meddelte, at fusion var løst. Fire måneder senere blev de tvunget til at indrømme, at neutronerne ikke var fra fusion. Der havde været noget at vide om dette hele tiden, men disse indvendinger blev vinket væk.

Doldrums

Der var en enorm opadrettelse af ZETA-historien; Storbritannien var så begejstret over resultaterne, at de krævede, at arbejdet blev afklassificeret. Sovjetunionen havde holdt foredrag om fusionsemnet et år tidligere, og USA var også i stigende grad åben for ideen. Dette kulminerede med den 2. Atoms for Peace-konference i 1958, hvor alt dette arbejde blev frigivet, og alle pludselig indså, at ingen af ​​disse systemer fungerede. Hele feltet gik ind i det, der senere blev kaldt 'doldrums', og der blev arbejdet seriøst med alternative tilgange.

I 1960'erne begyndte John Nuckolls at overveje den nødvendige mængde energi til at udløse fusion i en termonuklear bombe og opdagede, at antændelsen i meget små størrelser i størrelsesordenen mindre end et gram kunne opnås med et par kilojoule energi. Således startede inerti-fængselsfusionskonceptet, som siden har opdaget, at selv fire megajouler energi ikke er nok. På trods af dette var forhåbningerne så høje i begyndelsen af ​​1970'erne, at Kip Siegel startede en kommerciel indsats for at bygge en ICF-generator, der flammede ud, da han døde i 1975 efter gentagne gange at have forsvaret sig mod beskyldninger om ondskabsfuld aktivitet fra de andre nukleare laboratorier.

Løst!

I 1969 rejste et hold fra Storbritannien kendt som 'Culham five' til USSR for at måle udførelsen af ​​deres nyeste design, tokamak, som sovjeterne fremsatte utrolige krav om. Det britiske holds resultater viste tydeligt, at enheden faktisk fungerede som påstået og udlagde ca. 10 gange de bedste resultater for nogen anden.


Næsten med det samme stemplede hele fusionsvirksomheden til tokamak-konceptet. I USA, med finansiering ud af ørerne, skubbede en række maskiner hurtigt ydeevnen langt ud over sovjeterne. I midten af ​​1970'erne forudsagde alle med tillid, at breakeven ville følge med den næste generation af maskiner. Endnu et andet løb startede, denne gang mellem tre maskiner, der specifikt sigter mod breakeven, TFTR i USA, JET i Storbritannien og JT-60 i Japan (oprindeligt kendt som Breakeven Test Reactor). Alle ville komme online i begyndelsen af ​​1980'erne.

Under denne vanvid i midten af ​​1970'erne formåede Robert Bussard at overbevise Bob Guccione om, at tokamak-baserede enheder kun var år væk fra kommerciel produktion, og de begyndte udviklingen af ​​Riggatron. Rapporter udarbejdet af andre fysikere for, hvad der skulle blive DoE gentagne gange, viste, at det var meget usandsynligt, at denne enhed nogensinde ville fungere, men udviklingen fortsatte, indtil Guccione ikke var i stand til at sikre $ 150 millioner til et opfølgningssystem.

I midten af ​​1980'erne var resultaterne i: alle de store maskiner kunne ikke opnå noget fjernt lukke breakeven. JET satte rekorden et årti senere til 0,67 (af en række årsager er 5 det mindste nyttige tal, og> 20 kræves økonomisk). Endnu en gang faldt marken ind i et nyt sværd, og igen begyndte alle at lede efter alternativer.

Og så den ægte woo

I 1989 meddelte Martin Fleischmann og Stanley Pons, at de havde produceret fusion ved stuetemperatur, i hvad der blev kendt som kold fusion . I løbet af en periode på en måned eller to blev det mere og mere klart, at dette var en anden Huemul. Ikke desto mindre fortsætter 'forskning' på dette område.

I midten af ​​1980'erne dukkede Robert Bussard op igen med en ny enhed kendt som polywell og begyndte at arbejde på dem i 1990'erne. Efter flere udviklingsrunder, der endnu ikke har givet resultater så gode som ZETA, er dette system blevet en grundsten for mange i fusion woo-området på trods af teoretisk arbejde, der tyder på, at det aldrig er muligt at arbejde. University of Sydney gennemførte et aktivt polywell-program gennem perioden 2010-2020, der producerede et papir fra 2019, der tyder på, at alle positive resultater til dato var i det væsentlige ønskelige datatolkning. Dette papir er blevet kaldt 'det sidste søm i polywell-kisten'.

Todd Riders papirer fra 1994 og 1995 om energibalancen i forskellige fusionsmaskiner antyder, at intet system, der ikke er i Maxwellians ligevægt (dvs. jævnt opvarmet) nogensinde kan være energipositivt. Dette er uheldigt, fordi det eliminerer en stor klasse af design, der affyrer 'varmt' brændstof i 'køligt' plasma. Rider viste, at hastigheden af ​​energitab gennem sidereaktioner i disse systemer ville være meget højere end den energi, der frigives af de mulige reaktioner, selv under perfekte forhold. På trods af dette foreslås og understøttes mange nye ikke-ligevægtsmaskiner, som polywell og fusor, med tilhængere, der simpelthen afviser Riders arbejde som ikke relevant.

Den 'sikre' del: aneutronisk fusion

Af alle mulige fusionsreaktioner er den med det største tværsnit, som også frigiver den næstmest energi pr. Reaktion

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

Han, en alfapartikel, er dybest set retfærdig helium . 'N' står for neutron . De to reaktanter til venstre er isotoper af hydrogen : deuterium, som er stabilt og opfører sig selv; og tritium, som er stærkt radioaktivt ogproblemer. Dens halveringstid er 12,3 år, så den forekommer ikke naturligt i nogen væsentlig mængde, fordi den henfalder, før du kan komme til den. Det skal 'opdrættes' fra lithium ved hjælp af neutroner produceret ved fusionsreaktionen.

Opdræt vil sandsynligvis fungere, men det komplicerer reaktoren, og avlenes matematik er grænseoverskridende. Radioaktiviteten gør også tritium til en sundhedsfare, især da brint er flygtigt og biologisk aktivt. Det neutroner (n) produceret er også et problem. For det første kræver de omkring 1 meter afskærmning for at beskytte magneterne. For det andet absorberes de af reaktorens struktur og gør den radioaktiv. Men med det rigtige valg af strukturelt materiale kan radioaktiviteten minimeres, så det er sikkert at genbruge om cirka 100 år.

Disse er alle meget gode grunde til at overveje alternative fusionsreaktioner alvorligt, hvoraf der er flere. Som regel, hvis du vil reducere din strålingshovedpine, er omkostningerne endnu større hovedpine, der får din reaktor til at fungere overhovedet. Der er tre grunde til dette.

  1. Den krævede temperatur er højere.
  2. Fusionseffekten i forhold til effekttabskanaler, især Bremsstrahlung stråling, er lavere, så du kan tolerere mindre ineffektivitet.
  3. Energitætheden er lavere, hvilket gør kapitalomkostningerne pr. MW højere.

For fortalere for fusion woo betyder det ikke meget, om de ignorerer videnskab og ingeniørarbejde begrænsninger marginalt eller på en stor måde, så de går normalt direkte til den reaktion, der producerer færrest neutroner:

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

p er en proton (haven sort brint). B er den mest almindelige isotop af bor, som i sig selv er et rimeligt almindeligt element. Bemærk, at ingen af ​​reaktanterne eller produkterne er radioaktive eller sjældne. Især produceres der ingen neutroner, så du kan sætte en reaktor i din kælder og tage den til lossepladsen, når du er færdig med det, ikke? Først skal du sørge for, at der ikke kommer for meget deuterium eller B i dit brændstof, da de også smelter sammen og producerer neutroner. Men selv med isotopisk rent brændstof er der flere ubehagelige bivirkninger, herunder disse:

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

De første to producerer neutroner (omend lavenergi) og den tredje producerer hårde gammastråler. Resultatet af det er, at selv den 'aneutroniske' pB-reaktion ville producere nok neutroner til at kræve kraftig afskærmning og bortskaffelse af radioaktivt affald, det ville være omkring tusind gange mindre end DT-reaktionen, som allerede har størrelsesordener lavere problemer med radioaktivitet end nuklear fission.

Fortjensttalet, der normalt betragtes som mest vejledende for den samlede kvalitet af en plasmaindeslutningsanordning, er produktet af trykket og energiomslutningstiden (for eksempelτ, det 'tredobbelte produkt'). For p-B-fusion skulle det tredobbelte produkt være 500 gange større end det, der kræves for D-T-fusion. Efter 80 års indsats (fra og med 2020) er det ikke lykkedes os at opnå D-T-breakeven, så det ser ud til usandsynligt, at en løsning til p-B vil være tilgængelig snart.

Værre endnu, mens man måske forestiller sig at finde en måde at øge indespærringstiden ved at tilslutte det ene hul efter det andet, er der en slags tab, der i det væsentlige er umulig at stoppe: Bremsstrahlung-stråling. Standardberegningen under de mest optimistiske forhold indikerer, at Bremsstrahlung-tabet i et p-B-plasma altid vil være højere end den producerede fusionseffekt. Plasmaet kan ikke 'brænde', men vil sprænge ud. Nogle mennesker har brugt en stor indsats på at finde en vej omkring dette, for eksempel ved at holde elektroner koldere end ionerne eller ved at holde ionerne eller elektronerne i at slappe af til en Maxwellian (termisk) hastighedsfordeling, men den nødvendige energi til at opretholde disse specielle fordelinger er altid større end den producerede fusionsenergi.

Der er lagt mindre vægt på energitætheden, selvom det også ville være et dramatisk problem, selvom du kunne løse problemet med indespærring på en eller anden måde. For et givet tryk med ellers sammenlignelige forhold og rimelige tilnærmelser, ville effekttætheden for p-B være 2.000 gange lavere end for D-T. Hvis kapitalomkostningerne for en fusionsreaktor skaleres lineært med plasmavolumenet (en rimelig første nedskæring), ville elektricitet fra pB koste omkring 2.000 gange mere end elektricitet fra DT (dog hvis vi tager i betragtning, at pB plasma kan tillade mere effektiv energi konvertering, der kunne falde til 'kun' 400 gange mere). Selvom du kunne få p-B-fusion til at fungere, hvorfor vælger du ikke at sætte D-T-brændstof i stedet og producere hundreder af gange mere strøm til den samme investering?

Alle disse overvejelser - den resterende radioaktivitet, den lave effekttæthed, men især Bremsstrahlung-tabene - gør aneutronisk fusion til den største fusionswoo. Bortset fra kold fusion, selvfølgelig.

Den 'enkle og billige' del: alternative koncepter

Et tokamak interiør

Når kold fusion og aneutron fusion er væk fra bordet, har det meste af resten en videnskabelig kerne dybt inde inde, men PR afdeling oversælger potentialet på en måde et sted mellem 'aggressiv' og 'kriminel'.

Det bedste håb om at producere nettoenergi fra kernefusion er tokamak. Det vil sandsynligvis virkelig fungere, men det kan også vise sig at være en størrelsesorden dyrere end alternativer, hvad enten de er nuklear fission, solcelleanlæg i ørkenregioner eller brændende kul og leve med klima forandring . Det bedste argument for alligevel at fortsætte forskningen er, at detkunnevise sig at være bedre end forventet, og det vil kun koste et lille fald at finde ud af det i forhold til vores udgifter til energiforsyning.

Blandt de faktorer, der gør tokamaks (og deres mindre populære brødre stjernerne) dyre, er at de er toroidale (store og komplekse), og at plasmatrykket kun er omkring en tiendedel af magnetfeltets tryk. De fleste af alternativerne forsøger at angribe begge disse problemer. En toroidalMarker virkelig en god idé, fordi det er den eneste måde at undgå løse ender, men hvis du kunne producere det i en cylindriskmaskine, kan du muligvis gøre det meget mindre og billigere. Denne allé kaldes en 'kompakt toroid', hvoraf der er to større baner: Field-Reversed Configurations (FRC) og Spheromaks. FRC'er har også den fordel, at de iboende har et plasmatryk, der er næsten lige så højt som magnetfeltets tryk. (Lad ingen fortælle dig, at plasmatrykket kan være højere end magnetfelttrykket. Det matematiske bevis for dette faktum kaldes 'virialteoremet'.)

Sådan genkendes fusion crankery

'Se ma, nej peer review ! '

Det er ret let at genkende fusion woo. Følgende ting er store røde flag:

  • Ingen neutronproduktion, især når man hævder at bruge rent deuterium som brændstof. D-D-fusion producerer tritium i halvdelen af ​​sin reaktion; tritium gennemgår derefter D-T-fusion for at producere neutroner. Den anden halvdel af D-D-fusionsreaktioner producerer Han og en neutron. Ægte aneutroniske fusionsreaktioner kræver eksotiske brændstoffer (såsom helium-3) og forhold langt mere ekstreme end dem, der opnås ved de største 'Big Science' fusionsfaciliteter.
  • Brug af partikelacceleratorer som det primære middel til at opretholde plasmaet. Der er grundlæggende grunde, der forhindrer sådanne systemer i at generere nettokraft.
  • Anvendelse af andet brændstof end en deuterium-tritium-blanding, især protonborbrændstof. Betingelserne for p-B-fusion er så ekstreme, at Bremsstrahlung-tab ville dværge enhver kraft produceret af fusion.

Eksempler

  • CrossFire Fusion Reactor
  • Tri Alpha Energy - Et Californisk firma, der udvikler aneutroniske fusionsmaskiner
  • Fokusfusion - mens fremgangsmåden er en variant af den 'almindelige' magnetiske indespærringsfusion og måske ikke er helt ubrugelig, hævder dens tilhængere, at de i sidste ende er i stand til at opnå nettoenergiforøgelse fra proton-borfusion, hvilket stærkt mistænkes for at være fysisk umuligt.

'Blød' woo

Den nationale tændingsfacilitets målkammer flyttes til målbugten

Dette er emner, der, selvom de ikke åbenlyst bejler sig selv, ofte præsenteres af deres promotorer på måder, der får dem til at bejle.

  • ICF - Inertial Confinement Fusion (ICF), hvor ekstremt kraftige laserimpulser er fokuseret på små brændselspiller for at implodere dem. Dette modellerer nøje de processer, der sker i termonukleære våben . Det primære mål med disse faciliteter er at gøre det muligt at designe nye atomvåben og kontrollere pålideligheden af ​​eksisterende uden behov for testeksplosioner. Det er meget usandsynligt, at en sådan enhed nogensinde vil blive brugt til elproduktion, men det er langt mere politisk acceptabelt at beskrive disse projekter som energiforskning snarere end vedligeholdelse af lagre. ICF faciliteter inkluderer National antændelsesfacilitet i USA og USA Megajoule Laser i Frankrig. Det er påstandene om at være energiforskning, der resulterer i, at ICF klassificeres som soft woo; NIF bruger 422MJ elektricitet til at drive sin laser og har hidtil genereret et maksimalt output på 13 kJ fusion.
  • Fokusfusion - Også kendt som fusion med tæt plasma (DPF). Denne tilgang opnår bestemt fusion, og det er hævdet, at den producerer 4 gange fusionsbegivenhederne pr. Enhedsenergi af en ICF-enhed ved 1 / 12.000 effektniveauet ved hjælp af D-D og ikke det dyrere, men bedre D-T-brændstof. Således, hvis resultaterne er reelle, er det empirisk vist, at det er tættere på nettoenergiproduktion end ICF, selvom ICF i sig selv er langt fra at nå break-even.
    DPF'er kan være nyttige som en røntgen- eller neutronkilde uafhængig af fusionsenergiproduktion. Der er meget spekulationer om, at enheden er woo, fordi gruppen, der forfølger den, til sidst vil brænde p-B-brændstof og har dette brændstof fremtrædende, selvom deres enhed i øjeblikket forbrænder D-D-brændstof. Yderligere kritik pålægges gruppens leder, Eric Lerner, for hans afvisning af den almindelige konsensus om Stort brag , hvilket fører til mere tvivl om gruppens legitimitet.

Vil det nogensinde fungere?

Udsigterne for en sådan billig fusionsteknologi ser meget dystre ud. Tilbage i 1995 skrev en kandidat i fysik ved MIT, Todd Rider, en omfattende ph.d. afhandling, der undersøgte mange mulige måder at producere energi fra fusion i plasma langt fra termodynamisk ligevægt, dvs. på en måde, der ikke kræver vedvarende ekstremt høje temperaturer og tryk. Ingen af ​​de snesevis af tilgange, han studerede, kunne forventes at generere nettokraft, selv under meget optimistiske antagelser. Imidlertid har dette papir et smuthul, fordi det ikke undersøger 'forbigående ikke-ligevægtsforbrændingssystemer, der forsøger at producere tilstrækkelig fusionskraft, inden partikelfordelingerne ækvilibreres'. Der er selvfølgelig en lille chance for, at han lavede alvorlige fejl, der ikke blev set af ham eller hans korrekturlæsere, eller at der er en eller anden tilgang, han ikke overvejede, og energiforøgelse fra et steady state fusionssystem langt fra termodynamisk ligevægt er trods alt muligt .

Nogle af de enheder, der produceres af fusion woo-virksomheder, kunne finde applikationer steder, hvor der kræves intense neutronkilder - for eksempel i transmutation af atomaffald .

Ikke-woo tilgange

Fremgangsmåden til fusionskraft, der modtager størstedelen af ​​finansieringen, er magnetisk indespærringsfusion (MCF), som bruger kraftige superledende magneter til at skabe et spiralmagnetisk felt for at stabilisere plasmaet og muligvis ikke woo. Denne tilgang anvendes i ITER - anlægget under opførelse i Frankrig , som kunne producere nettokraft inden for det næste årti. Kommerciel anvendelse er dog stadig langt i fremtiden (efter 2050). Det Polywell , hjernebarnet til Robert 'interstellar ramjets' Bussard, er også en slags magnetisk indespærringsfusion; juryen er stadig ude af Polywells effektivitet, men den amerikanske flåde har fortsat vist interesse for den.

Den anden fremgangsmåde er inerti-indeslutningsfusion (ICF), hvor ekstremt kraftige laserimpulser er fokuseret på små brændselspiller for at implodere dem. Se ovenfor.