Brevet FR2658653A1 — publié le 19910823

Dispositif de fusion continue à amas d'ions L'invention a pour objet un dispositif destiné à réaliser un processus de fusion en continu, mettant en oeuvre des amas d'ions d'isotopes lourds de l'hydrogène. L'article de R. J. Beuhler et autres "Cluster impact fusion", The American Physical Society, septembre 1989, Vol. 63, No. 12, pp. 1292-1295 fait connaitre un dispositif de fusion mettant en oeuvre un faisceau focalisé et accéléré d'ions obtenus par décharge corona dans un milieu constitué de molécules d'eau lourde transportées par un gaz vecteur. Les amas sont accélérés pour leur donner une énergie d'environ 300 keV et frappent une cible de deutérure de titane placée dans une chambre maintenue sous vide. L'analyse des particules émises a permis de constater qu'il se produit effectivement une réaction de fusion entre des atomes de deuterium. Mais, dans un tel dispositif, seules des couches superficielles de la cible solide sont chauffées et comprimées par ondes de choc à un point suffisant pour que des phénomènes de fusion sty produisent. Le dispositif ne peut en conséquence servir qu'à des fins expérimentales. L'invention vise à fournir un dispositif destiné à réaliser un processus de fusion en continu suffisamment intense pour générer, sous forme de particules et de rayonnements, une puissance exploitable, ce qui exige un rendement de fusion beaucoup plus élevé que dans l'appareil décrit ci-dessus. Dans ce but, l'invention propose un dispositif comprenant au moins un couple de deux générateurs d'amas d'ions alignés, dirigeant l'un vers l'autre des faisceaux d'amas ionisés contenant des isotopes lourds de l'hydrogène, ayant des polarités opposées et ayant chacun une énergie au moins égale à 300 keV, et une chambre de collision sous vide destinée à recevoir les faisceaux d'ions et à délimiter un espace où se produisent la collision des faisceaux et le phénomène de fusion, cette chambre étant munie de moyens de récupération d'énergie. On connait à l'heure actuelle des générateurs permettant d'accélérer jusqu'aux énergies nécessaires des amas comprenant 60 à 2600 atomes de deuterium et/ou de tritium. La polarisation opposée des amas des deux faisceaux favorise leur collision, ce qui a plusieurs résultats favorables : une précision élevée sur l'emplacement exact de focalisation de chaque faisceau n'est plus indispensable. L'attraction entre amas d'ions de polarités opposées provoque un choc frontal développant, au sein même des amas, des ondes de choc acroissant la densité des amas. Du fait que la matière est à l'état dispersé, et non plus condensée comme dans le cas d'une cible solide, la probabilité que les ions interviennent dans une réaction de fusion, plutôt que de dissiper inutilement leur énergie, est accrue par comparaison avec l'impact sur une cible solide. La paroi de la chambre de collision assure la protection de l'environnement. Elle peut comporter une enceinte interne destinée à ralentir les particules et à absorber ces particules et les rayonnements afin de récupérer sous forme thermique l'énergie dégagée par la réaction. Dans le cas où l'on met en oeuvre la réaction de fusion 2H+2H, une fraction importante de l'énergie est produite sous forme de protons et la paroi de la chambre peut être tapissée d'éléments destinés à recueillir directement leurs charges pour produire de l'électricité. Chacun des générateurs peut comporter une source d'amas ionisés constituée par une tuyère supersonique alimentée par de la vapeur saturée d'eau lourde, éventuellement mélangée à un gaz vecteur tel que l'hélium, et des moyens de création d'une décharge corona dans l'amas d'ions, leur donnant une polarité négative dans un des générateurs, positive dans l'autre. La source peut être suivie d'un séparateur destiné à ne transmettre que des gouttelettes dont la taille reste dans une plage déterminée. Une lentille d'extraction est placée en aval de la source, et du séparateur s'il est prévu. Les amas ionisés sont recueillis par un groupe de lentilles de focalisation et une colonne d'accélération, dont la constitution peut être classique, reliée à la chambre de collision par un diaphragme correspondant à la taille transversale du faisceau d'amas ionisés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel - la Figure 1 est une vue schématique d'un dispositif, représenté en coupe suivant un plan passant par la direction commune de propagation des faisceaux - la Figure 2 montre une constitution possible d'une source d'amas d'ions. Le dispositif montré schématiquement en Figure 1 peut être regardé comme comprenant une chambre de collision 10 et deux générateurs 12 et 14 alignés et débouchant dans la chambre. Les générateurs 12 et 14 d'amas d'ions ont la même constitution, mais les polarités des tensions qui leur sont appliquées sont de sens opposés. Seul le générateur 12 sera décrit. I1 comprend une source d'amas d'ions 16, alimentée en vapeur saturée d'eau lourde D20, suivie d'une lentille d'extraction 18 et de lentilles électrostatiques 20 de focalisation dont les tensions sont réglées pour produire un faisceau focalisé au centre 22 de la chambre 10. Dans le mode de réalisation illustré, un séparateur 24 destiné à limiter la plage de tailles des amas d'ions (ctest-à-dire des gouttelettes d'eau chargées) est placé en amont de la lentille d'extraction 18.Pratiquement, on recherchera en général une dimension d'amas conduisant à un taux de réaction de fusion optimal, qui semble être obtenu pour des amas de quelques centaines de molécules. Le faisceau est admis dans une colonne d'accélération 26 destinée à donner aux amas une énergie dépassant avantageusement 300 keV, car le rendement augmente avec l'énergie et diminue rapidement au-dessous de cette valeur. Un tel générateur permet d'obtenir sans difficultés un courant dont l'intensité est d'environ 10 nA. Les amas accélérés sont admis, par l'ouverture d'un diaphragme étroit 28, dans une chambre de collision 10 maintenue sous vide par une pompe 30. La source d'amas d'ions 16 peut avoir la constitution montrée en Figure 2. Elle comporte alors un tube d'ionisation 32 muni d'un ajutage 34 d'alimentation en vapeur d'eau entraînée par un gaz vecteur tel que l'hélium, provenant d'un injecteur 36 de vaporisation et de réglage de débit. L'eau sera généralement essentiellement constituée d'oxyde de deutérium, destiné à permettre la réaction 2H + 2H b 1H + 3H + 4 MeV Toutefois, des réactions de fusion mettant en oeuvre du tritium 3H sont également possibles. Les molécules d'eau lourde 2H20 traversent une zone où règne un champ électrique suffisant pour créer une décharge corona donnant naissance à des amas d'ions, par exemple (2H20)n+ pour la source du générateur 12. Le champ est créé, dans le cas illustré, par une tension établie par une source de courant 38 entre une électrode haute tension 40 et une tuyère ultrasonique de détente 42. La chambre de collision 10 présente des parois permettant d'absorber les particules (protons, deutérons, hélions) créées ou n'ayant pas réagi et les rayonnements afin de récupérer l'énergie, par exemple à l'aide d'un courant de caloporteur parcourant la paroi. Dans la partie centrale de cette chambre, les faisceaux d'amas (2H20)n+ et (2H20), se rencontrent. Le fait que la matière y soit à l'état entièrement dispersé, ce qui tend à réduire le nombre des collisions provoquant la fusion, est largement compensé par l'attraction due à la polarisation opposée des deux faisceaux et la profondeur, dans le sens de propagation, de la zone réactive. On peut ainsi se rapprocher de conditions remplissant le critère de Lawson qui fixe le seuil à partir duquel une réaction de fusion entre noyaux de deutérium et/ou de tritium peut s'amorcer et se poursuivre sans apport d'énergie extérieure nombre de particules par m3 x temps de confinement (en secondes) x température (en "C) > 5.1028. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à réaliser un processus de fusion en continu, mettant en oeuvre des amas d'ions, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un couple de deux générateurs d'amas d'ions alignés (12, 14), dirigeant l'un vers l'autre des faisceaux d'amas ionisés contenant des isotopes lourds de l'hydrogène, ayant des polarités opposées et ayant chacun une énergie au moins égale à 300 keV, et une chambre de collisison (10) sous vide destinée à recevoir les faisceaux d'ions et à délimiter un espace où se produisent la collision des faisceaux et le phénomène de fusion, cette chambre étant munie de moyens de récupération d'énergie. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi de la chambre (10) comporte une enceinte interne destinée à ralentir les particules et à absorber ces particules et les rayonnements afin de récupérer sous forme thermique l'énergie dégagée par la réaction. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chacun des générateurs comporte une source (16) d'amas ionisés constituée par une tuyère supersonique alimentée par de la vapeur saturée d'eau lourde, éventuellement mélangée à un gaz vecteur tel que l'hélium, et des moyens de création d'une décharge corona dans l'amas d'ions, leur donnant une polarité négative dans un des générateurs, positive dans l'autre.