Brevet FR2092156A1 — publié le 19720121

L'invention concerne un procédé destiné i réaliser la fusion contrôlée du noyau au moyen d'un plasma artificiel; celui-ci est obtenu par la collision d'ions et d'électrons préalablement accélérés par l'emploi de faisceaux d'ions dirigés l'un contre l'autre. Par ailleurs l'invention décrit les installations 5 nécessaires i la réalisation du projet. D'après l'invention, les faisceaux d'ions et d'électrons sont mélangés au moyen de différents aimants de déviation: le faisceau d'ions traverse les deux aimants, tandis que le faisceau d'électrons traverse seulement un aimant i faible chapp magnétique. Pour réaliser notre objectif, les faisceaux ainsi formés sont focalisés avant la collision grâce i des champs magnétiques d'intensité croissante, de cette manière on évite la composante radiale de la vitesse des particules, ainsi on atteint des densités 22 x 24 3 A d'ions de l'ordre de 10 a 10 ions cm ou merne davantage. Ceux-ci sont contractés sous forme de paquets d'ions (brèves impulsions électriques) et sont amenés i se rencontrer. ■të Pour obtenir la fusion contrôlée des noyaux il est nécessaire de communiquer aux ions des vitesses suffisantes pour vaincre la barrière de potentiel coulom-bienne. Cette condition est remplie pour les ions de deutérium (deutrons) dans un plasma normal de 100 millions de degrés K. Selon l'équation e.V » k.T ceci correspond a des vitesses d'ions de l'ordre de 10 keV (1 eV correspond à une vitesse traduite en température de 7730 degrés K). Jusqu'à présent on a essayé d'atteindre la température de fusion avant tout par des effets de décharges ou de confinement de plasma. En considérant la distribution des vitesses de Maxwell de l'agitation thermique, on s'aperçoit que le plasma de fusion doit Être maintenu stable pendant un certain temps (env.1 sec.), donc doit être confiné 3£ dans un espace de stockage, afin que les ions les plus rapides de l'agitation désordonnée puissent avoir statistiquement quelque chance de se rencontrer. L'obtention de la température de fusion et la conservation du plaâma de fusion pendant un temps suffisant et avec une densité de plasma suffisante, présente d'énormes difficultés pour avoir un bilan positif. Il existe deux causes principales de l'instabilité pour obtenir un plasma fortement confiné - effets de paroi du plasma chaud vis-à-vis d'une ambiance plus froide d'atomes gazeux - tendance du plasma, due à l'agitation désordonnée des particules, à réduire sa densité, ce qui se traduit par une pression d'expansion énorme. L'objectif de l'invention consiste à éviter ces difficultés. Un plasma artificiel est créé dans une chambre i vide, de manière a annuler les effets de paroi. En évitant l'agitation désordonnée des particules et par l'emploi d'une vitesse ionique axiale pure de deux faisceaux de plasma opposés et en évitant une composante radiale de la vitesse, on atteint de très hautes, les plus hau-tes densités de plasma au moyen de champ magnétique relativement faible.Comme 71 18345 2 2092156 tous les ions du faisceau ont pratiquement la même vitesse, celle de l'accélération, on évite ainsi l'agitation désordonnée d'un plasma qui présente normalement la distribution en vitesse de Maxwell ou se dispense ainsi du teçps minimal de réaction qui en découle et par là on évite la nécessité de confinement. % Les ions et les électrons sont accélérés séparément et de manière appropriée et on constitue de cette manière le plasma ou c'est seulement la collision des deux faisceaux focalisés de plasma artificiel qui conduit i la fusion. L'invention est décrite plus explicitement au moyen des figures. La figure 1 montre le principe de l'invention, la fig.2 décrit schématiquement un exemple Ao de réalisation d'installation conforme à l'invention. La fig.3 explicite le processus de fusion selon l'invention, les fig.4 et 5 montrent les détails d'une installation de prélèvement de l'énergie. Dans la figure 6 on décrit de façon schématique une forme complémentaire de l'installation selon l'invention, la fig.7 montre schématiquement un exemple d'exécution de la chambre de réaction selon l'invention. Conformément à la fig.l, les faisceaux d'ions 1 et la issus de sources d'ion non représentés ici (rayons canaux) et des accélérateurs qui suivent (les sources d'ions) se rencontrent dans l'espace du champ de contraction d'une bobine 3 après avoir été déviés au préalable par un champ magnétique produit par les pôles magnétiques 2, 2a. Avant la collision des faisceaux d'ions on mélange des faisceaux d'électrons 4, 4a issus d'accélérateurs non représentés ici au moyen d'aimants de déviations 5, 5a; de cette manière on obtient un plasma artificiel. La section et la densité de particule des faisceaux d'ions et d'électrons sont pour ies besoins de la cause égaux ou comparables (il peut être utile de main-tenir la densité électronique un peu plus élevée, de cette manière on compense la charge d'espace) (quasineutralité), une charge d'espace nulle ou négative se produit dans le plasma oiî la répulsion coulombienne réciproque des ions se trouve compensée de toute façon dans les faisceaux, Le plasma ainsi créé se confine de lui-mêhie (autoconfinement) et de plus le champ créé par la bobine 3 qui en-3o toure la chambre de réaction contracte celui-ci. Le sens des champs de déviation des pôles d'aimants 2,4 (év.2a,4a) pour les faisceaux d'ions et d'électrons est le mène; de cette manière l'alimentation en particules de pôlarité inverse peut s'effectuer de chaque côté; elles peuvent aussi s'effectuer du même côté, à condition de changer le sens des champs. Les faisceaux d'électrons et d'ions ont pour les besoins de la cause i peu près les mêmes vitesses, c'est i dire l'énergie des électrons doit être sensiblement plus faible que celle des ions, pour les besoins de 71 18345 3 2092155 aux ioniques 1,1a et également pour le calcul des intensités des aimants de déviation 2,2a. Les champs de déviation des électrons 5,5a (qu'on peut choisir i l'avance) et de loin plus faibles que ceux des ions, n'exercent pas d'influence décisive sur les trajectoires des ions, parce que ceux-ci ont la mêhie vitesse, $ donc des énergies beaucoup plus élevées que celles des électrons, ce qui entraine une déviation minime. Dans le volume de la bobine 3 se produisent alors des réactions de fusion. Four atteindre ce but les faisceaux de ions, éventuellement les faisceaux de plasma doivent s'interpénétrer sur une certaine distance qui est la mêhie que celle obtenue par la concentration de la densité ionique, Ào elle dépend de l'accélération des ions. En fait on travaille avec des énergies d'ions de l'ordre de quelques keV jusqu'au maximum de 100 keV et le champ de contraction (bobine 3) a un ordre de grandeur de 10 à 10^ Gauss. Si on consi- «24 2 dère une section efficace de l'ordre de 0,03 barn (à savoir 0,03 .10 cm ) i 22 2^, 3 100 keV et une densité ionique comprise entre 10 et 10 ions/cm ou davan- 4S tage, la distance de réaction peut être inférieure au mètre (p.ex. l/3m pour 2i* 3 10 ions cm si on utilisait toute l'énergie). La rencontre des faisceaux de plasma accéléré se fait de manière inpulsion-nelle, donc de manière brève. Le tank è vide qui contient l'installation n'est pas représenté dans les figures schématiques pour des raisons de simplicité, îo La figure 2 explicite l'appareillage de façon plus précise, elle décrit schématiquement l'enveloppe des sources d'ions b, 6a avec les accélérateurs 7, 7a qui les suivent; elle explique également les unités analogues aux tubes de Braun, qui font office de sources d'électrons suivis de leurs accélératuers 8, 8a. L'aimant de contraction 3 qui entoure la chambre de réaction 9 est conçu de $£ façon à présenter un champ magnétique croissant dirigé vers l'espace de réactifiji on; le diamètre du pipe 10,10a avant ou après les accélérateurs peut avoir une dimension de 10 - 20cm ou même davantage, dé même pour la section 9 dans l'espace de réaction ou même moins. Dans la chambre de réaction, le plasma se contracte en forme de tube mince, donc celui-ci a une petite section pour une grande de densité de particules. A cfîté de l'espace de réaction se trouve uné section de tube 11 et une autre section symmétrique lia destinée au pompage du système. Les pompes à vide poussé peuvent être continuellement en service; elles servent à créer le vide de fonctionnement et à l'évacuation des produits de réaction résiduels. 3fi" Selon la figure 3 deux colonnes de plasma fortement condensées magnétique ment Dl,e^ et D2, e2 qui sont produits dans un appareillage décrit sur la fig. 2 se rencontrent frontalement pour que les ions par suite de la haute densité du plasma et de la petitesse du parcours fusionnent tout en gardant la dispersion minimale. En vue de l'amélioration du système, les électrons ajoutés aux M© ions sont un peu pius rapides que les ions, ils sont introduits un peu plus têt; 71 18345 2092156 de cette manière il se forme un nuage d'électrons au point de rencontre des paquets de ions, phénomène qui peut favoriser la fusion des noyaux. Par ailleuss les électrons qui ont été ajoutés latéralement et piégés dans le champ magnétique produit par la bobine 3, décrivent des trajectoires circulaires et peuvent favo-S riser la fusion. En tout état de cause les électrons présents dans le plasma peuvent suffire à créer la fusion. Aussi longtemps que les électrons et les ions possèdent des vitesses élevées (qui correspondent à des énergies d'agitation thermique ou qui les dépassent), ils peuvent difficilement se recombiner sous forme d'atomes, ce qui devient seulement possible aprèsle ralentissement. Grâce \o à une densité de plasma élevée et à un mode de fonctionnement impulsionnel, la dispersion des ions est maintenue à un niveau relativement faible. La densité élevée du plasma favorise aussi l'effet tunnel, c'est i dire la diminutèon de l'énergie correspondant à la barrière de potentiel coulombienne. Suivant la théorie, l'énergie de la particule doit être suffisante pour qu'elle puisse s'appro- 13 AS cher i une distande de 10" cm, i laquelle la répulsion coulombienne cesse et oiî le champ nucléaire devient prépondérant, c'est i dire qu'il se produit nécessairement un changement de la structure de l'ion qui entraine la formation d'un nouveau noyau i partir des deux précédents. Dans les fig.4 et 5 est représenté schématiquement un systàne de prélèvement 3*° d'énergie vue en section et en coupe longitudinale. A l'intérieur de la chambre # de réaction 9 se trouve une couche 12, par ex. en graphite (tube de graphite) qui absorbe toute l'énergie des rayonnements quelqu'en soit la nature et qui, s'il se produit des protons dans la réaction, se trouve chargée positivement par ceux-ci et peut permettre un écoulement 13 de courant. Par ailleurs une di-sper-sion des ions positifs peut aussi entraîner une collection de charges. Pour éviter les électrons de dispersion on peut mettre une électrode en forme de grille portée à un potentiel positif et disposée avant l'électrode constituée par la paroi 12. Cette électrode est constituée de bâtonnets cylindriques en graphite 14 reliés i l'alimentation 15. Les protons sont créés par la fusion de deutrons et de tritions avec une libération d'énergie de 4,08 MeV. La réaction des protons sur les tritions engendre, comme on le sait, de nouvelles réactions avec 3 A o production de He et He ainsi que de neutrons (P + D - JHe * 5,5 MeV, T+D - ^He + n + 17,6 MeV, etc.). A partir de la fusion du deutérium, il peut aussi se o 3 produire directement du He (D + D » He + N + 3,27 MeV). Il faut donc tendre ^ vers la fusion directe du deutérium , celle-ci conduit i de l'hélium stable (^He), il ne se produit dans cette réaction ni protons ni neutrons et une énergie de 23,8 MeV est libérée. Le régime impulsionnel empêche l'apparition d'une distribution Maxwellienne de la température qui entraine une expansion qui se produirait finalement quand même dans la chambre de réaction après la collision des colonnes de plasma, s'il 71 18345 2092156 ne s'agissait pas de paquets de plasma (brèves impulsions). L'émission de paquets de particules est bien connue dans la technique moderne. Dans les fig.4 et 5 se trouve le tube de réaction 9 et également aussi une couche 16 en matériau dense, par ex. du plomb, du platine ou du tungstéhe ou un S alliage qui s'en rapproche, pour augmenter les possibilités d'absorption de rayonnements de la couche de graphite 12. Une autre possibilité de l'invention est décrite dans la fig.6. Pour éviter que l'énergie des particules accélérées n'ayant pas subi de collision ne se dissipe de façon indésirable dans les parois, on a prévu selon la fig.6 des élec-trodas spéciales de collection desquelles on peut prélever l'énergie primaire restante sous forme d^'énergie électrique dans la mesure ou on établit des liaisons électriques entre ces électrodes et la source des particules. Conformément à la fig.6, les autres ions rapides arrivent grâce au champ 2 sur l'électrode de collection 17 et peuvent fermer le circuit avec la source d'ions (6a dans la fig.2); pendant que le* électrons rapides superflus sont canalisés par le champ 5 sur l'électrode de collection 18, ils ferment le circuit avec la source d'électrons (8a de la fig.2). On pourrait aussi utiliser les électrodes 17 et 18 et former un circuit. La fig.7 montre schématiquement un détail de l'installation telle qu'elle 2+ est prévue par l'invention; en particulier une possibilité d'exécution de la chambre de réaction. Le tube de réaction 9 avec le revêtement interne 12 et le revêtement externe 16 possède ici deux jupes refroidies.La jupe intérieure avec l'amenée 19 et la sortie 20 peut servir à exploiter l'énergie thermique de la réaction pour la production d'énergie; la jupe extérieure avec l'amenée et la sortie 21,22 refroidit avant tout la bobine 3 et la protège contre toute dégradation. La couche 12 est constituée i cet effet en graphite, les couches 16 sont avantageusement constituées d'un alliage de forte densité et résistant aux hautes températures. L'objet de l'invention n'est pas lié dans son exécution aux éxemples d'illus-^ tration représentés. Par ex. au lieu de champs magnétiques ttilisés lors du mélange et de la concentration des ions et des électrons pour la constitution du faisceau de plasma, un autre, un autre procédé, le cas échéant, peut être utilisé. 71 18345 6 2092156 REVENDICATIONS L'invention a pour objet: 1. Un procédé de fusion contrôlée utilisant un plasma artificiel produit par mélange d'ions et d'électrons caractérisé par le fait que les faisceaux d'ions (1,1a) et d'électrons (4,4a), après accélération séparée préalable, arrivant par des aimants de déviation différents (2,2a év. 5,5a) ou des installations analogues, sont mélangés et forment des faisceaux de plasma à haute intensité qui sont amenés i se rencontrer dans un dispositif de contraction (3). 2. Un procédé qui suivant la revendication 1 est caractérisé par le fait que le faisceau d'ions (1,1a) dévié par un champ magnétique et amené ensuite i travers un champ plus faible (5,5a) servant à la déviation et au mélange du faisceau d'électrons (4,4a). 3. Un procédé suivant la revendication 1 et/ou 2, caractérisé par le fait que le faisceau de plasma ainsi formé traverse, avant d'arriver i la zone de fusion, un champ magnétique d'intensité croissante et exerçant un effet de focalisation. 4. Un procédé d'après les revendications 1 è 3 ou de l'unè d'entre elles, ca- 00 0/ ractérisé par le fait que des densités ioniques de l'ordre de 10 i 10 ions/ 3 cm ou davantage sont utilisées grâce à l'absence de composante radiale de vitesse ionique et par une compensation de charge d'espace (quasineutralité) et par l'emploi d'unecontraction magnétique. 5. Un procédé selon les revendications 1 i 4 ou de l'une d'entre elles caractérisé par le fait que les vitesses axiales des électrons du plasma sont égales ou légèrement plus élevées que la vitesse des ions et/ou caractérisé par l'emploi d'une émission différée des faisceaux d'électrons par rapport au faisceau d'ions. 6. Un procédé selon les revendications l i 6 ou de l'une d'entre elles, caractérisé par le fait que l'intensité de courant des électrons est plus élevée que l'intensité ionique, permettant d'atteindre de cette manière une charge d'espace négative et d'annuler la répulsion coulombienne des ions positifs. 7. Un procédé selon les revendications 1 è 6 ou de l'une d'entre elles,caractérisé par le fait que les électrons formant un plasma avec les ions se choquent frontalement par impulsions brèves. 8. Une installation permettait l'exploitation du procédé de fusion suivant les revendications du brevet 1 è 7 ou de l'une d'entre elles, et caractérisée par le fait qu'une source d'ions (6,6a) avec leur accélérateur (8,8a) sont disposés symmétriquement par rapport i une chambre de réaction entourée par une bobine 3 et flanquée de deux installations de mélange (aimants 5,5a) destinées è mélanger les faisceaux d'ions et d'électrons formant des faisceaux de plasma. 9. Une installation, suivant la revendication de brevet 8, caractérisée par le 71 18345 7 2092156 fait que le prélèvement d'énergie est assuré par une couche cylindrique 12 disposée devant les parois de l'enceinte (9(; ce cylindre absorbe aussi bien l'énergie du rayonnement que les charges; il est avantageusement constitué de graphite et pourvu de connexions électriques destinées à évacuer les charges positives pouvant assurer la production d'un courant (13 de la fig.4). 10. Une installation, suivant la revendication 9, caractérisée par le fait que devant la couche de collection d'énergie (12) sont disposées des électrodes en forme de grille (par ex. des bâtonnets de graphite 14 avec connexions 15 de la fig.4 et 5) portées à un potentiel positif destiné à collecter les électrons de dispersion. 11. Une installation, suivant les revendications 8 i 10 ou l'une d'entre elles, caractérisée par le fait que des électrodes supplémentaires de collection (17 et 18) sont destinées i recueillir des porteurs de charges n'ayant pas subi de collision et permettant une récupération de l'énergie électrique non utilisée par les porteurs de charges (fig.6). 12. Une installation, suivant les revendications 8 à 11 ou l'une d'entre elles, caractérisée par le fait que la chambre de réaction avec le dispositif de collection d'énergie (tube9, couche 12 et 16) est entouré de deux jupes évacuatrices de chaleur dans lesquelles le systétae interne (raccords 19 et 20) est destiné i récupérer l'énergie thermique et le systéhie extérieur (raccords 21 et 22) est destiné i la protection de la bobine de contraction (3) (fig.7). 13. Une installation et un procédé de fusion contrôlée telle qu'elle est décrite et illustrée (sous réserve de nouvelles revendications plus detailiées de brevet).