réacteur Polywell et propulsion spatiale

[Geb]

Bonjour à tous,

Je ne résiste pas à l'envie de deviser avec vous sur le principe du Polywell. Il s'agit d'une des nombreuses façons de produire des neutrons issus de la fusion nucléaire comme :

- le confinement magnétique (principe d'ITER)
- le confinement inertiel par laser (principe du Laser MegaJoule)
- le confinement inertiel par striction axiale (principe de la Z-Machine)
- ...

Le nom Polywell est issu du mot-valise formé par la fusion de polyedral potential well ("puits de potentiel polyédrique" en anglais).

Le principe de fonctionnement est exprimé sur ces quelques pages web (en anglais), de manière très didactique :

- Wiffleball
- Making Electricity

Aussi, de nombreuses publications sont disponibles dans le bas de cette page web :

- Inertial Electrostatic Confinement Fusion

Le transcript d'une conférence donnée chez Google par le fameux Robert. W. Bussard, inventeur du Polywell :

- Should Google Go Nuclear?

Enfin, le site internet de la société qui le développe :

- Energy Matter Conversion Corporation

Je trouvais opportun de commencer ce fil dans le forum astronautique, étant donné que le Polywell pourrait conduire à des réacteurs à fusion nucléaire p⁺ / ¹¹B avec un rapport puissance/masse de ~100 kWe à ~600 kWe/kg !

Bonne lecture.
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[Tryss]

Intéressant... Je ne connaissais pas, et ça m'a l'air prometteur

D'autant plus que c'est apparemment relativement bon marché comme expérience. Un budget de 200 millions de dollars prévu pour un réacteur de 100MW. C'est 5 fois moins cher par MW que le budget initial d'ITER

[Geb]

Bonjour,

Intéressant... Je ne connaissais pas, et ça m'a l'air prometteur

Je suis entièrement d'accord.

Un budget de 200 millions de dollars prévu pour un réacteur de 100MW. C'est 5 fois moins cher par MW que le budget initial d'ITER

Trois choses :

- le budget initial a explosé, passant de 8 à 16 milliards d'euros (50% construction, 50% exploitation).
- ITER fonctionnerait en mode pulsé pour 400 secondes en continu.
- ITER ne produirait pas d'électricité mais de la chaleur (environ 500 MWth).

La centrale que se propose de construire EMC2 concernerait un démonstrateur de 100 MW électrique, capable, à terme, de fonctionner en continu.

Donc si on ignore le mode pulsé, et qu'on intègre le rendement (33%) de la conversion thermoélectrique (qui n'aura pas lieu) pour ITER, cela nous fait : 12 milliards de dollars pour 166,67 MWe. Soit un rapport de 72 pour 1.

Cordialement

[Geb]

Je voudrais attirer l'attention sur les propulseurs utilisant un réacteur à fusion sur le principe développé par EMC2.

Il s'agit des 3 moteurs QED (quiet-electric-discharge) décrit dans ce pdf :

Inertial-Electrostatic-Fusion Propulsion Spectrum: Air-Breathing to Interstellar Flight

Il y aurait donc le moteur ARC (all regeneratively cooled engine system), le moteur CSR (controlled-space-radiation cooling system) et le moteur DFP (diluted-fusion-product engine system).

La source d'énergie est un réacteur Polywell au p/11B de 4500 à 8000 MWe :

[...] a typical p11B fusion-electric source system useful for rocket propulsion would operate at about 250-kV drive voltage, with a radius of 2.5-3.0 m, a gross gain of 32-40, and net electric power of 4500-8000 MWe.

Il faut encore que je lise le reste de la documentation sur chacun de ces moteurs pour bien comprendre leurs synergies avec le réacteur Polywell.

Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite2946c1c2]

Bonsoir,

je ne suis pas un spécialiste et je n'ais fait que survoler les documents mais d'après ce que j'ai compris ce sont les électrons concentrés au centre de la machine qui accélèrent les ions H et Bo de tel sorte qu'ils aient assez d'énergie cinétique pour franchir les barrières électrostatiques et fusionner.

Mais la masse de l'électron est de l'ordre de 10^-31 kg alors que celle d'un proton est de l'ordre de 10^-27 kg. Il faut donc 10^4 électrons pour atteindre la masse du proton.

Mais alors soit l'accélération de H n'est pas fulgurante et donc pas assez grande pour permettre la fusion (et ne parlons pas du bore qui possède bien plus d'un proton!),
soit l'électron atteint peut être une vitesse phénoménale mais j'en doute,
soit il faut 10^4 électrons pour un proton ce qui implique un nombre considérable d'électrons a concentrer au centre de la machine et encore la vitesse finale du proton et du bore sera-t-elle seulement suffisante ?

Ainsi le dispositif pourrait fonctionner a petit échelle pour la fusion de quelques couples Bo-H seulement mais plusa à grande échelle lorsqu'il s'agit d'en accélérer un plus grand nombre.

Peut etre que je suis completement a coté de la plaque et justement j'attends vos explications avec impatience.

Bonne soirée !

[invite2946c1c2]

PS :

Parce que la force d'attraction électrique suit la loi suivant : Fe=(kQq)/d(AB) avec les q pour les charges, k laconstante diélectrique et d(AB) la distance entre les particules A et B.
La force que subissent proton et électron est donc la même mais si l'on considère que F=ma alors l'accélération du proton sera ridicule devant celle de l'électron.

S'il l'on simplifie le système en ne considérant qu'un électron et un proton, l'accélération que subit le proton vaut 10^-4 fois celle de l'électron !!!

[Geb]

Bonjour,

Un réacteur Polywell utilise 6 aimants formant un polyèdre, généralement un cube tronqué (un aimant pour chaque face du cube), qui forme un réseau appelé Magrid (Magnetic grid). Le réseau d'aimants concentre un nuage d'électrons appelé puits de potentiel (potential well) en son centre. Cette opération est effectué dans une chambre à vide. Des électrons (charges négatives) issus de canons à électrons, sont couplés à la Magrid chargée positivement. Les électrons sont accélérés jusqu'aux centres des trous dans la Magrid (de formes torique). Chacun des tores de la Magrid est constitué de bobine de fil conducteur. Quand le courant électrique circule dans les fils des bobines, cela crée un champ magnétique. Le champ magnétique rempli deux objectifs : il préserve les électrons concentrés dans le puits de potentiels, et il protège les aimants chargés positivement de la Magrid du flux d'électrons. Si les électrons entraient en collision avec la Magrid, ils seraient perdus et l'efficacité du Polywell a emmagasiné les électrons serait compromise.

Il y a 8 chemins possibles pour certains des électrons éventuels qui parviendraient à quitter le puits de potentiels au centre. Ces portes de sorties sont appelé points de rebroussement (cusps en anglais). Comme le montre ce schéma, si un électron s'échappe à travers un point de rebroussement, son mouvement sera de nouveau infléchi par le champ magnétique. Ainsi, son mouvement formerait une spirale suivant les lignes de champ hors de la Magrid, autour d'une des sections d'un des aimants. Les électrons qui se déplacent en spirale pour être renvoyés à l'intérieur du puits de potentiels sont dit électrons circulant.

Lorsque les premiers électrons sont propulsés au centre de la Magrid, ils circulent facilement, de l'intérieur vers l'extérieur, suivant les lignes de champ. Au début, toutes les lignes de champ magnétiques passent à travers le centre de la Magrid, ainsi les électrons sont naturellement plus concentrés au centre de celle-ci. Cette concentration a pour effet de repousser le champ magnétique loin du centre, pinçant les lignes de champ contre la Magrid.

Tandis que les lignes de champ sont pressés contre la Magrid, les points de rebroussement qui sont autant de portes de sortie, deviennent de plus en plus petits, et les électrons ne peuvent plus circuler aussi aisément. La sphère de confinement ainsi formée est appelé une Whiffle Ball. Les électrons effectuent de violents va-et-vient à l'intérieur, essayant de s'échapper.

Une fois la Whiffle Ball formées, les ions à fusionner sont injectés dans le puits de potentiel. Les ions sont attirés par le nuage d'électrons et accélérés jusqu'au centre de puits de potentiel. Les atomes énergétiques de bore et d'hydrogène entrent en collision et fusionnent, ce qui produit 3 atomes d'hélium et dégage 8,68 MeV d'énergie.

Mais la masse de l'électron est de l'ordre de 10^-31 kg alors que celle d'un proton est de l'ordre de 10^-27 kg. Il faut donc 10^4 électrons pour atteindre la masse du proton.

Le rapport de masse entre l'électron et un ion fusionné n'a aucune importance. L'accélération des ions positifs qui doivent fusionner est dûe à des charges électriques. Hors la charge électrique élémentaire de l'électron est exactement celle du proton. C'est la différence de potentiel qui accélère les particules. Il suffirait par exemple de 150 000 Volts pour fusionner des ions de bore et d'hydrogène. Il suffit de 1 millions d'électrons en plus du nombre d'ions. Soit, s'il y a 1,000000 x 10¹² ions, il suffit de 1,000001 x 10¹² électrons pour que la machine fonctionne.

Cordialement

[invite2946c1c2]

Ce que je voulais dire c’est que même si protons et électrons subissent la même force ils n’auront pas la même vitesse. Pourquoi ce sont les satellites qui tombent sur terre et pas la terre sur les satellites alors qu’ils subissent la même force. Tout simplement parce que la masse du satellite est insignifiante en comparaison de celle de la Terre et donc le satellite à une plus grande accélération que la Terre. Mais même si on ne le remarque pas cette dernière possède aussi une accélération, mais négligeable.

Il en est de même pour les protons et les électrons dans ce système. Lorsqu’un proton va interagir avec un électron l’électron va subir une forte accélération alors que celle du proton sera négligeable sauf si le nombre d’électrons par protons est considérable.

Un proton peut donc être accélérés par un électrons mais je doute que cette accélération soit suffisante pour augmenter suffisamment la vitesse du proton (en vue de la fusion pour vaincre les puissantes forces de répulsions électriques) avant que l’électron quitte le système.

Par exemple dans les plasmas les mouvements de charges effectuées spontanément pour rétablir la neutralité électrique sont essentiellement dus aux électrons. Parce que les ions ionisés bougent eux aussi mais sont trop lourds pour que ce soit significatif.

[Gilgamesh]

Oui, ça serait bien que la recherche reprenne sur ce type de piege électrostatique.
C'est à ce type de dispositif que j'avais songé pour l'Arche :
http://strangepaths.com/forum/viewto...8&p=912&hilit=

a+

[Geb]

Bonjour,

Il faut encore que je lise le reste de la documentation sur chacun de ces moteurs pour bien comprendre leurs synergies avec le réacteur Polywell.

Le moteur QED/ARC utilise l'énergie électrique issue de la fusion pour alimenter un laser à électrons libres (invention mise au point en 1976) qui à son tour chauffe un propulsif pour obtenir un plasma à très haute température qui est éjecté par une tuyère. Le QED/ARC utiliserait de l'hydrogène (Isp max = 8 000 à 12 000 s), de l'ammoniac ou de l'eau comme propulsif (Isp max = 3 500 à 5 000 s).

Le moteur QED/CSR diffère du premier par la manière dont il est refroidit. Dans le QED/ARC, le moteur est entièrement refroidi par le flux de propulsif qui protège les constitutifs du moteur de l'échauffement. Dans le QED/CSR, une partie significative (environ 18%) de la chaleur est évacué par un radiateur spatial (68% de la masse totale du propulseur). La limite sur l'Isp dans le cas du QED/CSR dépend du minimum de chaleur qui doit encore être évacué par un flux de propulsif. Le minimum étant d'environ 1/10000, dû aux rayons X qui chauffent la tuyauterie et les aimants supraconducteurs. Dans ce cas l'Isp monte jusqu'à 50 000 à 70 000 s.

Le moteur QED/DFP est fondamentalement différent des 2 premiers. Dans ce moteur, l'énergie cinétique des produits de fusion n'est pas convertie en électricité et ceux-ci sont simplement dilués avec un propulsif. Si la dilution est de 100 pour 1, l'Isp est de 140 000 s. Si les seuls produits de fusion sont utilisés (ils ne sont pas dilués avec un propulsif), l'Isp max monte à 1 400 000 s.

Source : Inertial Electrostatic Fusion Propulsion Spectrum: Air-Breathing to Interstellar Flight

Oui, ça serait bien que la recherche reprenne sur ce type de piege électrostatique.
C'est à ce type de dispositif que j'avais songé pour l'Arche

Dans le cas de l'Arche était-ce uniquement pour la fusion, ou tu utilises également le concept des QED/DFP ? Si tel est le cas, l'Arche représentant plusieurs dizaines de milliards de tonnes, de combien de propulseurs aurait-on besoin ? Quelle diamètre maximal pourrait-on envisagé pour les réacteurs à fusion ?

Pour info, les dernières nouvelles à ma connaissance concernant le Polywell (10 mai 2011) :

Fusion goes forward from the fringe

Avec en prime, une belle photo de WB-7 en fonctionnement. Apparemment, il vise le breakeven pour la mi-2013 (100 milliwatts de production nette, avec 6 mois de retard sur le planning) avec WB-9.

Cordialement

[Geb]

La pression atmosphérique normalisée (soit 1 atmosphère) équivaut à 101325 Pascals. Le Pascal est l'unité du système international qui équivaut à 1N/m². Aux États-Unis, on utilise encore le Torr, qui équivaut à la pression d'un mm de mercure (mmHg) dans des conditions standards de température (1 atmosphère = 760 mmHg).

Dans le pdf intitulé "Should Google Go Nuclear?", on explique que la chambre à vide utilisée pour les expériences était un cylindre de 11 m³ (3,5 mètres de long et de 2 mètres de diamètre). Dans un pdf intitulé "The Advent of Clean Nuclear Fusion: Superperformance Space Power and Propulsion", on explique (en page 3) que la pression à l'intérieur de la chambre était maintenue à 3 x 10^-9 Torr du début des recherches expérimentales (1989) jusqu'au test de WB-5 (2004-2005).

Quels sont les moyens de pompage d'un volume relativement grand (11 m³) jusqu'à un vide aussi poussé que 4 x 10^-7 Pa ?

En cherchant un peu sur internet on a quelques pistes avec la pompe turbomoléculaire, la pompe ionique (comme la pompe à sorbeur), et la cryopompe qui peuvent atteindre un vide de 10 nanopascals.

Seulement pour atteindre un tel vide, il faut pouvoir disposer d'appareil de mesure de la pression totale jusqu'à un vide semblable. Pour cela, on peut utiliser 2 manomètres (à ionisation) : le manomètre de Bayard-Alpert (inventé en 1950) et le manomètre de Redhead.

Seulement dans un volume aussi grand comment quantifie t-on et comment localise t-on une éventuelle fuite ? Autrement dit, comment mesure t-on l'étanchéité d'une chambre à vide ?

Cordialement

[kalish]

@spacefan, il y a une faute dans votre calcul elle décroit en 1/d(AB)^2, pour le reste si on applique une règle de 3 on va se retrouver avec des vitesses presque trop grandes, mais c'est vrai que plus c'est lourd moins ça va vite...En même temps moins ça va vite plus ça subit longtemps la force, et plus la transmission de la quantité de mouvement est donc importante, ça n'est pas si simple, l'énergie cinétique c'est p^2/m, il me semble que si les électrons restent au centre, il faut juste que p^2/m = barrière coulombienne (un peu plus), c'est faisable. Cela fait longtemps que l'on sait produire des réactions de fusion par confinement électrostatique ou autre, on n'envisage pas d'en faire des réacteurs car la réaction n'arriveraient pas à s'alimenter elle même, néanmoins, pour la propulsion, on sen fiche de l'ignition. Par contre l'usure du matériel, même si il est rustique, est bien réel. On devra envisager d'en changer régulièrement.

[Geb]

Bonjour,

Cela fait longtemps que l'on sait produire des réactions de fusion par confinement électrostatique ou autre, on n'envisage pas d'en faire des réacteurs car la réaction n'arriveraient pas à s'alimenter elle même, néanmoins, pour la propulsion, on sen fiche de l'ignition.

Il y a actuellement 3 approches vers la fusion p⁺/¹¹B :

- le Polywell, développé par Energy Matter Conversion Corporation.
- la fusion DPF (Dense Plasma Focus), développé par Lawrenceville Plasma Physics.
- la fusion FRC-CB (Field-Reversed-Configuration Colliding Beams), développé par Tri-Alpha Energy.

À ma connaissance, le Polywell est le seul qui pourrait fonctionner en continu, et non pas en mode pulsé comme les 2 autres approches. Mais contrairement à ce que kalish dit, il s'agit bien de produire un gain énergétique net.

Par contre l'usure du matériel, même si il est rustique, est bien réel. On devra envisager d'en changer régulièrement.

Eric Lerner, président de Lawrenceville Plasma Physics, qui développe la fusion DPF, à comme Robert Bussard l'année auparavant, fait une conférence au Google Tech Talks en 2007 :

Focus Fusion: The Fastest Route to Cheap, Clean Energy

Il parle notamment de ce problème de l'érosion du matériel à propos du DPF (changement de l'électrode tous les mois). Mais j'ignore si les deux autres méthodes, et le Polywell en particulier, seraient sujettes à un problème d'érosion aussi important.

Dans sa conférence, Eric Lerner parle également des réactions secondaires (à 40:33) qui produisent des neutrons :

¹¹B + p → ¹¹C + n − 2.8 MeV

¹¹B + alpha → ¹⁴N + n + 157 keV

Plus d'informations ici : Residual radiation from a p–11B reactor

Cordialement

[kalish]

À ma connaissance, le Polywell est le seul qui pourrait fonctionner en continu, et non pas en mode pulsé comme les 2 autres approches. Mais contrairement à ce que kalish dit, il s'agit bien de produire un gain énergétique net.

Possible, je n'ai pas lu en détail et j'en étais resté aux anciennes méthodes. Le problème de l'usure est un pb dans tous les types de fusion envisagés, mais à plus ou moins long terme selon le mode. Comment envisage-t-on de diriger l'énergie pour obtenir une poussée? Lénergie doit sortir sous plein de forme différentes. Un flux de neutron isotrope ça peut faire mal et ça fait de la perte, et les rayonnements etc.

[Geb]

Comment envisage-t-on de diriger l'énergie pour obtenir une poussée? Lénergie doit sortir sous plein de forme différentes. Un flux de neutron isotrope ça peut faire mal et ça fait de la perte, et les rayonnements etc.

Comme exprimé au message #10 de cette discussion, il y a 2 façons de procédé pour produire de la poussée

1) Le réacteur Polywell produit de l'électricité qui sert à alimenter un laser à électrons libres. Ce laser à électrons libres est ensuite utilisé pour chauffer un propulsif qui est éjecté par une tuyère.

2) Les produits de la réaction de fusion issus du Polywell sont directement utilisés pour chauffer un propulsif, ou encore, ce ne sont que les produits de réaction eux-mêmes qui sont éjectés par la tuyère (Isp maximale).

Aussi, l'utilisation du couple p⁺/¹¹B pour la réaction de fusion nucléaire garantit un flux de neutrons (par des réactions secondaires) minimum.

Cordialement.

[kalish]

J'aurais du reformuler ma question alors, dans le cas où on utiliserait des produits de réaction pour les éjecter directement, comment les diriger? Je suppose que tout ce qui se produit n'est pas forcément chargé, et que les photons x et gamma traversent les blindages les plus épais.

[Geb]

Bonjour,

Nous savons combien les réactifs et les produits de la réaction pèsent, donc l'énergie libérée est une donnée connue : c'est 8,68 MeV par réaction.

Dans les papiers de Bussard, on explique qu'un atome de 12C dans un état excité est d'abord produit. Ensuite, il y a fission de cet atome en un atome de 4He (3,76 MeV) et un atome de 8Be, qui lui aussi fissionne pour donner les deux derniers atomes de 4He (2 x 2,46 MeV).

Cependant, en essayant de trouver plus de détails sur l'énergie associée à l'émission gamma lors de la réaction p⁺/¹¹B, j'ai trouvé ceci :

- Understanding the ¹¹B(p,α)αα reaction at the 0.675 MeV resonance

Il s'agit d'un papier récent (décembre 2010), financé par Tri Alpha Energy, qui tend à prouver que pour des températures de 675 à 2640 keV (1 eV = 11602 K), la réaction p⁺/¹¹B libère d'abord 2 atomes de ⁴He à une énergie d'un peu moins de 4 MeV chacun, et ensuite un autre atome de ⁴He à un peu moins de 1 MeV (pour un total de 8,68 MeV bien entendu). Évidemment, le Polywell ne travaillerait pas à des températures aussi élevées (le réacteur du moteur DFP monte jusqu'à 250 keV), mais les auteurs disent qu'ils ont vérifié la réaction jusqu'à 200 keV et elle garde les 2 atomes à 4 MeV jusqu'à ce niveau.

Autrement dit, je ne sais pas comment EMC2 a prévu de s'occuper du problème des radiations X et gammas. Cependant, les 3 atomes d'hélium produits par la réaction, sont bien des particules chargées qui peuvent être dirigées par un champ magnétique toroïdal à travers une tuyère magnétique.

Aussi, comme cité plus haut, quelques réactions secondaires produisent des neutrons. L'énergie véhiculée par ces neutrons représenterait 0,1 à 0,2% de l'énergie de fusion. Pour un moteur DFP de 10 GW, cela représente tout de même 10 à 20 MW de neutrons contre lesquels il faut se protéger. Un bouclier en bore-10 pourrait faire l'affaire il me semble.

Cordialement

[invite2946c1c2]

Bonjour !

Merci kalish pour ton explication je comprends mieux maintenant

[kalish]

Ok merci Geb, je pensais que ça représentait une plus grande proportion, du coup c'est surtout un danger, en séloignant un peu ça devrait être acceptable.

[Geb]

Bonjour,

Les rayonnements gamma et les flux neutroniques ne sont jamais complètement arrêtés par la matière. C'est de ce constat qu'est née la notion de couche de demi-atténuation en radioprotection.

Ce qui est sûr, c'est que les rayons gamma ont une énergie supérieure à 100 keV et ceux issus d'une désintégration (comme celles de ¹²C et ⁸Be) ne dépassent pas 10 MeV.

Même si la réaction p⁺/¹¹B reste incommensurablement plus propre que la réaction D/T, les rayonnemments X, gamma, et le flux de neutrons restent un problème qu'il faudra résoudre avant de construire des moteurs aussi puissants que le DFP.

La première étape après la démonstration de la fusion nucléaire p⁺/¹¹B à haut rendement serait le développement du moteur QED/ARC. Bussard estimait en 1993 le coût de développement du moteur QED/ARC à 2 milliards de dollars sur 7 à 9 ans. Quant à lui, le coût de développement d'un lanceur orbital mono-étage réutilisable faisant usage de ce moteur avait été estimé à 10 milliards de dollars sur 7 ans. Soit respectivement 3 et 15 milliards de dollars de 2011.

Au mieux, on aurait une centrale électrique pour 2020 et un lanceur mono-étage réutilisable équipé d'un QED/ARC pour 2035-2040 au plus tôt. Avec beaucoup d'optimisme vu les résultats des expériences sur la fusion ces 60 dernières années.

Cordialement

[Geb]

C'est un peu hors-sujet par rapport à la propulsion spatiale, mais je n'ai pu m'empêcher de chercher des infos sur les réserves mondiales de bore.

D'après le U.S. Geological Survey, la production mondiale de minerais de bore s'élevait en 2010 à environ 3,5 millions de tonnes (non-incluse la production des États-Unis). Pour fixer les idées la production des États-Unis était estimée à 1,15 millions de tonnes en 2005 (les données disponibles les plus récentes). Les réserves mondiales de minerais étaient estimées dans ce même rapport (janvier 2011) à 210 millions de tonnes, le top 5 étant constitué de : la Turquie (60 Mt), les États-Unis (40 Mt), la Russie (40 Mt), le Chili (35 Mt) et la Chine (32 Mt).

En fouillant un peu dans les publications du U.S. Geological Survey, on trouve une concentration typique de 8,6% de bore dans le minerai. Ce qui veut dire que les réserves de bore s'élèvent à 18 millions de tonnes de bore pur. D'après Wikipedia, le bore pur est constitué de 80,1% de 11B. Il y aurait donc l'équivalent de 14,466 millions de tonnes de 11B économiquement exploitable dans les conditions actuelles.

La réaction de fusion p+/11B libère 8,68 MeV. Avec cette dernière donnée, on peut calculer l'énergie potentiellement libérée par la fusion de toutes les réserves exploitables de bore 11 (avec 76 135,7 MJ par gramme).

Ainsi, les réserves suffiraient à fournir 10 kW à 10 milliards d'êtres humains pendant 2 siècles (209,4 ans), en supposant un rendement de la conversion thermo-électrique de 60% dans un réacteur Polywell. Avec ce même rendement la consommation mondiale d'énergie (12 002,4 millions de tonnes équivalent pétrole en 2010 selon BP) pourrait être satisfaite avec la consommation annuelle de 11 035 tonnes de bore 11 par an ou 349,7 grammes par seconde. Cela traduit une densité énergétique près de 1,1 millions de fois supérieure que l'équivalent en pétrole brut.

Cordialement

[Geb]

Bonjour,

Je poste ici l'extrait d'une proposition de loi écrite par James Allen Bowery, l'ancien président de la coalition américaine pour la science et le commerce. Je suis incapable de dire si la proposition de loi date de 1980 ou de 1996. Elle suit la lettre de Robert Bussard au Congrès américain, disponible ici :

ENERGY/MATTER CONVERSION CORPORATION

Elle concerne l'établissement de prix (un peu comme le Ansari X-Prize), financés sur fonds publics et limités à des firmes américaines privées dont la majorité des activités concerne la fusion nucléaire.

Le montant des prix aurait été de 100 millions de dollars chacun. Les objectifs que les entreprises privées devaient remplir pour bénéficier des prix étaient les suivants :

1) demonstrate engineering break-even

2) demonstrate engineering break-even using an cycle burning an energetically aneutronic fuel

3) demonstrate engineering break-even using an cycle burning an environmentally aneutronic fuel

4) demonstrate engineering break-even using a cycle burning a commonly available energetically aneutronic fuel

5) demonstrate engineering break-even using a cycle burning a commonly available environmentally aneutronic fuel

6) demonstrate commercial break-even

7) demonstrate commercial break-even based on a fusion cycle burning an energetically aneutronic fuel

8) demonstrate commercial break-even based on a fusion cycle burning an environmentally aneutronic fuel

9) demonstrate commercial break-even using a cycle burning a commonly available energetically aneutronic fuel

10) demonstrate commercial break-even using a cycle burning a commonly available environmentally aneutronic fuel

11) demonstrate engineering break-even at power densities 1 million watts per ton of equipment

Tout d'abord, je tiens à signaler que l'année dernière, EMC² avait toujours pour objectif de dépasser l'étape 6 dès 2020 (!).

Il était également prévu d'organiser la vente aux enchères d'hélium 3 à ces sociétés privées, ainsi que d'accorder un terrain de 40 hectares à chacune d'elles au Nevada National Security Site pour un loyer de seulement 100 000 dollars par mois.

Quelques suppositions : la différence entre le engineering break-even et le commercial beak-even réside dans la valeur du gain énergétique net (souvent noté Q). Quels valeurs de Q correspondent au cas technique et au cas commercial respectivement ? Pour ITER et DEMO il est respectivement de 10 et 25.

Quelle est la différence entre combustible énergétiquement aneutronique (energetically aneutronic fuel) et combustible aneutronique pour l'environnement (environmentally aneutronic fuel) ? Je suppose que la différence réside dans la part de l'énergie de fusion émise par des neutrons (par des réactions secondaires avec le deutérium par exemple) ? Mais sans certitude.

Enfin, quels sont les combustibles aneutroniques dont la disponibilité est grande (commonly available aneutronic fuel) ? Je ne vois que le lithium (70 mg/m³ d'eau de mer) et dans une moindre mesure, le bore.

À ma connaissance, si ont fait abstraction de l'hydrogène et de ses 2 isotopes, les combustibles les plus faciles de la fusion aneutroniques sont relativement peu nombreux : ³He, ⁴He, ⁶Li, ⁷Li et ¹¹B.

Seul l'objectif 11 intéresse la propulsion spatiale.

Cordialement

[Geb]

Ainsi, les réserves suffiraient à fournir 10 kW à 10 milliards d'êtres humains pendant 2 siècles (209,4 ans), en supposant un rendement de la conversion thermo-électrique de 60% dans un réacteur Polywell.

La partie qui s'occupe de la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique coûte environ 80% du prix d'une centrale électrique. La conversion directe de l'énergie cinétique des produits de fusion en électricité permettrait, non seulement de doubler le rendement (de 33% à 60%), mais également de diviser le prix de construction d'une centrale par 5.

On pourrait rétorquer que 200 ans d'approvisionnement ce n'est pas grand chose, et qu'au-delà de ce délais la situation de pénurie sera équivalente à celle que nous vivons avec les énergies fossiles actuellement. Cependant il existe une autre réaction aneutronique qui utilise un élément bien plus abondant que le bore : le lithium-7.

p⁺ + ⁷Li = 2 ⁴He + 17,2 MeV

Cette réaction est cela dit plus difficile à mettre en œuvre que celle impliquant le bore, puisque la section efficace est quelque peu inférieure.

quels sont les combustibles aneutroniques dont la disponibilité est grande (commonly available aneutronic fuel) ? Je ne vois que le lithium (70 mg/m³ d'eau de mer) et dans une moindre mesure, le bore.

Les réserves minière de lithium pur sont estimées à 12 millions de tonnes. C'est moins que le bore. Les océans représentent 1,34 x 10¹⁸ m³ d'eau. Ce qui signifie qu'il contiendrait environ 93,8 milliards de tonnes de lithium. Le ⁷Li constituant 92,5% du lithium pur, cela représente 86,765 milliards de tonnes de ⁷Li.

Résultat : 6,52 millions d'années d'approvisionnement énergétique pour notre exemple de 100 TW par an (10 kW à 10 milliards d'êtres humains).


Cordialement

[Geb]

Seul l'objectif 11 intéresse la propulsion spatiale.

Le rendement d'un laser à électrons libres est faible (1 à 2%). C'est pourtant ce type de laser qui est à la base des moteurs QED/ARC et QED/CSR.

Avec des réacteurs à fusion à la fois compacts, légers et puissants approchant la valeur de 1 kg/kWe, on pourrait alimenter des moteurs VASIMR capables de propulser un transit habité Terre-Mars en moins de 100 jours, pour un aller-retour en moins d'un an.

Bien que le dernier prototype du VASIMR (le VX-200) ait des performances assez modestes, avec une Isp max de 5000 s, son développement est évidemment bien plus avancé que celui du moteur QED.

C'est pourquoi on pourrait éventuellement envisagé, dans le meilleur des cas, un combiné Polywell / VASIMR pour le premier voyage habité Terre-Mars.

Cependant, le QED/CSR jouit d'une Isp théorique maximale de 50 000 à 70 000 secondes, qui reste supérieure à celle tout aussi théorique du VASIMR (30 000 secondes). Il ne serait donc qu'une solution provisoire.

Cordialement

[kalish]

Quelle est la différence entre combustible énergétiquement aneutronique (energetically aneutronic fuel) et combustible aneutronique pour l'environnement (environmentally aneutronic fuel) ?

Il s'agit peut-être de réaction à neutrons rapides ou lents.

[Geb]

Bonsoir,

Il s'agit peut-être de réaction à neutrons rapides ou lents.

Voilà les réactions de fusion nucléaire les plus faciles à maîtriser :

1) D + T = ⁴He (3,52 MeV) + n (14,06 MeV)
2) D + D = ³He + n + 3,27 MeV
3) D + D = T + p + 4,03 MeV

4) D + ³He = ⁴He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV)
5) D + ⁶Li = 2 ⁴He + 22,4 MeV

6) p + ⁶Li = ⁴He (1,7 MeV) + ³He (2,3 MeV)
7) 3He + ⁶Li = 2 ⁴He + p + 16,9 MeV
8) 3He + ³He = ⁴He + 2 p + 12,86 MeV
9) p + ⁷Li = 2 ⁴He + 17,2 MeV
10) p + ¹¹B = 3 ⁴He + 8,68 MeV

Les 3 premières sont les plus faciles pour démontrer le break-even (technique et/ou commercial). Cependant, l'utilisation de réactifs comme le deutérium (D) et le tritium (T) génère énormément de neutrons. Le deutérium est aussi utilisé dans les réactions 4 et 5, ce qui signifie que des réactions D+D secondaires vont produire également une grande quantité de neutrons (au moins plusieurs % de l'énergie de fusion). Cependant ces réactions 4 et 5 pourraient entrer dans la catégorie des "énergétiquement aneutroniques", étant donné que les réactions principales ne produisent pas de neutrons.

Les réactions suivantes (6 à 10) sont des réactions biens plus "aneutroniques", dans le sens ou les réactions secondaires produisent moins de 1% de l'énergie de fusion. Cependant, il était aussi question de l'abondance des réactifs.

D'un point de vue minéral, l'³He, le T et le ⁶Li ont les gisements les moins abondants. Cependant, si on suppose les océans comme une source viable de lithium, celui-ci devient la source la plus importante de combustible de fusion. On peut de prime abord exclure toutes les réactions utilisant de l' ³He dans les réactions dites "communément disponibles" (commonly avaible). Si l'utilisation du lithium océanique n'est pas envisagée, c'est le ¹¹B qui est en tête, suivi de près par le ⁷Li et (loin derrière) le ⁶Li.

Cordialement

[Geb]

Bonsoir,

J'ai trouvé un papier édifiant sur la concentration de bore dans l'eau de mer :

BORON REMOVAL IN SEA WATER DESALINATION

In the case of a sea water source the typical boron concentration in the raw water is 4.5 mg/L [1]. Depending on location and seasonal effects, the boron concentration can reach up to 7 mg/L, e.g. in the Arabian Gulf.

La concentration moyenne de bore dans l'eau de mer serait de 4,5 mg/L. Elle donc plus de 60 fois supérieure à celle du lithium. C'est donc incontestablement le combustible de fusion le plus abondant à l'exception de l'hydrogène bien entendu.

Cela équivaut à 4800 milliards de tonnes de ¹¹B, assez pour produire 100 TW d'énergie électrique pendant 116,5 millions d'années.

L'article de Wikipédia en anglais sur la fusion aneutronique cite une autre réaction dont je n'ai jamais entendu parlé :

p + ¹⁵N = ¹²C + ⁴He + 5 MeV

En outre, il y a :

- 0,015% de deutérium dans l'hydrogène pur
- 0,000137 % d'hélium-3 dans l'hélium pur
- 7,5% de lithium-6 dans le lithium pur
- 80,1% de bore-11 dans le bore pur
- 0,366% d'azote-15 dans l'azote pur

Je ne sais pas à quel point la réaction avec l'azote produit des neutrons issus de réactions secondaires. J'essayerai de trouver plus d'informations.

L'hydrogène, l'hélium, le lithium, le béryllium et le bore ne sont pas produits par la nucléosynthèse stellaire, mais ont été produit au moment de la nucléosynthèse primordiale, quelques minutes après le Big Bang. Mais je suis incapable de dire de quels isotopes de ces 5 éléments il s'agissait.

Cordialement

[Geb]

J'ai trouvé un pdf présenté le 21 octobre 2010 au US-Japan Workshop on Inertial Electrostatic Confinement Fusion.

Evaluation of Net Power Polywell Designs

The objective of this year's work was to more accurately predict the performance of a net power cubic Polywell fueled by DD fusion.

Simulations of Polywell fueled by internal ion guns were done for two different scale models, differing by a factor-of-two in size. These showed Bussard's theoretical 5th power scaling law for Q with R was too optimistic. Without doubt, simulations point to a scaling exponent less than 5, implying a larger value for break-even radius than predicted by Bussard.

Simulations were done on small models for computing speed, then power-gain was extrapolated to full-scale net power size.

The exponent F was fitted to simulated « data » at the radii R1 and R2. R1 is approximately the size of Bussard's WB-6 device and R2 a factor-of-two larger.

Avec R1 = 17,5 cm et R2 = 35 cm.

Substituting the simulation values in the expression for F gave F=3. This says Q scales as the 3rd power of R.

This value of scaling exponent disagrees with Bussard's theoretical value F=5. This disagreement has serious consequences on the prediction of break-even radius, as we shall see.

The formula for break-even radius, Rb, was determined by inverting the 3rd-power scaling law just derived and then evaluating it at Q1=Q, R1=R, Q2=1, and R2=Rb. [...] the estimated reactor size is impractically large, Rb=150 m.

Autrement dit, d'après ces simulations, un Polywell produisant un gain net d'énergie devrait avoir un rayon de 150 m (!), au lieu de 1,5-2 m comme le pensait Robert Bussard. Mais la présentation termine sur une remarque plus pragmatique :

Bussard predicted closing of the cusp holes as a feature of the WiffleBall effect. Such cusp closing hasn't been seen in simulation. If cusp closing exists at larger magnet sizes and higher densities, the WhiffleBall effect might break the 3rd power scaling law. Breaking this scaling law seems to be required to make steady-state Polywell practical for net power.

Cordialement

[Geb]

Bonjour,

Quand on lit l'article de Wikipedia en anglais consacré au Polywell, on tombe sur ceci :

In his thesis, MIT doctoral student Todd Rider had calculated that bremsstrahlung losses with this fuel will exceed fusion power production by at least 20%.

Pour les spécialistes, la thèse (306 pages) est disponible ici :

Fundamental limitations on fusion systems not in equilibrium

Thomas Ligon qui a travaillé au sein de EMC² a répondu en 2009 à ces critiques dans une interview disponible sur YouTube, dont voici le transcript :

Thomas Ligon Polywell Interview

En page 12 :

[Rider] estimates X ray energy losses relative to fusion energy to be 0.7% for DT, 19% for DHe fusion, 35% for DD and, 174% for PB11.

The neat thing about these machines is, because it is an electrostatic generation, rather than heating, there is a charge of five on the boron. So in order to get the boron up to full kinetic energy you do not need 500 kVolts you need 100 kVolts of accelerating potential. So, that already favors the electron temperature being lower, by a factor of 5 that is helpful.

In addition, if you don't make the virtual anode 100% the height of the potential well, you reduce it further. What Dr. Bussard used as a figure of merit, was he ran calculations, typically, with a virtual anode depth of 15% of the potential well depth. If you keep the concentration of ions down enough to do that, you can drop, instead of having 500 kVolt electrons; they are down to 15 kVolts. This is all of a sudden a lot more manageable, and you look at what does to the Bremsstrahlung equations and it really considerably defangs it.

Final thing he looked at the business of the effective Z number, and realized that if you run hydrogen rich, you can dramatically drop the effective Z. By running a ratio of 8 hydrogen to 1 boron, and keeping the virtual anode depth to about 15% of the well depth, you can actually get it down to the point where Bremsstrahlung becomes a pussy cat at 5% of the reactor power, making it manageable. It is not gone, you are not ignoring it. You are simply tuning the reactor to deal with it.

Cordialement

[kalish]

Bussard predicted closing of the cusp holes as a feature of the WiffleBall effect. Such cusp closing hasn't been seen in simulation. If cusp closing exists at larger magnet sizes and higher densities, the WhiffleBall effect might break the 3rd power scaling law. Breaking this scaling law seems to be required to make steady-state Polywell practical for net power.

Bonjour, est-ce que vous pouvez m'expliquer ce que sont ces cusp holes? En tout cas ave un rayon de 150 m ça semble un peu plus difficile, mais pas totalement dément comme dimension. Ca m'étonne quand même beaucoup. Basiquement le problème c'est que le champ électrique à grande distance va devenir très petit localement, ne peut-on pas envisager des calottes chargées? C'est à dire une couche très positive, une couche très négative beaucoup plus chargée au fur et à mesure qu'on s'éloigne.