réacteur Polywell et propulsion spatiale

[invite397ab838]

on peut atteindre combien en vitesse avec un réacteur de ce style(en en prenant un bien puissant même si ça coute des miliers de millairds) et un vaisseau de disons 100 tonnes?
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[Geb]

Bonjour,

on peut atteindre combien en vitesse avec un réacteur de ce style(en en prenant un bien puissant même si ça coute des miliers de millairds) et un vaisseau de disons 100 tonnes?

Pour une sonde qui n'abandonne pas des étages en route, comme le ferait une fusée Ariane 5 pour s'arracher à l'attraction terrestre, la vitesse limite du vaisseau est celle des particules issues de la fusion. Pour la fusion p+B11, Bussard estimait cette vitesse moyenne à entre 11800 et 13700 km/s, soit une impulsion spécifique maximale de 1,2 à 1,4 million de secondes.

Cordialement.

[kalish]

Merci pour la réponse précédente, je pense donc que le terme lanceur orbital monoétage n'était pas tout à fait approprié.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Lanceur...mono%C3%A9tage

Par contre que la vitesse limite soit celle d'éjection me parait contredire à peu près tous les principes de physique, à commencer par l'équation de Tsiolkovsky, toujours valable dans ce cas. C'est je crois à peu près vrai pour un avion, en atmosphère, mais pas pour une fusée dans le vide. Si une fusée à déjà une vitesse égale à la vitesse d'éjection et qu'elle accélère elle va dépasser cette vitesse d'éjection. Or 1) il suffit de faire un changement de référentiel pour atteindre cette vitesse limite, 2) partant de l'équation de Tsiolkovsky pour une vitesse initiale nulle, elle est atteinte dès que ln Mo/M1 >1, ce qui signifie M0/M1 > exp(1) et M1<0,36 Mo environ, soit un tiers de la masse initiale. Donc effectivement ça peut être vrai si le carburant représente 63% de la masse totale (sans parler de la petite conversion masse = énergie qui arrive dans la réaction de fusion). Comme je me perds un peu avec les chiffres que vous avez envoyé, ça reste possible, est-ce un cas particulier?

[Geb]

En citant le lanceur orbital monoétage, je faisais référence à mon message précédent celui parlant du vaisseau habité vers Mars.

Les autres documents parlent de capacités monstrueuses pour le lanceur orbital monoétage de Bussard : 35 tonnes de charge utile sur orbite à 555 km d'altitude pour une masse au décollage de 250 tonnes.

Tes calculs sont exacts. Pour que le vaisseau soit "single stage" et que la vitesse maximale égale la vitesse d'éjection, comme c'est la volonté de Bussard, il faut que la masse de carburant équivale à ~63,2% de la masse totale du vaisseau équipé du moteur DFP (celui avec une Isp max de 1,2 millions de secondes).

Cordialement

[kalish]

Ah ok, merci pour la précision.

[invite397ab838]

Ok donc juste technologiquement parlant on pourrait aujourd'hui construire un vaisseau qui voyage à 10000km/s en gros
Deux questions

Mais si on veux faire voyager un vaisseau sans étage de 50 tonnes (poids sans le "carburant") avec ce réacteur pendant en gros 600 ans il faudrait un quantité très importante de matière(je sais pas combien, je suis pas spécialiste moi ) La vitesse diminuerait donc et augmenterai au fur et à mesure que la carburant s'épuisse non?

Merçi bien

[Geb]

Bonsoir dodo71,

Il convient d'être prudent.

On sait depuis le début des années 30 que la fusion proton-bore est possible, et pourtant on n'a pas réussi depuis à assurer une production nette d'énergie avec cette réaction de fusion nucléaire (ni avec aucune autre d'ailleurs).

Il pourrait s'écouler encore un siècle avant qu'un générateur à fusion (qui ne sera peut-être pas le Polywell) soit utilisé dans un moteur fonctionnel pour propulser un vaisseau spatial jusqu'à 10000 km/s.

Cela revient à dire qu'Isaac Newton, en découvrant les lois de la gravitation universelle, avait à la fin du XVIIe siècle la technologie pour construire un lanceur orbital.

Ces choses prennent du temps.

Cordialement.

[kalish]

La vitesse diminuerait donc et augmenterai au fur et à mesure que la carburant s'épuisse non?

Merçi bien

Bonjour, j'ai un peu de mal à comprendre cette phrase, vous pouvez préciser svp?

[invite397ab838]

En gros la vitesse de début serait faible car le vaisseau serait plus lourds étant donné le poids du carburant.
Et donc plus le carburant est utilisé, plus le poids du vaisseau diminu donc, avec la même energie, le vaisseau vas plus vite. C'est pas vrai?

[kalish]

En fait la vitesse est acquise, donc c'est plutôt de l'accélération dont il s'agit, mais sinon oui c'est vrai.

[Geb]

Bonjour,

On sait depuis le début des années 30 que la fusion proton-bore est possible, et pourtant on n'a pas réussi depuis à assurer une production nette d'énergie avec cette réaction de fusion nucléaire (ni avec aucune autre d'ailleurs).

J'ai fait une petite recherche historique au sujet de la réaction proton-bore.

C'est le 3 juillet 1933 qu'est publié un papier de l'Australien Marcus Laurence Elwin Oliphant (1901-2000) et du Néo-Zélandais Ernest Rutherford (1871-1937) intitulé "Experiments on the Transmutation of Elements by Protons" dans le numéro 843 du volume 141 des Proceedings of the Royal Society of London dans la série A, contenant les publications à caractère mathématique et physique, de la page 259 à 281.

Ils y décrivent, entre autre, la première étude de la réaction de fusion nucléaire proton-bore, effectuée au laboratoire de Cavendish de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni, dont Rutherford était le directeur depuis 1919 (et jusqu'à sa mort en 1937).

Cordialement.

[inviteea028771]

En gros la vitesse de début serait faible car le vaisseau serait plus lourds étant donné le poids du carburant.
Et donc plus le carburant est utilisé, plus le poids du vaisseau diminu donc, avec la même energie, le vaisseau vas plus vite. C'est pas vrai?

En n'oubliant pas qu'il faut ralentir à l'arrivée et donc que la vitesse réelle du vaisseau serra la moitié de celle qu'il aurai pu atteindre si il avait utilisé tout son carburant pour accélérer.

[Geb]

Cette valeur de 0,1 Watt, au-delà du fait qu'elle représenterait une production nette pour la première fois en 60 ans de recherche sur la fusion contrôlée, n'est pas du tout choisie par hasard.

C'est vrai uniquement si on considère comme beaucoup le début des recherches sur la fusion nucléaire contrôlée comme le mois de mai 1951, date à laquelle les Soviétiques commencent les recherches à grande échelle sur le principe du confinement magnétique, qui mèneront aux célèbres résultats des tests des Tokamaks T-3 et T-4 à Novossibirsk, présentés à l'occasion de la troisième conférence internationale de l'agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) sur la physique des plasmas et la recherche en matière de fusion nucléaire contrôlée (International Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research) dans cette même ville, entre le 1er et le 7 août 1968.

En avril 1919, Ernest Rutherford publie un papier intitulé :

Collision of α Particles with Light Atoms IV. An Anomalous Effect in Nitrogen

Il y rapporte la première transmutation artificielle de l'histoire à travers la réaction nucléaire ¹⁴N + α → ¹⁷O + proton, réalisée en 1917 lorsqu'il travaillait encore à l'Université de Manchester. Les particules alpha étaient issues d'un échantillon de Polonium.

La réaction proton-bore est d'ailleurs une réaction de fission nucléaire, ou encore de spallation nucléaire (un terme inventé en 1937), plutôt qu'une réaction de fusion nucléaire. Elle n'est reprise dans cette dernière catégorie qu'à travers la définition moderne, que je résume par : "une réaction exothermique impliquant des réactions entre des noyaux atomiques légers".

Si on veut être précis, les premières tentatives de fusion nucléaire contrôlée sont l'oeuvre de Marcus Oliphant en 1937, avec des faisceaux accélérés de deutérium entrant en collision.

Cordialement.

[Geb]

Mais si on veux faire voyager un vaisseau sans étage de 50 tonnes (poids sans le "carburant") avec ce réacteur pendant en gros 600 ans il faudrait un quantité très importante de matière

De ce que je lis ci-dessus, j'ai l'impression que dodo71 voudrait qu'on lui révèle la technique de propulsion la plus véloce pour atteindre Gliese 581 (20,5 a.-l.). Si vous êtes tenté par l'expérience, je vous prie de le faire sur le fil de discussion qu'il a créé : vitesse maximal.

En n'oubliant pas qu'il faut ralentir à l'arrivée et donc que la vitesse réelle du vaisseau serra la moitié de celle qu'il aurai pu atteindre si il avait utilisé tout son carburant pour accélérer.

Robert W. Bussard et H. D. Froning Junior ont présenté un papier consacré aux performances du moteur Diluted-Fusion-Product (DFP) au 44e Congrès de la fédération astronautique internationale qui a eu lieu entre le 16 et le 22 octobre 1993 :

The QED Engine: Fusion-Electric Propulsion for Cis-Oort/Quasi-Interstellar (QIS) Flight

En 1979, une mission baptisée TAU (Thousand Astronomical Units), a été proposée par Len Jaffe et al. Un vaisseau de 400 tonnes devait atteindre 1000 UA en moins de 100 ans.

Plus d'infos sur la mission TAU ici : A Deep Space Mission to the Solar Foci

Bussard reprend l'idée : un vaisseau de 400 tonnes au départ de l'orbite basse est propulsé par un générateur Polywell de 10245 MWth pesant 51705 kg et dont 10000 MWth passe dans la propulsion. L'objectif est un point distant de 557,4 UA du Soleil, pris comme le point où un télescope spatial exploitant l'effet de lentille gravitationnelle dû au Soleil pourrait être disposé.

En pratique, le plasma de la couronne solaire dévie d'avantage les photons, et rend ce point difficile à déterminer. Au final, sa distance est estimée entre 548,1 (rayon solaire pris comme une sphère parfaite) et environ 800 UA du centre de masse du Soleil.

Un vaisseau monoétage de 400 tonnes au départ de l'orbite basse emporterait 245240 kg de carburant hydrogène (le diluant), dont 7260 kg de carburant de fusion (de l'hydrogène et du bore-11), pour un total de 252,5 tonnes en tout. Le reste serait constitué de 25280 kg (environ 10%) pour la masse des réservoirs de carburant et les éléments structurels du vaisseau. Le moteur DFP au complet pèse quant à lui 51705 kg, et il resterait 70215 kg pour la charge utile, l'électronique embarquée, les systèmes de contrôle de la trajectoire et d'autres instruments.

En arrondissant une année comme étant égale à 31,5 millions de seconde et une Unité Astronomique (UA) à 150 millions de km, Bussard obtient :

Impulsion spécifique = 200 000 secondes
Temps d'accélération = 0,999 an
Distance parcourue en accélérant = 96,2 UA
Temps en vitesse de croisière = 1,783 an
Distance parcourue en vitesse de croisière = 392,2 UA
Temps de décélération = 0,606 UA
Distance parcourue en décélérant = 69 UA

Soit, la distance cible (557,4 UA) parcourue en à peine 3 ans 141 jours et 11 heures (3,388 ans).

Le papier parle également de ce même masse au départ de 400 tonnes avec une Isp de 1 million de secondes. Le premier accélère jusqu'à 5000 km/s puis décélère aussitôt pour atteindre 20647 UA en 40,13 ans. Le seconde accélère continuellement jusqu'à 10000 km/s pour atteindre 35200 UA (0,56 année-lumière) au bout de 40,1 ans, moment à partir duquel il aurait consommé tout son carburant.

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

Dans une de ces publications au sujet du Polywell (que je ne parviens plus à retrouver), Bussard s'étonne de la rusticité du principe derrière le Polywell, et indique que les accélérateurs électrostatiques étaient les premiers à avoir été utilisé pour faire de la fusion.

Comme je l'ai expliqué plus haut, Rutherford avait utilisé des noyaux d'hélium issus de la désintégration du Polonium en 1919, pour effectuer la première transmutation/fusion de l'histoire, en transformant de l'azote en oxygène. Ces noyaux d'hélium sont très énergétiques, à 5 MeV.

En 1914, le physicien britannique Henry Moseley avait découvert une relation empirique (la loi de Moseley) pour déterminer la charge électrique des noyaux atomiques. Aussi, on avait depuis les expériences effectuées par Jean Perrin en 1908, non seulement la preuve que les atomes existaient, mais aussi une idée assez précise de leurs tailles.

La physique classique nous permettait dès lors d'estimer la barrière de Coulomb qu'il fallait franchir et l'énergie des atomes qui leur était nécessaire pour traverser cette barrière jusqu'au noyau. Évidemment, à partir du développement de la physique quantique, ont compris que les atomes n'obéissaient pas aux lois de la physique classique. Mais jusqu'en 1928, 5 MeV était considéré comme un minimum.

Entre 1925 et 1929, Robert Van de Graaf, alors qu'il est à Oxford, s'attelle à la tâche de développer un moyen d'accélérer suffisamment des particules pour désintégrer les noyaux atomiques. En 1929, il termine son premier prototype qui sera connu sous le nom de générateur de Van de Graaf. Ce dispositif atteint une différence de potentiel de seulement 80 keV.

En 1931, Robert Van de Graaf fait publier le premier papier parlant de sa machine. Il a amélioré son concept puisque le générateur présenté mesure 2 mètres de haut et atteint une tension de 1,5 MeV.

A 1,5000,000 Volt Electrostatic Generator

Cette même année, Van de Graaf est employé au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et construit son plus grand générateur. Le dispositif mesure 6,7 mètres de haut et produit un voltage de 5,1 MeV.

En 1928, Ernest Rutherford devient président de la Royal Society de Londres. Dans son discours d'investiture, il fait par de son souhait de voir se développer une machine capable d'accélérer suffisamment des particules pour désintégrer les noyaux atomiques.

En 1928 également, George Gamow publie un papier dans lequel il estime qu'à 300 keV, la probabilité qu'un proton s'intègre à un atome de bore en traversant la barrière de Coulomb devient significative, et que cette probabilité est du même ordre avec une énergie encore moins élevée pour la réaction proton-lithium.

L'effet tunnel tel que présenté par George Gamow en 1928 découle du principe d'incertitude d'Heisenberg découvert en 1927. Le principe d'incertitude découle de l'étude de la théorie des ondes de matière développé par Louis de Broglie en 1924.

En lisant le papier de Gamow, John Cockcroft, alors au laboratoire de Cavendish de l'Université de Cambridge (dirigé par Ernest Rutherford) se met aussitôt à développer un générateur électrostatique de 300 keV pour vérifier cette théorie. Il est aidé dans sa tâche par un étudiant du nom de Ernest Walton.

En fait, le montage utilisé par Cockcroft et Walton pour leur générateur avait déjà été découvert dès 1919 par un physicien Suisse du nom de Heinrich Greinacher.

Quoiqu'il en soit, Cockcroft et Walton terminent le 19 août 1930 un premier papier décrivant un générateur à 280 keV. Dans ce papier, ils décrivent les résultats d'expériences utilisant un faisceau de proton à 280 keV sur des cibles fixes en béryllium et en plomb. Ils écrivent :

Very definite indications of a radiation of a non-homogeneous type were found

On pense aujourd'hui qu'ils ont très probablement désintégrer le béryllium, mais cherchaient des rayons gamma comme preuve de désintégration et n'en ont pas détecté. Ils sont partis du principe que les estimations de Gamow étaient trop optimistes.

C'est le 14 avril 1932 que Cockcroft et Walton utilisent un nouveau générateur, capable de fournir jusqu'à 710 keV cette fois, pour désintégrer du lithium avec un faisceau accéléré de protons en 2 atomes d'hélium. Ils apportent la preuve d'une désintégration de l'atome de lithium. Ils détectent même des rayons gamma pour une énergie aussi basse que 125 keV. Les résultats des expériences sont présentés jusqu'à 400 keV.

Ce n'est qu'après la publication de la première désintégration atomique entièrement artificielle de l'Histoire que Van de Graaf envisage, en 1933, l'utilisation de son générateur en physique nucléaire.

The Electrostatic Production of High Voltage for Nuclear Investigations

Cordialement.

[Geb]

Bonsoir,

Le dernier rapport succint sur les essais du WB-8 a été publié aujourd'hui :

ENERGY/MATTER CONVERSION CORPORATION

Ce rapport concerne le troisième quadrimestre de l'année 2011, couvrant la période du 1er juillet au 30 septembre :

As of 3Q/2011, the WB-8 device has generated over 500 high power plasma shots. EMC2 is conducting tests on Wiffle-Ball plasma scaling law on plasma heating and confinement.

Le rapport rappelle que les fonds alloués par contrat le 11 septembre 2009 s'élèvent à 7.855.504 dollars américains et précise que 3.216.826 dollars ont déjà été mis à disposition (soit 41%).

Le rapport précise dans la rubrique Project Status : "More than 50% Completed".

Cordialement.

[Geb]

Il y a 2 nouveaux pdf sur le site de Askmar, dans la catégorie "IEC Fusion and Spaceflight" :

"Fusion as Electric Propulsion" (Bussard, 1988) et "An Advanced Fusion Energy System for Outer-Planet Space Propulsion" (Bussard, 2001).

Bonne lecture.

[Geb]

Le dernier workshop Etats-Unis/Japon sur la fusion nucléaire par confinement électrostatique inertiel s'est tenu à Sydney, en Australie, les 7 et 8 décembre 2011.

Je n'ai pas encore lu tous les documents et regardé toutes les présentations, mais je dois dire que celle de Joel Rogers est particulièrement intéressante.

Selon lui, d'après sa simulation informatique, un Polywell fonctionnant au couple p/B11 de seulement 6,6 mètres de rayon pourrait atteindre le break-even.

Pour info, c'est également Rogers l'auteur d'une simulation informatique dont le résultat indiquait qu'un Polywell devrait mesuré 300 mètres de diamètre, et dont j'avais parlé au message #28 de cette discussion. Visiblement, Rogers a assimilé les objections qui lui étaient faites et altéré son modèle informatique.

Cordialement.

[Geb]

Les Russes ont pour projet de satelliser un réacteur nucléaire expérimental produisant au moins 1 MW d'électricité d'ici 2018.

Voir ici : http://forums.futura-sciences.com/as...al-habite.html

Les performances de ce réacteur devraient se situer autour de 14-15 kg/kWe. Le record actuel a été établi en 1987 et 1988 avec les satellites espions de classe TOPAZ, dont le premier test au sol a eu lieu en 1971, et qui embarquaient un réacteur nucléaire de 320 kg produisant 5 kW d'électricité (64 kg/kWe).

Une fois que nous avons un réacteur expérimental à fusion DD produisant 100 MW d'électricité, que fait-on ensuite ? Pour répondre à cette question, je me suis amusé à lire un des rares rapports internes de EMC2 (datant de 1994) qui soit du domaine public :

Preliminary Study of Inertial-Electrostatic-Fusion (IEF) for Electric Power Plants

On y parle d'un générateur DD produisant 1298 MWth et 502 MWe. En théorie, le générateur ne devrait peser que 78,3 tonnes (voir page 34 à 41) dont 40 tonnes pour l'enceinte de confinement en béton. Le programme de développement suit la centrale prototype de 100 MWe, durerait 12 ans et coûterait environ 1 milliard de $ (de 1994). Donc, en admettant que la centrale de 100 MWe est bien là dès 2020, on devrait voir arriver notre première centrale commerciale vers 2032. En outre, il est important de signaler que la situation avec le Polywell ne sera pas du tout la même qu'avec les débuts de la fission nucléaire. Il sera beaucoup moins difficile de mettre au point un Polywell de 200 MWe à partir de celui à 100 MWe qu'un générateur de 50 MWe.

J'ai toujours été fasciné par la propension de Bussard à forcer le trait au niveau de la rapidité des développements technologiques. Dans un de ces derniers papiers sur les applications spatiales du Polywell, il imaginait qu'on parviendrait à développer en 15 ans un moteur QED/ARC de 5300 MWth produisant 5000 MWe et une poussée de 400 kN à une Isp (variable) de 2500 secondes. Son objectif était de propulser un lanceur orbital monoétage, l'objectif le plus difficile avec le Polywell, étant donné les contraintes liées au champ gravitationnel terrestre.

Comme je l'ai dit précédemment, pourquoi ne pas laisser les lancements orbitaux au Skylon, et se concentrer sur les générateurs spatiaux ? D'ici 2014-2015, un propulseur VASIMR de 200 kWe devrait être testé à bord de l'ISS. Le moteur VASIMR serait donc vraisemblablement disponible avant les moteurs QED/ARC et surtout QED/CSR-A que Bussard imaginait propulsant un premier voyage habité vers Mars fin 2039.

De plus, il faudrait, d'après les dates avancées plus haut, attendre 2047 pour disposer du premier moteur QED/ARC de 5000 MWe. L'idée de remplacement, c'est d'utiliser la propulsion VASIMR en attendant le QED/CSR-A.

Dans un papier récent à propos du trajet Terre-Mars avec 4 propulseurs VASIMR de 50 MWe (total : 200 MWe), les performances exigées était les suivantes :

- masse des radiateurs pour les propulseurs : 40 tonnes
- masse des radiateurs pour le réacteur : 60 tonnes
- masse du réacteur de 200 MWe : 50 tonnes
- masse des propulseurs : 4 x 12,5 tonnes

On voit que Bussard n'était pas le seul à être extrêmement optimiste. Même si la question de savoir si des radiateurs capables de dissiper 2kWth/kg ou des propulseurs VASIMR de 50 MWe sont pour l'instant, tout aussi difficiles à imaginer, je ne peux m'empêcher de constater que le Polywell est le seul projet qui pourrait permettre d'alléger un générateur de 200MWe qualifier pour le spatial à 4 kWe/kg seulement.

Étant donné les difficultés de miniaturiser le générateur Polywell en dessous de 100 MWe, il paraît probable que la mission à 200 MWe sera plus rapidement menées que la mission à 12 MWe. Donc, je me prononcerais officieusement pour un premier voyage habité vers Mars lors de l'opposition de 2050. Cela dit, il n'est pas évident que des propulseurs VASIMR soient effectivement passés de 200 kWe à 50 MWe de puissance unitaire entre 2014 et 2050, ou que les radiateurs spatiaux soient passés de 95 kg/kWth (comme sur l'ISS) à 0,5 kg/kWth d'ici la moitié de ce siècle.

Cordialement.

[Geb]

Bonsoir,

Le rapport public d'EMC2 pour le 4e quart de 2011 a été mis en ligne le 31 janvier dernier :

ENERGY/MATTER CONVERSION CORPORATION

During 4Q of 2011, EMC2 has modified the electron injectors to increase the plasma heating. The higher plasma density in WB-8 prompted the need for higher heating power. We plan to operate WB-8 in high beta regime with the modified electron injectors during 1Q of 2012.

C'est pas grand chose, mais c'est mieux que rien...

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

J'ai trouvé quelques infos qui datent un peu (23 février 2012) sur les tests de WB-8 ici. Extrait :

An extension and increase funding for additional tasks on Contract N68936-09-C-0125 is necessary to provide continuation of research that is directly in scope with the current requirement and it will complete the concept exploration and technology demonstration of the Plasma Wiffleball 8. During the course of the contracted study several anomalies related to how electrons were fed into the device were discovered.

These anomalies must be characterized and solutions created if the device is to be made functional. To solve these anomalies, the additional effort will require the incumbent contractor to further their studies by employing independently powered electron gun arrays operating at up to 10 kilovolt (kV) to inject high energy electrons onto the Plasma Wiffleball 8 core and control the WB formation process. Additionally, a separate pulsed power system with minimum 100 amperes current rating will be utilized to power the electron gun arrays.

Un peu plus loin :

Continued research is critical, as the long term goal is to achieve a clean nuclear energy source for the Navy and DoD. Award of the contract modification is expected on or about 29 March 2012.

Hors, d'après ceci, il me semble que le contrat (~5,3 millions de dollars supplémentaires) n'a pas été signé le 29 mars mais plutôt le 7 mai 2012.

La construction de WB-8 était attendue pour le 30 mars 2010 et le premier plasma avait eu lieu 7 mois plus tard que prévu, le 1er novembre. Avec les problèmes d'injections des électrons qui se font jour, le programme prend encore un peu plus de retard.

Cordialement.

[Geb]

Bonsoir,

Le dernier rapport de l'US Navy (Naval Air Warfaire Weapons Division), publié le 15 août 2012, est plutôt encourageant. Il prévoit une extension du contrat de 18 mois et un ajout de 5286405 $ exactement.

[...] A commitee of distinguished scientists reviewed the progress of EMC2's work to provide a recommendation to Office of Naval Research (ONR) on the merits of the project. The committee consists of internationally recognized, independent experts in the field of the magnetically confined energy producing devices. These committee members are qualified independent scientific and academic experts who were designated by ONR to evaluate and provide impartial opinions on the research don by EMC2. The committee validated the progress made by EMC2. The experimental results to date were consistent with the underlying theoretical framework of the Polywell fusion concept and, in the opinion of the committee, merited continuation and expansion. [...]

A priori, la loi d'échelle ("scaling law") dérivée à l'origine par Robert Bussard semble toujours tenir le coup (passage en gras), ce qui est plutôt bon signe.

Cordialement.

[Gilgamesh]

Salut Geb,

il fait quel diamètre le WB-8 ?

[Geb]

Salut Gilgamesh,

il fait quel diamètre le WB-8 ?

À ma connaissance, personne ne le sait. Le diamètre du puits de potentiel dans la WB-6 était de 15 cm. En outre, la WB-6 a atteint un champ magnétique de 0,13 Tesla.

Le 21 août 2007, l'US Navy a réinitialisé le financement du projet, qui avait été suspendu en novembre 2005, à cause des coupes dans le budget dûes à la guerre en Irak.

Depuis ce jour, aucune information sur les dimensions des dispositifs testés n'a été rendue publique.

La WB-7 ayant été conçue pour vérifier les performances de la WB-6. On pense donc (sans aucune certitude), que ses dimensions et la force de son champ magnétique étaient en tout point similaires à la WB-6.

Cependant, tout ce qui est dit dans les rapports de l'US Navy à propos de la WB-8, c'est la force de son champ magnétique : 0,8 Tesla. Il se pourrait que le diamètre du puits de potentiels soit le même que WB-6 et WB-7 (c-à-d 15 cm), mais il n'existe aucune donnée à ce sujet. C'est juste ce que je pense.

Quant au projet WB-9, on pense qu'il pourrait présenter un diamètre du puits de potentiel 2 fois plus grand que celui de WB-6 (soit 30 cm) pour une force du champ magnétique équivalente à celle de WB-8 (0,8 T). Encore une fois, il n'y a aucune certitude.

Les rapports de l'US Navy indiquent juste que l'objectif de la WB-9 (s'il est effectivement construit) serait d'atteindre une production "nette" de fusion. Dans les faits, cela veut seulement dire que la production d'énergie de fusion devrait, pour la première fois, dépasser les pertes par bremsstrahlung. L'excès attendu est d'environ 100 milliwatts.

L'objectif n'est donc pas, avec la WB-9, d'en faire une "centrale" à fusion nucléaire capable de "fournir" 0,1 W au réseau électrique américain. Ce serait significatif dans le sens que, d'après les formules de Bussard, un Polywell avec un puits de potentiel de 30 cm et un champ magnétique de 0,8 T devrait fournir une puissance totale, grâce à la fusion, de seulement ~0,83 W. Ce qui veut dire qu'un excès de 0,1 W par rapport au rayonnement continu de freinage serait "appréciable", en valeur relative.

Après la WB-9, on passerait directement à la centrale prototype, baptisée provisoirement WB-D.

Cordialement.

[Geb]

Sur le site internet de EMC2, la WB-8 est présentée comme plus grande que WB-6 et sa "jumelle" WB-7 :

Fusion R&D Phase 2 - Design, build and test larger scale WB-8 Polywell Device
2 years / $7M, In Process

Bien que "larger scale" pourrait simplement faire référence au champ magnétique 6 fois plus important.

Le 21 août 2007, EMC2 a reçu un contrat de 1,8 millions de $ pour continuer le développement du Polywell. La WB-7 a fourni son premier plasma début janvier 2008.

En août 2008, l'équipe de EMC2 avait atteint la fin de la première phase de test et ont soumis leur travaux à un panel de spécialistes dans l'espoir d'obtenir des fonds pour la phase suivante du programme.

En décembre 2008, le panel rendit enfin ses conclusions. En janvier 2009, le Naval Air Warfare Center commanda une modification de WB-7, baptisée WB-7.1, pour 300000 $.

En septembre 2009, l'US Navy fournit un contrat à EMC2 d'un montant de 7,86 millions de $, pour un nouveau prototype de Polywell : WB-8.

Le 1er novembre 2010, avec 6 mois de retard sur le planning, le WB-8 fournit son premier plasma.

Le 15 août 2012, l'US Navy a fourni des fonds supplémentaires à hauteur de 5,3 millions de $ pour WB-8, sur une durée de 18 mois. La fin des tests de la WB-8 étaient annoncés pour le 30 avril 2011 dans le contrat de septembre 2009.

Les tests de la WB-8 sont maintenant prévus 18 mois à partir d'août 2012, soit jusqu'en février 2014. Le programme aura donc pris au moins 2 ans et 9 mois de retard sur le planning de septembre 2009.

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

Je reviens sur cette discussion parce que je viens de tomber sur un court papier publié le 1er juin 2014 sur arXiv par EMC² ("Energy Matter Conversion Corporation", la compagnie qui s'occupe du développement du Polywell), avec une participation de Giovanni Lapenta, un chercheur à l'Université Catholique de Louvain (en Belgique) :

- High Energy Electron Confinement in a Magnetic Cusp Configuration (Park et al., 2014)

Cinq animations sont également disponibles sur la page web susmentionnée, en accompagnement de la publication.

Le papier commence par un rappel historique. En 1955, à l'occasion d'une conférence sur les réactions thermonucléaires, le mathématicien américain Harold Grad (1923-1986), qui étudiait le confinement des plasmas à l'Institut Courant (du nom du mathématicien germano-américain Richard Courant) de l'Université de New-York, à lancer l'idée que dans le cas de plasmas avec des configurations "en corne" (cusp), le confinement serait amélioré de manière importante si le rapport entre la pression du plasma et celle du champ magnétique de confinement (symbolisé par la lettre β) s'approchait de ~1. Pour comparaison, les auteurs citent la valeur qui devrait être atteinte pour ITER à ~0,03. Les prédictions théoriques de Harold Grad n'ont jamais pu être vérifiées expérimentalement, pour des raisons techniques liées à la difficulté de l'expérience, aussi bien qu'en ce qui concerne les capacités de calcul nécessaires pour ne serait-ce qu'effectuer une simulation numérique (qui vaut ce qu'elle vaut).

Or, l'équipe d'EMC² aurait apparemment confirmé expérimentalement la conjecture théorique de Harold Grad, et indique que cela représente un pas en avant significatif quant à la perspective de concevoir un réacteur à fusion nucléaire "économique" grâce à la configuration Polywell.

Après avoir indiqué les conditions expérimentales, les auteurs se lancent dans une petite spéculation intéressante sur un réacteur à fusion hypothétique d'un mètre de diamètre (voir les pages 6 et 7) :

The present experimental result is a major step toward a Polywell fusion reactor in that it validates the conjecture that high energy electron confinement is improved in a high β plasma. However, two additional measurements are needed to estimate the performance of a Polywell fusion reactor. The first is to quantitatively determine the loss rate. The second is to measure the efficiency of ion acceleration by electron beam injection. For the purpose of discussion, we estimate the power balance for a 1 meter radius hexahedral D-T Polywell fusion reactor operating at β=1 with a magnetic field of 7 T at the cusp points and an electron beam injection energy at 60 kV. This calculation is based on two assumptions:

1) the electron loss rate in Equation 1 is correct, and
2) the efficiency of ion acceleration via a potential well can be made good enough to convert 50% of electron beam injection energy into an average ion energy.

From Equation 1, the electron loss current is 254 A per cusp for the electron density 2 × 10¹⁵ cm^-3 and electron energy at 60 keV at the cusp points. Since there are 14 cusps in the hexahedral system, the required electron beam power to maintain a β =1 state would be 213 MW. Separately, this system will lose an additional 51 MW of power via Bremsstrahlung radiation for an average electron temperature of 60 keV, assuming no ions other than hydrogen isotopes are present.[19] In comparison, the expected D-T fusion power output would be 1.9 GW for a D-T cross section of 1.38 barns at a center of mass energy of 30 keV.[20] Though speculative at this point, this simple power balance scaling, coupled with the observed good plasma stability of a magnetic cusp system, indicates that the Polywell may emerge as an attractive concept for a compact and economical fusion reactor.

Les derniers mots de cette publication ont également un intérêt :

The current plan is to extend the present work with increased electron beam power to sustain the high β plasma state and to form an electrostatic well. If the deep potential well can be formed and the scaling of the electron beam confinement is found to be favourable, as conjectured by Grad and others, it may be possible to construct a compact, low cost, high β fusion power reactor based on the Polywell concept.

Par ces deux phrases, ils dévoilent que les objectifs sont désormais d'augmenter la puissance des faisceaux d'électrons pour soutenir la pression magnétique et parvenir à former un "puits électrostatique" avec une différence de potentiel importante (puits lui-même à la base du concept du Polywell).

Ça me paraît tout à fait cohérent avec le peu d'infos dont j'ai disposé ces 2 dernières années, puisqu'ils avaient déjà annoncés des problèmes avec les injecteurs d'électrons à partir de la WB-8 (qui pour rappel développait un champ magnétique de 0,8 Tesla), annonçant leur volonté d'adapter des injecteurs plus puissants à leurs futurs dispositifs.

Cordialement.

[Geb]

Il y a également des commentaires intéressants à propos de ce résultat sur le site de NBC News :

Low-Cost Fusion Project Steps Out of the Shadows and Looks for Money

D'après cet article, la Navy arrêterait son financement, ce qui signifie avant tout que les résultats futurs ne seraient plus classifiés, et permettrait à EMC2 de chercher environ 30 millions de dollars de fonds privés pour continuer les recherches.

[jacquolintégrateur]

Bonjour
En fait, le "POLYWELL" a repris le principe du concept de "l'Astron" proposé en 1953 pa N.C. Christofilos, dans le cadre du projet SHERWOOD. Qulques crédits avaient été alloués par le gouvernement et Christofilos, alors à Brookhaven, est allé à Livermore pour conduire ce programme. ça n'a pas marché comme prévu: la couche d'électrons s'est révélée instable. Finalement les programmes de recherche sur la fusion thermonucléaire ont fini par se concentrer sur les Tokamak, stellarator (également,les "machines à miroir" pendant un certain temps) et la fusion par confinement inertiel. Je doute fort que le passage d'un puit de potentiel à 6 ou même 8 ne résolve le problème. Ce n'est pas demain qu'on va trouver des kits "do it yourself" dans les grandes surfaces !! Le principe de la couche d'électrons maintenue dans un champ magnétique est utilisé (mais avec des ambitions beaucoup plus réduite en matière de puissance, température etc) pour réaliser des propulseurs à plasma de très faible poussée, comme moteurs-verniers pour des manoeuvres de faible ampleur de sondes spatiales.
Cordialement

[Geb]

Je doute fort que le passage d'un puit de potentiel à 6 ou même 8 ne résolve le problème.

Honnêtement, je ne vois pas trop à quoi correspondent les chiffres que tu avances... Ça veut dire quoi "6 ou même 8" dans ce contexte ? Le puits de potentiel pour la fusion D-T dans un Polywell serait plutôt d'environ 50 kV.

Cordialement.

[jacquolintégrateur]

Honnêtement, je ne vois pas trop à quoi correspondent les chiffres que tu avances... Ça veut dire quoi "6 ou même 8" dans ce contexte ? Le puits de potentiel pour la fusion D-T dans un Polywell serait plutôt d'environ 50 kV.

Salut Geb:
Tu m'excuseras mais c'est moi qui ne comprends plus ! 50 kV, ça désigne un potentiel: le champ électrique, qui en résulte (des volts/m), dépend de la distance sur laquelle il s'étend. Mais ne chicanons pas! Un champ électrique ne peut pas confiner un plasma puisque ce dernier contient des charges des deux signes.
Ce que j'appelle "puits de potentiel" désigne une région dans laquelle le champ magnétique décroit partout de la périphérie vers le centre (ce qui est nécessaire pour assurer le confinement du plasma). Autant que je sache, le POLYWELL comprend 6 régions de ce genre, correspondant aux 6 faces d'un cube. Ce champ est créé par 6 bobines disposées symétriquement autour d'une cavité centrale. On injecte des électrons dont les trajectoires s'enroulent autour des lignes de force et ces trajectoires constituent des courants électriques, lesquels sont censés inverser le champ initial ...et demeurer sagement en place, au moins "un temps suffisant" pour permettre aux réactions de fusion D-T de se produire en assez grand nombre. En outre, ce sont ces électrons qui ionisent les atomes D et T, injectés dans le système, par collisions et sont censés capables de porter le plasma obtenu à la température requise (cent millions de degrés pour la fusion D-T et 400 millions pour la fusion D-D). C'est, à peu de choses près, le concept de "l'ASTRON" de Christophilos. Il y a d'inévitables fuites: les seuls champs magnétiques de confinement, à peu près sans fuite, sont de topologie torique, tels que TOKAMAKS ou STELLARATORS.
Au lieu d'un cube à 6 faces, on pourrait envisager un octaèdre, à 8 faces (le nombre doit être pair). ... mais ça ne fonctionnerait pas mieux. L'ASTRON, étudié dans le cadre du projet SHERWOOD, a foiré.
Cordialement.