Brevet FR2712722A1 — publié le 19950524

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de fusion nucléaire contrôlée par jets de liquides à très haute pression. Les techniques actuelles de fusion nucléaire ont pour but de produire une élévation extrême de température et de pression afin d'amorcer une réaction autoentretenue de fusion nucléaire dans un espace de confinement nécessitant des moyens techniques énormes en raison de l'instabilité du processus. On utilise préférentiellement le système à tore magnétique type Tokamak ou le système à implosion inertielle provoquée par lasers ou faisceaux d'ions. Une autre technique, celle des accélérateurs de particules, permet un total contrôle des réactions nucléaires mais dans des enceintes sous vide donc avec de très faibles densités et débit de matière, ce qui exclu un rendement énergétique exploitable. (Références bibliographiques: - élément de physique nucléaire, D. Blanc et G. Ambrosino, Masson 1967. - Fusion thermonucléaire contrôlée, D. Blanc (Université de Toulouse) Masson 1978, ISBN2 - 225 - 70213 - 6 .- P. H. Rebut et D.J. Gambier, La Recherche 242, p. 436, 04/1992, ISSN0029-5671, Soc. des Edit. Scientifiques). D'autres procédés récents, dits à fusion froide, sont apparus depuis 1989, principalement par électrolyse (procédé Fleischmann et Pons) et ont donné lieu à de nombreux brevets (il : G21 B - 001/00 INV: Baker, Bush, Crouch, McKubre, Will...) mais leur efficacité reste douteuse. En France, une tentative de fusion froide par impulsion de haute pression générée par canons à arcs électriques, projectiles d'eau lourde et décharges électriques n'a pas donné de résultat probant. (il : G21B - 001/00, PUB : 2660102, Ampère SA, Rambaut M., Vigier J.P. - 1991). Le principe de toutes ces techniques est de communiquer aux noyaux d'atomes à fusionner, une vitesse élevée afin qu'ils puissent suffisamment se rapprocher et vaincre la force de répulsion électrostatique coulombienne qui s'exerce entre les charges positives de ces noyaux. I1 faut ainsi leur communiquer une vitesse minimale à laquelle correspond un seuil d'énergie minimal au-delà duquel les réactions de fusion deviennent possibles. Ce seuil d'énergie est d'environ 20 KeV (3.10-15 Joule/atome) pour les noyaux d'atomes les plus faciles à fusionner tels que les isotopes lourds de l'hydrogène : deutérium et tritlum. Le procédé selon l'invention, du type à fusion froide, permet de communiquer aux atomes à fusionner une énergie supérieure à ce seuil, ce qui produit des réactions de fusion nucléaire de façon continue, ceci par de simples moyens hydrauliques, électromagnétiques et chimiques. De plus, ce procédé peut être expé rimenté à l'air libre et à température ambiante mais nécessite néanmoins une enceinte de protection et de récupération d'énergie. Le principe du procédé selon l'invention est d'utiliser un jet continu de liquide à très haute pression ( > 1500 bars) au sein duquel se fait un transfert de vitesse de molécules légères rapides à molécules lourdes. Celles-ci transferent à leur tour leur énergie cinétique à des atomes légers à noyaux fusibles piégés par les champs coulombiens des atomes lourds au moment de leur impact avec d'autres atomes à fusionner. Le procédé selon l'invention utilise pour cela un liquide constitué de molécules légères et de molécules lourdes, ces molécules lourdes étant chacune constituée d'au moins un atome de masse atomique élevée. Des atomes légers à noyaux fusibles avec les noyaux d'autres atomes d'une cible, sont intégrés à ce liquide, soit dans les molécules lourdes ou légères précédemment citées, soit sous forme de molécules indépendantes. Selon une première forme du procédé, ce liquide est expulsé à très haute pression par un orifice sous forme d'un jet continu. Ce jet heurte une cible chargée d'atomes à noyaux fusibles pour ainsi réaliser la fusion, lors de l'impact, de noyaux d'atomes légers fusibles du jet, piégés par des molécules lourdes convenablement orientées du jet, avec des noyaux d'atomes chargés sur la cible. Selon des formes particulières du procédé - la cible peut être mobile, solide ou liquide, animée d'un mouvement permettant son renouvellement et l'évacuation de la chaleur. - la cible peut ne pas être préalablement chargée et les atomes à noyaux fusibles peuvent être apportés par le jet sur la cible. Un seul ou deux types d'atomes destinés à fusionner sont alors incorporés au liquide du jet. - préférentiellement, la cible peut être remplacée par un deuxième jet continu de liquide à très haute pression dirigé dans le sens opposé au premier jet ("procédé à deux jets") et entrant en collision avec celui-ci, ce qui permet de doubler l'énergie de collision. Des paires de jets de sens opposés peuvent être utilisées dans un même dispositif. - le jet ou les jets peuvent traverser une zone d'excitation magnétique afin d'orienter leurs molécules avant la collision. - une excitation électromagnétique à haute fréquence peut être appliquée à un jet ou aux deux jets opposés afin d'induire des résonances paramagnétiques électroniques (RPE) dans les molécules pour les orienter par basculement de leur moment magnétique. - une zone d'excitation magnétique où règne un gradient de champ magnétique intense peut être utilisée sur le trajet du ou des jets, pour induire une déviation de la trajectoire d'une partie des molécules. Ceci permet de favoriser la collision des molécules lourdes chargées en atomes légers à noyaux fusibles au détriment des molécules légères d'entralnement. - une variante destinée à séparer les molécules lourdes des molécules légères après leur entraînement à la même vitesse dans le jet, utilise un jet auxiliaire de fluide à basse pression de direction transversale au jet principal à très haute pression, ces jets se croisant dans un même plan. Le jet transversal exerce sur le jet principal une pression latérale qui dévie sélectivement les trajectoires des molécules légères et lourdes afin de les séparer. Le fluide de ce jet transversal doit être constitué de molécules légères. Ceci améliore le rendement du procédé. - les molécules lourdes du liquide peuvent être injectées dans le jet ou les jets après la sortie du jet de l'orifice d'expulsion afin de réduire l'usure des buses d'expulsion. - des molécules lourdes de corps ferromagnétiques peuvent être incorporées au liquide du jet pour augmenter le nombre de molécules correctement orientées avant leur impact. - l'emploi de molécules lourdes de type polymère dans le liquide du jet peut faciliter l'orientation des molécules avant leur impact, permettre une fixation multipolaire des atomes légers à noyaux fusibles et une collision tangentielle des jets. - les atomes lourds constituant les molécules lourdes du jet ou ceux de la cible peuvent être des atomes d'éléments fissiles, ceci pour produire des réactions de fission nucléaire engendrées par les neutrons rapides émis lors de l'impact des atomes légers. - l'utilisation de zones d'excitation magnétique à gradient de champ magnétique très intense peut permettre une déviation sélective des trajectoires des molécules légères ou lourdes et ainsi de récupérer une partie de l'énergie cinétique du liquide d'entraînement par convertion en haute pression utilisable comme fluide moteur d'une pompe. - un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention consiste en une enceinte dans laquelle se produit la collision de deux jets de liquide à très haute pression, constitués de molécules légères entraînant des molécules lourdes et d'atomes légers à noyaux fusibles. Ces jets sont introduits dans l'enceinte par des orifices d'entrée puis traversent des zones d'excitation magnétique avant d'entrer en collision dans une zone centrale où se produisent les réactions de fusion nucléaire. Les gaz et liquides résiduels à haute pression s'échappent de l'enceinte par des orifices de sortie pour être recyclés comme fluide moteur d'une pompe génératrice de très haute pression et comme liquide d'entraînement à très haute pression. De nouvelles molécules sont introduites dans le liquide recyclé pour compenser les pertes dûes à la fusion. Les gaz produits par les réactions de fusion sont condensés et séparés par distillation. L'enceinte est entourée d'un récupérateur d'énergie thermique et neutronique dont le fluide actionne un convertisseur d'énergie thermique en énergie mécanique. Les dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente la première forme du procédé à un jet. La figure 2 représente une variante du procédé à un jet. La figure 3 représente une forme du procédé à deux jets. La figure 4 représente un détail de la zone de collision d'une forme du procédé à deux jets tangentiels. La figure 5 illustre un détail du principe de fonctionnement du procédé et représente une molécule lourde du jet. La figure 6 illustre un détail du principe de fonctionnement du procédé et représente un type de molécule lourde concave. La figure 7 représente un schéma de principe d'un dispositif selon l'invention, avec vue en coupe de l'enceinte du réacteur. En référence à ces dessins le procédé dans sa forme la plus simple utilise selon la figure 1, un orifice (1) par lequel est expulsé un liquide (L) à très haute pression (1500 à 7000 bars) sous forme d'un jet continu linéaire (2) qui va heurter une cible (4) où s'opèrent les réactions de fusion nucléaire. q Cette fusion se fait entre noyaux d'atomes légers fusibles (A) tels que deutérium, tritium, 32He, lithium, contenus dans le liquide (L) à très haute pression et noyaux d'atomes légers (E) chargés sur les molécules lourdes de la cible (4). Le liquide (L) doit, selon le procédé, être constitué majoritairement de molécules légères (B) de poids moléculaire inférieur à 30 g telles que des molécules d'eau H20, d'eau lourde D20 ou de gaz liquéfiés tels que l'hélium, l'hydrogène, le deutérium ou le méthane. Ce liquide a un rôle d'entraînement de molécules plus lourdes (C) en nombre minoritaire qui doivent posséder au moins un élément (F) de masse atomique élevée supérieure à 30 g tel que l'iode, le baryum, l'yttrium, les lantha nides, le platine, le paladium, le mercure, le cadmium, le germanium, l'étain, le plomb, le bismuth, le thorium, l'uranium ou tout autre atome lourd incorporable aux molécules lourdes (C). Ces molécules lourdes (C) peuvent être mélangées au liquide (L) à très haute pression avant l'orifice d'expulsion (1) ou dans une variante non illustrée, injectées dans le jet à la sortie de la buse formant l'orifice d'expulsion pour éviter l'usure de celle-ci. Les molécules lourdes (C) doivent en outre être choisies pour leur capacité à fixer ou à piéger des atomes légers (A) à noyaux fusibles. Des molécules lourdes (C) possédant des sites électrochimiques polaires permettent cette fixation et donnent à celles-ci des propriétés paramagnétiques ou ferromagnétiques exploitables à des fins d'orientation des molécules. En effet, le procédé selon l'invention exploite le fait que si les molécules lourdes (C) sont en nombre minoritaire dans le liquide (L) à très haute pression, les molécules légères (B) communiquent leur vitesse aux molécules lourdes (C) par chocs moléculaires dans le jet. Ceci accroit l'énergie de ces molécules lourdes (C) dans un rapport égal au rapport de masse entre molécules lourdes (C) et légères (B). Des réactions de fusion nucléaire se produisent pour une quantité notable de molécules dont l'orientation est telle qu'un atome léger à noyau fusible (A) (deutérium, tritium), se retrouve piégé à l'avant, par rapport au sens (6) du jet selon la flgure 5, d'un élément de masse atomique élevée (F) de la molécule (C) ou selon la figure 6 emprisonné dans la molécule lourde (C) avec l'élément lourd (F) situé derrière l'élément léger (A). Le choix de molécules lourdes (C) possédant un axe de symétrie passant par le centre des atomes (A) et (F) est préférable pour accroître l'efficacité du procédé. Cette orientation des molécules lourdes (C) permet à leur élément (F) de masse atomique élevée et de grande énergie cinétique, de perdre une partie de ses électrons lors de l'impact et à sa charge résultante positive d'exercer une pression coulombienne sur le noyau de l'atome léger fusible (A). Celui-ci peut alors franchir le seuil de la barrière coulombienne d'un noyau atomique (E) de la cible (4) pour ainsi réaliser la fusion des noyaux (A + E). Selon une variante du procédé, illustrée par la figure 2, le jet (2) traverse une zone d'excitation magnétique (3) qui sollicite les moments dipolaires magnétiques des molécules, ceci afin d'accroître le nombre de molécules lourdes convenable ment orientées avant l'impact avec la cible (4). Le type d'excitation magnétique est choisi selon les caractéristiques de temps de relaxation des molécules lourdes (C). On utilise soit un champ magnétique intense, soit une succession de champs magnétiques de sens opposés alternés, soit une excitation électromagnétique à haute fréquence afin d'induire des résonances paramagnétiques électroniques (RPE) propres à faire basculer les moments dipolaires, soit une zone d'excitation à gradient de champ magnétique intense, soit une combinaison de ces différents moyens dont le but est d'orienter les molécules lourdes (C). Une forme préférentielle du procédé est illustrée par la figure 3. C'est un procédé à deux jets où les jets (2 et 5) à très haute pression sont expulsés par les orifices (1) en sens (6) opposés. Ils traversent chacun une zone d'excitation magnétique (3) et entrent en collision dans une zone centrale où s'effectue la fusion des atomes légers (A et E) contenus dans les jets. Le liquide à très haute pression peut être commun aux deux jets ce qui permet de n'utiliser qu'un seul dispositif de pompage à très haute pression. Par contre, on peut injecter en sortie des orifices d'expulsion (1) des molécules lourdes (C) chargées en éléments légers à fusionner (A et E) différents (deutérium et tritium). Pour une même pression, ce procédé à deux jets permet de doubler l'énergie communiquée aux atomes à fusionner lors de la collision des jets. Dans une variante du procédé à deux jets, la direction des deux jets (2 et 5) selon la figure 4, est légèrement décalée afin que la collision de ceux-ci se fasse de façon tangentielle à la surface des jets. En combinant une excitation magnétique propre à déplacer les molécules lourdes vers la surface de collision des deux jets et des molécules lourdes de type polymère en chaîne à sites électrochimiques polaires multiples, on augmente le taux de réactions de fusion par rapport au nombre de molécules entraînées par les jets. Un dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, illustré par le schéma de la figure 7, est constitué d'une enceinte de réacteur (7) dans laquelle est projeté par des orifices d'entrée (1), le liquide à très haute pression (L), décrit dans le procédé, sous forme de deux jets opposés (2 et 5). Ces jets traversent chacun une zone d'excitation magnétique (3) avant d'entrer en collision dans une zone centrale à l'enceinte (7) où se produisent les réactions nucléaires. Les gaz à haute pression, dégagés par ces réactions, s'échappent de l'enceinte (7) par des orifices de sortie (9) pour rejoindre le condenseur (11). Une partie de ces gaz est réintroduite dans l'enceinte (7) par des orifices (10) pour compenser les dépressions créées par les jets sortant des oriflces (1). Les liquides résiduels de la réaction sont évacués de l'enceinte (7) par un orifice (8) vers le condenseur (11). Ceux-ci sont recyclés dans le circuit à très haute pression (13) par l'intermédiaire d'une pompe à très haute pression (14). Du liquide (L) neuf, est introduit dans le circuit par l'entrée (15). Les gaz résiduels à haute pression sortant du condenseur (11) sont utilisés comme fluide moteur de la pompe à très haute pression (14) puis traités par condensation et distillation (16) pour être recyclés ou évacués par les sorties (17). Un dispositif auxiliaire à la pompe à très haute pression (14), non représenté sur le schéma, assure un apport d'énergie complémentaire à la pompe, notamment au démarrage. L'enceinte (7) du réacteur est entourée d'un récupérateur (12) d'énergie thermique, neutronique et cinétique des particules éjectées, dont le fluide actionne un convertisseur en énergie mécanique (18) et électrique. D'une façon générale, pour mettre en oeuvre efficacement le procédé, il faut rechercher le facteur multiplicatif de transfert d'énergie le plus élevé possible. Le premier transfert de vitesse des molécules légères aux molécules lourdes, amplifie l'énergie par un facteur égal à: -mB où mF = masse atomique de l'élément lourd (F) inclus dans les molécules (C) mB = masse molaire des molécules légères (B) Dans le deuxième transfert, en considérant le cas le plus favorable où l'atome à fusionner (A) est piégé de façon symétrique par l'atome (F) jusqu'à l'impact final, mF l'énergie est amplifiée par le facteur où mA = masse atomique de l'élément léger (A) L'amplification d'énergie totale, lors de l'impact, se fait alors par un facteur xmF égal à: kl= mBXmA Dans un premier exemple où le liquide d'entraînement est constitué de molécules légères (B) de deutérium D2, les atomes lourds (F) de thorium 232 Th et les atomes à fusionner de tritium 3H, on a k1 = 4485 D'autre part, l'énergie cinétique Eo des molécules légères (B) du jet est proportionnelle à la pression : à 1500 bars cette énergie est d'environ 10 eV. Avec un seul jet, dans le cas de notre exemple, l'énergie de l'atome de tritium lors de l'impact est alors E1 = kl x E0 = 45 KeV. Dans le cas de deux jets opposés à 1500 bars, avec pour atome léger à noyau fusible(A) du deuxième jet : du deutérium, on a k2 = 6728 et l'énergie à l'impact pour le deutérium E2 = k2 x Eo = 67 KeV L'énergie totale lors de la collision deutérium-tritium peut atteindre la somme E = E1 + E2 = 112 KeV. A cette énergie, la section efficace de réaction de fusion est proche de son maximum. On a af= 8 barns (10-28 m2). Dans un deuxième exemple à deux jets, où le liquide d'entraînement est de l'eau H2 O à 4000 bars, les atomes à fusionner du deutérium et du tritium, l'élément lourd (F) du thorium : l'énergie à la collision E = 67 KeV, la section efflcace af = 3 barns. Dans un troisième exemple à deux jets, où le liquide d'entraînement et les atomes à noyaux fusibles sont uniquement du deutérium, l'élément lourd de l'uranium 238, à la pression de 2000 bars : l'énergie à la collision E = 180 KeV, la section efficace de fusion D - D af = 0,1 barn. Ces sections efficaces de réaction de fusion relativement élevées et le fort débit de matière des jets permettent d'entretenir des réactions de fusion en continu. Celles-ci donnent une émission continue de neutrons et de particules alpha dont l'énergie cinétique est convertible en énergie thermique puis mécanique ou électrique. Pour produire de l'énergie avec un rendement positif, le dispositif de pompage à très haute pression doit avoir un très bon rendement et le maximum d'énergie doit être récupérée des molécules d'entraînement du jet. Le procédé selon l'invention s'applique à: - la production de flux de neutrons et d'isotopes artificiels en chimie nucléaire. - la production d'énergie - l'utilisation du jet comme outil de coupe de matériaux durs en ambiance contaminée, les réactions nucléaires lors de l'impact du jet, participant à la désagrégation des matériaux. REVENDICATIONS 1) Procédé de fusion nucléaire caractérisé par l'utilisation d'un liquide (L) constitué de molécules légères (B) et de molécules lourdes (C). Ces molécules lourdes (C) étant constituées d'au moins un atome (F) de masse atomique élevée. Des atomes légers (A), à noyaux fusibles avec les noyaux d'atomes (E) d'une cible (4), sont intégrés à ce liquide (L). Ce liquide (L) est expulsé à très haute pression par un orifice (1) sous forme d'un jet continu (2). Ce jet (2) heurte une cible (4) chargée d'atomes à noyaux fusibles (E) pour ainsi réaliser la fusion (A + E) de noyaux d'atomes légers fusibles (A) du jet avec des noyaux d'atomes (E) de la cible (4). 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'une cible (4) mobile. 3) Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que les atomes à noyaux fusibles (E) de la cible (4) sont apportés par le jet (2) sur la cible (4). 4) Procédé selon la revendication 1 caractérisé par l'utilisation, à la place de la cible (4), d'un deuxième jet continu (5) de liquide à très haute pression de sens opposé au premier jet (2) et entrant en collision avec celui-ci. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par l'injection des molécules lourdes (C) dans un jet après sa sortie de l'orifice d'expulsion (1). 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un jet traverse une zone d'excitation magnétique (3). 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'une excitation électromagnétique est appliquée à un jet afin d'y induire des résonances paramagnétiques électroniques. 8) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par l'utilisation d'une zone d'excitation magnétique où règne un gradient de champ magnétique intense. 9) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par l'emploi d'un jet de fluide de direction transversale à un jet principal à très haute pression (2 ou 5), ces jets se croisant dans un même plan. 10) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par l'utilisation de molécules lourdes de corps ferromagnétique dans le liquide d'un jet. 11) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par l'utilisation de molécules lourdes de type polymère dans le liquide d'un jet. 12) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par l'utilisation d'atomes lourds fissiles dans un jet ou dans la cible afin de produire des réactions de fission nucléaire. 13) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par l'utilisation d'une enceinte (7) dans laquelle se produit la collision de deux jets (2 et 5) de sens opposé de liquide (L) à très haute pression introduit par des orifices (1). Ces jets traversent des zones d'excitation magnétique (3). Les gaz et liquides résiduels sortent de l'enceinte (7) pour être recyclés comme fluide moteur de pompe et comme liquide (L) après traitement. L'enceinte (7) est entourée d'un récupérateur d'énergie (12) dont le fluide actionne un convertisseur d'énergie (18).