Úvod do termojaderné fúze 9. Nekonvenční myšlenky a marné naděje

Prezentace na téma: "Úvod do termojaderné fúze 9. Nekonvenční myšlenky a marné naděje"— Transkript prezentace:

1 Úvod do termojaderné fúze 9. Nekonvenční myšlenky a marné naděje
Jan Mlynář 9. Nekonvenční myšlenky a marné naděje Úvodní klasifikace, elektrostatické udržení (fusor), svazek v mg. poli (migma), mionová katalýza, studená fúze a patologie vědy, piezofúze a nanofúze, pyrofúze, bublinková fúze. Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

2 Úvodní klasifikace „Přírodní vědy se dělí na fyziku a na sběratelství známek.“ Lord Rutherford Podle tohoto citátu lze fúzní výzkum dělit následovně filatelie založená na fyzice (MCF a ICF, mionová katalýza) směs fyziky a filatelie (elektrostatické udržení, migma, pyrofúze) prakticky jen filatelie (piezofúze, bublinková fúze, studená fúze) Nic proti přístupu „alchymistickému“, v mnoha oborech je prakticky jediným zdrojem pokroku. Rozdílná podstata ovšem vede k obtížím 1. Vnější – laici chybně srovnávají (zejména média) 2. Interní – co je věda a co ne? A kdo to má rozhodnout? Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

3 Elektrostatické udržení
Oleg Lavrentěv Zaslal z vojenské služby Stalinovi návrh reaktoru s elektrostatickým udržením. Philo Farnsworth navrhl Fusor (známý i jako průkopník televize) Robert Hirsch – autor současné (jednodušší) podoby Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

4 Fusor Velký záporný potenciál (desítky keV) na vnitřní mřížkové sféře  ionty paliva prolétají a kolidují v centru. Zdroj iontů: koronální výboj u vnější elektrody (anody) Výhoda: jednoduchý zdroj neutronů Nevýhoda: Při trochu vyšších hustotách se katoda přehřívá, vůbec není jasné jak by byla chráněna v reaktoru Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

5 Fusor Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky
Photo of the Wisconsin IEC ( Inertial Electrostatic Confinement) device with a D-3He plasma in the center. It achieved fusion rates of up to 7 x 10**6 per second. Steady State D3He Proton Production in an IEC Fusion Device,” Fusion Technology, Vol. 39, p. 546 (2001) Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

6 Fusor Fusor Zajímavost: fusor je velmi oblíbený mezi amatéry
Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

7 Polywell Gridless inertial electrostatic confinement tj. inerciální elektrostatické udržení bez mřížky Myšlenka: v zařízení typu fusor nahradit pole záporné mřížky elektronovým oblakem, spoutaným v pasti vytvořené kombinací „cusps“ Myšlenka se objevila v 80. letech. Robert Bussard: první polywell 1995. 2006 přenáška Google Tech Talk Bussard zemřel  podpora ze sbírek i od US Navy  WB-7 1st plasma 2008, WB-8 v květnu 2011, demonstrace p-B fusion Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

8 Fusor vs. Polywell WB-6 Úvod do termojaderné fúze
9: Nekonvenční myšlenky

9 Migma Myšlenka: Urychlené ionty vlétávají kolmo do magnetického pole (uspořádaného do zrcadla), těsně míjejí osu cívky a jsou zachyceny na precesních drahách. B. Mäglich, přelom 70 a 80 let, Migma I až Migma IV, dále bez financí. Publikovány výborné výsledky v nTt, otázka je, jestli mají smysl. Svazek 0.3 mA, 1.35 MeV D2+, pole 3.4 T, hustota m-3 , average ion lifetime 40 s Potíže: účinnost, škálování, čistota. Nemůže dosáhnout zapálení (neudrží produkty). Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

10 Migma Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

11 Mionová katalýza - princip
Mion – těžký lepton (někdy nepřesně řazený mezi mezony) – funguje jako katalyzátor umožňující fúzi za nízkých teplot: Výroba ~ 6 GeV na mion (včetně všeho) Hlavní obtíž: Stihne si mion energeticky „vydělat“ na svoji existenci? Podle srovnání poločasů to možné je, potíž je ale jev zachycení m na produktu a. Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

12 Mionová katalýza II Mionová katalýza
w – pravděpodobnost zachycení mionu na a (probability of sticking ) Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

13 Mionová katalýza – bilance
Zpomalování ~ 10-8 s Kaskáda do základního stavu ~ s Vznik a-částic Vznik a-částic s mionem (m-sticking) TRIUMF ověřil r pomocí svazků mT, že kolem 1eV existuje zvýšený účinný průřez („rezonance“)  cvičení Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

14 Mionová katalýza - závěr
naprosto reálný, předpovězený jev. Ovšem kvantitativně záleží na řadě parametrů, jejichž chování je známo jen empiricky pokud by fungovalo jako zdroj energie: skutečná studená fúze, ovšem s vysokým podílem cirkulující energie zatím nefunguje kvůli kombinaci vysoké energetické náročnosti na výrobu katalyzátoru, jeho krátké době života a skutečnosti, že se část katalyzátoru ztrácí tím, že se váže na produkt. naděje na dotažení do inženýrského breakeven jsou momentálně nicotné (nicméně fyzikální teorie a modely to nevylučují) Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

15 Studená fúze - princip Elektrolýza těžké vody pomocí paladiových elektrod. Paladium absorbuje vodík, až několik atomů deuteria na jeden atom paladia. Při kalorimetrických měřeních se někdy údajně pozoruje nevysvětlitelný zdroj tepla (a někdy velmi intenzivní). Proto se provádějí zejména měření v dobře tepelně izolovaných systémech. Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

16 Studená fúze - historie
První myšlenka na absorbci v paladiu jako katalyzátoru fúze – Německo 1926, opakuje se ve Švédsku 1932. Od 60. let – Fleischmann, Utah University, se snaží ověřit zda chemické procesy opravdu nemohou vést k jaderným procesům. S. Jones z nedaleké Brigham Young University studoval mionovou katalýzu, pak piezofúzi, a nakonec se věnoval měření neutronů z elektrolýzy, viděl signál – dohoda o společném datu publikování výsledků. 10. března 1989 Fleishmann a Pons porušují dohodu - pořádají tiskovou konferenci o objevu studené fúze a zasílají článek k publikování. Důvod? Asi kvůli potenciálnímu patentu. Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

17 Studená fúze – věda a média
Obrovský ohlas. Během jediného měsíce řada laboratoří potvrdila výsledek, ale řada nikoli a také mnoho těch, které výsledek potvrdily, své tvrzení stahují. Média šíří senzace, ale situace začníná být zmatená. „fusion confusion“ Vědci jsou zpočátku nadšení, málokdo zachová chladnou hlavu. Kdo může, zkouší potvrdit výsledky. Kdo je potvrdí, okamžitě publikuje. Kdo ne, hledá chybu v experimentálním uspořádání. ...i situace v naší laboratoři byla více než typická. Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

18 Studená fúze – interpretace
Především, výsledky nejsou dobře reprodukovatelné, dokonce ani sami jejich autoři nevědí, kdy a za jakých podmínek bude jev pozorován. Pokud vůbec je co vysvětlovat, pak buď Varianta k elektrolýze: výboj v plynu. Jev nesouvisí s fúzí. Může jít o neznámý chemický proces, navržena je i hypotéza o slabé interakci (anihilace elektronů s protony) Jde o fúzi. Pak ale není jasné, jak k ní vůbec může dojít, proč není vidět spousta neutronů a tritia, resp. proč není vidět g záření. Řada divokých hypotéz (lokálně vysoké napětí, Bose-Einsteinův kondenzát, Mossbauerův efekt, multi-body reakce, atd.atd.) Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

19 Studená fúze – závěr Studená fúze dnes spadá pod
„Condensed Matter Nuclear Science“ Pro její budoucnost byly rozhodující zejména „panely DoE“ které víceméně opakovaně došly k závěru, že studenou fúzi nelze prokázat. Obecně závěr je, že v jejím výzkumu má smysl pokračovat nejvýše v rámci základního výzkumu. V praxi jej dodnes provozuje komunita nadšenců, kteří jsou bohužel vyděleni z hlavního proudu vědy a kteří se tím víc navzájem utvrzují ve své pravdě. Infračervené foto „hot spots“ v katodě během experimentu Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

20 Patologická věda a patologie vědy
Irving Langmuir (otec pojmenování „plazma“), symptomy patologické vědy: Maximum pozorovaného jevu je způsobeno sotva detekovatelnou příčinou, a aplituda jevu je v podstatě nezávislá na intenzitě příčiny. Samotný jev zůstává na hranici pozorovatelnosti, anebo je nutné vykonat mnoho měření, aby se zlepšila statistika pozorování Měření jsou deklarována s vysokou přesností Navrhují se fantastické teorie, které jsou v rozporu se zkušeností Odpovědi na kritiku jsou účelové (ad-hoc) Podíl příznívců ke kritkům prudce roste a pak pomalu klesá do zapomnění To na studenou fúzi evidentně sedí. Zodpovědnost není jenom na straně autorů. Naprostá většina vědců byla zpočátku studenou fúzí nadšena. Slavné odborné časopisy otiskovaly „peer-reviewed“ články s chybami. O pár let později většina vědců považuje studenou fúzi v lepším případě za chybu druhých, v horším případě za podvrh. A odborné časopisy ignorují jakýkoli článek, který obsahuje slova „cold fusion“ Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

21 Ultra-dense deuterium
Energy Catalyser January 2011 E-cat Not a fusion reaction but a chemically assisted nuclear reaction - hydrogen in nickel (??) Built by A Rossi and S Focardi, University of Bologna. Claim that due to patent application details will not be published… In demonstration, 12 kW with no measurable H consumption shown. Unfavorable preliminary report. Ultra-dense deuterium Million x higher density than frozen deuterium University of Gothenburg, Leif Holmlid Rydberg matter – quantum fluid, D(-1), 2.3 pm bend distance Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

22 Cluster Impact Fusion Podobně „hypervelocity impact“
Projektily (např. kapičky těžké vody) vystřelovány proti terči. Maximální rychlost projektilů kolem 220eV na molekulu (100 km/s) Opět – objevila se tvrzení, že byly pozorovány fúzní neutrony, přestože podle fyzikálních modelů není jasné, kde by se tam mohly v měřitelném množství vzít. Filatelistické vysvětlení: Nějaký mechanismus koncentrace (fokusace) energie rázu. Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

23 Magnetized target fusion
Impact Fusion + FRC “new, patent pending concept” - Acoustically driven MCF V rotující kapalině Li-Pb se srážkou dvou sféromaků vytvoří FRC, v tom okamžiku se akustickou vlnou v kapalině FRC zkomprimuje až na fúzní zapálení. Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

24 energie elektrického pole
Piezofúze a nanofúze Piezofúze – tvrzení, že v elektrodách dochází k intenzivnější studené fúzi v případě, že dojde k piezoelektrickému jevu. Fenomenologické vysvětlení je, že v důsledku přeměny kinetické energie na energii elektrického pole vznikne takový spád elektrického pole, který stačí k potřebnému urychlení deuteronů uvnitř krystalu. Nanofúze – jako piezofúze, s tím rozdílem, že uvažuje o záměrné konstrukci takových krystalických poruch, které by optimalizovaly fugování piezofúze. kinetická energie srážky tepelná energie Anizotropní krystaly: Piezoelektrický efekt Pyroelektrický efekt energie elektrického pole Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

25 Pyrofúze - princip Při aplikaci rozdílu teplot na některé anizotropní krystaly vzniká elektrické napětí – jeho intenzitu lze dále zvýšit pomocí hrotu s malou plochou. Urychlování deuteria v tomto napětí vede k fúzi. Jde o reálný výsledek z roku 2004, který byl opakovaně prokázán v nezávislých experimentech. Sami autoři uvádějí, že si nelze představit užitečný energetický zdroj na bázi pyrofúze – urychlování bude vždy stát mnohem více energie, než kolik fúze uvolní – zato má bezpochyby velký potenciál jako jednoduchý, malý a mobilní zdroj fúzních neutronů (dnes zhruba 1000 n/s) nebo pro miniaturní tryskový pohon. 2010 – pozitivní výsledky při aplikaci tritia (14.1 MeV neutrony) Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

26 Pyrofúze - princip Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

27 Pyrofúze - výsledky d a nabité částice neutrony
Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

28 Pyrofúze - pokrok J. Geuther, Y. Danon, F. Saglime, Rensselaer Polytechnic Institute, „Nuclear Reactions Induced by a Pyroelectric Accelerator“ Phys. Rev. Lett. 96, (2006) Potvrzení efektu, vylepšení tak, že funguje i za pokojových teplot, a používá dvou krystalů ke zdvojnásobení napětí. (200 keV) Perspektiva: přenosné neutronové zdroje na baterie – odhalování plastických náloží. Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

29 Bublinková fúze - princip
Oficiálně „Acoustic inertial confinement fusion“ Kavitace: vznik bublinek ve vodě při lokálním podtlaku. Při výzkumu kavitace u ponorek byla objevena sonoluminiscence – záblesky světla během hroucení bublinek. Znamená to, že v rázové vlně v centru kolapsu vznikají překvapivě vysoké teploty. To vedlo k myšlence, že by teploty mohly být dost vysoké i k fúzi. ORNL 8. března 2002 oznamuje pozorování neutronů a tricia během sonoluminiscence. Rusi P. Taleyarkhan (ORNL) Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

30 Sonoluminiscence Sonoluminiscence je slabý jev a daří se ji rozumně zkoumat až od roku 1989, kdy se podařilo jednotlivou bublinku zachytit v akustické stojaté vlně. Vlna musí mít vysokou intenzitu (přes 100 dB) Bublinka pulsuje s frekvencí vlny (obvykle ultrazvuk, např 25 kHz), záblesk trvá jen několik pikosekund. Velmi pravidelné. Prokazatelně jdou teploty ke stotisícům Kelvin. Vyšší jsou diskutabilní (chemické procesy). Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

31 Sonoluminiscence Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

32 Bublinková fúze - závěr
Obtíž: jak vytvořit čistou bublinku. V klasickém uspořádání jsou zárodky bublinek často vytvářeny pomocí neutronového záření. To je zdrojem jedné z mnoha kritik Taleyarkhanových experimentů (chybné měření neutronů, záměna fúzních a rozptylových) Rusi P. Taleyarkhan byl podroben velmi tvrdé kritice a posléze i náročné kontrole od vlastního zaměstnavatele (ORNL). Žádná neprofesionalita ani špatný úmysl nebyl prokázán. Testováno i v pořadu BBC “Horizon”, s negativním výsledkem. Pokud efekt existuje, je na hranici měřitelnosti a je špatně reprodukovatelný. Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky

33 Závěr různé nápady na realizaci fúze by měly mít možnost „volné soutěže“. potíž je, že zdroje pěněz nejsou bezedné. v této situaci je otázka, zda nápady, které si „utrhly ostudu“ mají mít druhou, třetí... šanci. (V podobné situaci se ocitly i toroidální pinče) rozpor, který skutečně končí patologicky, tím, že vědci začnou jednat subjektivně (zejména ti, kteří bezmezně věří v objektivní podstatu vědy) Nakonec rozhodne politika, často pod tlakem médií. Věda je lidským, navýsost kulturním fenoménem, a jako taková nemůže být zcela odtržena od emocí, víry a intuitivního rozhodování. Každopádně by „měla být“ objektivní, což je (nedosažitelný) ideál. Dnes se vědecky zkoumá i „sociologie vědy“, vychází značně kritické, případy jako studená fúze (spolu s prokazatelnými podvrhy) jsou pro ni významným zdrojem informací. Úvod do termojaderné fúze 9: Nekonvenční myšlenky