Brevet FR2718275A1 — publié le 19951006

DISPOSITIF PROVOCUAXT ET UTILISANT LA " MICRO-FUSION " THERPiONUCLEAIRE La présente invention concerne des dispositifs capables de transformer en courant électrique industriel l'énergie de fusion thermo-nucléaire +(e relativiste). Dans le brevet ne9204574 déposé le I4 Avril 1992 sous le même titre, l'inventeur a montré que la fusion du deuterium pur, réputée impossible, devenait possible en présence d'un très fort gradient de champ magnétique et a montré comment l'énergie de fusion provenant du rapprochement des noyaux D sous l'effet des forces nucléaires alimente le travail d'une force qui lance en sens opposés, d'une part le système générant le gradient de 4 champ magnétique et, d'autre part, le noyau He constitué. Dans le présent brevet, déposé sous le même titre que le précédent, l'inventeur développe les calculs dans le cas où le gradient de champ magnétique est celui du moment magnétique de l'électron. I1 montre comment le noyau ne en formation tombe au niveau fondamental pendant que l'électron emporte presque toute l'énergie à cause de la disparité des masses. L'électron ainsi lancé a une masse égale à plusieurs dizaines de fois sa masse au repos et avance, dans le nuage électronique, à la vitesse C. Les aérodynamiciens diraient "à vitesse transsonique". Le freinage est alors maximum et l'énergie est diffusée dans l'onde de choc qui se forme devant cet électron.Ainsi, si les spin des électrons sont orientés parallèlement sous l'influence d'un champ magnétique, nait un courant électrique intense. En même temps, la haute densité atteinte dans l'onde de choc permetle renouvellement de la fusion, et le champ magnétique s'avance avec les moments magnétiques des électrons. Comme tout courant intense, ce phénomène est limité latéralement par la pression du champ magnétique qui encercle le courant électrique qui le produit. Le brevet met à profit ces phénomènes pour engendrer un courant électrique intense à partir de l'énergie de fusion thermonucléaire. r. reprend les dispositifs durits dans le brevet n 9204574, qui constituent de moyens pour obtenir un plasma très dense et un champ magnétique axial important. A titre de justification théorique, on va étudier successive ment: le champ du doublet magnétique lié à l'électron, l'évolution des noyaux D dans le champ du doublet, puis une théorie du noyau et enfin les probabilités de choc efficace. 1/ Le champ du doublet magnétique lié à l'électron. Un doublet est constitué par deux charges magnétiques +c'et -q placées symètriquement par rapport à l'origine d'un axe En coordonnées sphériquesr##dans un plan méridien, le champ du doublet magnétique au point M s'écrit: Passons en coordonnées cylindricues: ou, mieux, en te nant compte du fait que: Sur le cylindre de rayon , on a: Y = 3 4j /LHYB 638 qui est maximal pour au pour rqd-- donc (fig.l) On calcule le flux de ep à travers le cylindre; on a, pour l'élément de surface: 2np W3 Eni aeT cr 4Bc, B, e/rp- = 6nqt Pour simplifier le calcul, on remplace la courbe de la figure 1 par une fonction carrée tracée en traits interrompus. Le flux est conservé si l'on donne à Il sa valeur maximale entre a/- O,/Zet 't~ 1,33 p - I,33 et une valeur nulle ailleurs. Déterminonsmaintenant le rayon R d'un anneau parcouru par un courant équivalent au doublet yg ; le flux magnétique à travers l 2nne2u est égal au flux à travers le demi-cylindre qui s'appuie sur l'anneau et se prolonge à l'infini, ce qui s'écrit: ou, en simplifiant: (3) Le moment magnétique de l'électron est très voisin du magnéton de Bohr que l'on peut définir comme le moment magnétique dû au courant électronique dans l'atome d'hydrogène au niveau fondamental. Nous utilisons, dans les calculs: - le rayon classique de l'électron - et la longueur d'onde de Compton La condition quantique s'écrit: d'où l'on tire: et le magnéton de Bohr: On reporte cette valeur (4) de ql dans l'expression (3) de à son maximum en S et l'on écrit: 11/ Evolution des noyaux D dans le champ d'un doublet. Voyons comment évoluent deux noyaux D tournant à la fréquence angulaire # symétrique par rapport à o z et soumis au champ ""/. Le moment de freinage dû à l'action de Hp sur le courant eVz est égal à la dérivée du moment cinétique: L'accélération selon O7 est due à l'action du champ À sur le courant tournant autour deoz : On fait le produit membre à membre de ces deux équations: Pour interpréter le deuxième terme, on écrit: est le travail élémentaire de la force centrifuge qui s'oppose au travail de l'attraction dérivant du potentiel tA et à l'inertie radiale. On est ainsi conduit à une équation qui exprime la conservation de l'énergie: Dans les équations (6) et (8), on remplace LJ par sa valeur tirée de (24). Cette équation (24), retrouvée à propos des forces nucléaires, n'est autre que la loi de Kepler qui dit que les carrés des temps de révolution sont proportionnels au cube des grands axes. On donne à et; ss sa valeur (5). Il vient: (io) /33/p o/P r /2à (11) ~~~~ /3 P dp gt - 8 7 Intégrons l'équation (10) puis faisons apparaitre: au premier membre. Il vient: Nous avons déterminé les valeurs extrêmes 1,33 et 0,17 de L'équation (12) fait correspondre à ces valeurs de les valeurs: Nous verrons plus loin, en faisant la théorie de l'atome d'Hélium, à quoi correspondent ces valeurs. En intégrant (11) dep à p2 , on obtient la valeur de l'énergie cinétique cédée à l'électron. I1 est facile de vérifier que l'énergie cinétique de rotation acquise (2M)#p correspond à la moitié de l'énergie potentielle cédée. L'autre moitié de cette énergie potentielle est convertie en énergie cinétique de l'électron. C'est ce qui explique le facteur 1/2 qui apparait dans l'équation (13). 111/ Une théorie du noyau Etudions maintenant les forces nucléaires liant les noyaux D; il est commode d'écrire le potentiel électrostatique de répulsion entre deux charges élémentaires sous la forme: -r étant la distance entre les noyaux D: r étant leur distance à l'axe o > . Le potentiel nucléaire d'attraction de Yukawa s'écrit: -k étant un nombre sans dimension, - bétant le rayon d'action du potentiel de Yukawa. Nous.calculerons ces paramètres k et # à partir des données expérimentales; le rayon limite r, du noyau H4e au niveau fondamental et son défaut de masse Le potentiel total s'écrit: La figure (2) représente la fonction U(is) LI s'annule pour La force égale à la dérivée s'écrit: elle s'annule pour r = rK tel que: Cette valeur r, correspond au maximum de potentiel eU qui constitue la barrière de potentiel et s'écrit: On peut écrire avec une bonne approximation que la force (16) et la force centrifuge s'équilibrent. De cet équilibre, on déduit la valeur dew: Le rayon limite est fixé par le fait que la circonférence F r2 doit être égale à la longueur d'onde de L.de Broglie: ou mieux, en utilisant la longueur d'onde de Compton onaobtient la fréquence angulaire limite: On reporte dans (19) cette valeur de 4 > et l'on obtient, après arrangement: (21) L'énergie potentielle perdue est transférée, moitié sur l'énergie cinétique de rotation, moitié sur l'énergie cinétique de translation et c'est uniquement cette dernière qui correspond au défaut de masse Après arrangement, on obtient: (22) 1 > C Si, entre (21) et (22), on élimine X , on obtient: c'est à dire Q puisque ifl est expérimentalement connu. On reporte r2/# dans (22) pour obtenir h . Puis, tenant compte de cette valeur de 4 , l'équation (17) donne r Ainsi, tous les paramètres sont connus: Dans l'équation (19), la quantité entre crochets reste sensiblement égale à / pour r 1V/ Probabilités des chocs efficaces. Etudions la probabilité pour qu'un électron provoque la fusion de deux noyaux D. Lorsque deux noyaux D vont entrer en collision, ils commencent par ralentir en arrivant au contact de la barrière de potentiel. Ils perdent ainsi un certain temps qu'un électron met à profit pour les rattraper. Soit F le centre électrique des noyaux. Si le temps mis par l'électron pour approcher de ce centre F est égal au retard pris par les noyaux, il pourra provoquer la fusion et emporter l'énergie. Autour de F, la sphère d'influence dans laquelle les électrons sont attirés par F a pour rayon R, tel que: Nous allons étudier le cas de la trajectoire parabolique de foyer F, (fig.3) parce qu'il est le cas limite entre les trajectoires fermées et les trajectoires ouvertes. Soit M0 la position initiale de l'électron dans la sphère d'influence. Fig. soit 7 le pied de la perpendiculaire abaissée de F sur la tangente à la parabole en HD la distance de F à la tangente La géométrie de la parabole indique que la tangente au sommet S passe par P et que le point t' symétrique de Soit la distance focale. Pour que l'électron parvienne dans la zone d'interaction des noyaux D, il faut que soit inférieur à étant la distance entre les noyaux D au début de l'interaction. Dans le triangle rectangle on a la relation: ou mieux: (26) La valeur moyenne de F Me est o,7 R Pour un courant d'électrons homogène, le rapport entre le flux d'électrons atteignant la zone d'interaction et le flux total est: Calculons maitenant le temps que met l'électron parti de He pour parvenir dans le voisinage de F. Résolvons en dO l'équation: et intégrons; il vient Ce calcul du temps suppose que lorsqu'un électron pénètre dans la zone d'influence des noyaux, son énergie est à peu près la même que s'il avait subi l'attraction des charges positives situées au point F depuis l'infini. On peut définir une famille de paraboles homothétiques par rapport à F et ayant une distance focale # inversement proportionnelle à l'énergie de l'électron. Le cas limite considéré ici correspond à une énergie de l'électron inférieure au SeW , ce qui est admissible étant donné que la compression est homothétique et que l'équipartition de l'énergie entre noyaux et électrons prend un certain temps. Calculons maintenent le temps perdu par les noyaux D lorsqu'vils gravissent la pente menant au sommet de la barrière de potentiel. Soit e JU 1 l'énergie résiduelle d'un noyau D arrivant à ce sommet Approximons la courbe de potentiel (Fig.2) par une parabole ayant son sommet au sommet de la barrière de potentiel et recoupant l'axe or au point On pose: En résolvant en dt et en intégrant /b Ct = (ùÉÀ vc ~ O On pose et il vient: Ecrivons que les deux valeurs obtenues pour Ct (28) et (29) sont égales. I1 vient, après arrangement: M0 est une constante physique puisqu'elle ne s'exprime qu'à l'aide de constantes physiques. Le rapport entre le nombre des noyaux appartenant à la bande dU et le nombre des noyaux dont le spectre d'énergie est centré sur 4 est égal à Parmi les noyaux appartenant à la bande S U , un sur six entrera en fusion; en effet, la direction du moment cinétique du couple doit être celle des trois dimensions de l'espace qui est parallèle au champ magnétique et le sens de rotation doit être correct. Le temps de réaction T, ou temps de vie des noyaux avant fusion, est égal au temps de libre parcours multiplié par l'inverse du pourcentage de coups efficaces: qui peut prendre la forme: avec: Pour que la réaction soit pratiquement utilisable, il faut que le temps T reste inférieur à la durée de l'impulsion laser. Ce temps T augmente très rapidement lorsque la densité diminue: Si g passe de 1 à 1/6, G est multiplié par 260, ce qui M0 convient pour des impulsions de l'ordre de la nanoseconde. Dans ces conditions, U devient égal à c'est à dire négligeable étant donné les écarts probables. Le potentiel de confinement est proportionnel à la puissance des lasers concentrée selon un mode quadripolaire tournant. Dans sa partie utile, il est proportionnel au carré de la distance au centre, avec son maximum (" à la périphérie. Les noyaux sont lancés selon des ellipses très allongées centrées sur l'origine. Le rapport entre le grand axe et le petit axe est égal à e cr, btant l'énergie d'agitation thermique. Au cours de la compression, les noyaux qui étaient initialement dans la sphère ayant pour rayon le grand axe de l'ellipse, se retrouvent finalement dans une sphère ayant pour rayon le petit axe des ellipses, d'où le rapport entre la densité finale N et la densité initiale (33) Fermi a montré que ce rapport entre température et densité avait une limite supérieure. I1 part des relations d'incertitude de Heisenberg et fait le produit membre à membre des trois relations; il suppose, d'une part, que dans le volume il y a au plus un électron et, d'autre part, que les écarts ag etc... ont un maximum ce qui donne la relation Apt jD - 4n ; et pour l'incertitude: (34) $xù'7,,,,, 3 w s Mais, après compression, a se trouve lié au potentiel de confinement LI,F par la relation: Y C ff - et la relation d'incertitude impose la limite: Si l'on donne au potentiel de confinement t la valeur exprimée par (18 ) on trouve pour N une valeur très voisine de la valeur No donnée par (31) et, compte tenu du facteur 2/3 qui intervient dans la formule (33), on voit que la densité No est impossible à atteindre, mais que N = No/6 est une valeur possible et souhaitable. Les mécanismes décrits ci-dessus permettent d'obtenir la fusion D-D avec cette différence, par rapport au brevet 92-04-574, que l'énergie est emportée par des électrons et non par des hélions. Quelque soit le type de particules qui emporte l'énergie, le dispositif décrit dans le brevet précédent convient aussi bien, si cette énergie est cédée au plasma qui l'évacue par rayonnement. C'est pourquoi tous les dispositifs décrits pour organiser le mode quadripolaire tournant, évacuer la chaleur, ou utiliser l'énergie lumineuse produite par la fusion pour pomper les lasers, sont utilisés ici. La présente invention est essentiellement caractérisée par le fait qu'aux dispositifs décrits dans le brevet 92-04-574, on ajoute des moyens pour déclancher un courant électrique, l'ampli fier et le diriger vers l'utilisation. I1 faut d'abord créer le cylindre de plasma dans lequel se propagera l'onde de choc entretenue par la fusion; à cet effet, le laser n'est plus focalisé sur un point mais sur un segment de droite et, le long de cette droite, le champ magnétique très intense oriente le spin des électrons. L'explosion est déclenchée par les lasers dont l'énergie est focalisée à l'extrémité du cylindre. Cette explosion est rendue dissymétrique par le fait que les axes des faisceaux qui convergent sont inclinés par rapport à l'axe du système, ce qui a pour effet de modifier > qui, dans un sens, devient et, dans l'autre est très petit et même négatif. Selon une caractéristique de l'invention, on augmente cette dissymétrie en lançant un courant d'électrons dans le cylindre de plasma en même temps que l'explosion. A cet effet, la cavité contenant le deuterium est organisée comme les cavités dites réentrantes utilisées couramment comme résonateurs électromagnétiques. Le courant amplifié entretient la résonance. L'invention sera mieux comprise par les explications qui seront données en corrélation avec la description des figures, parmi lesquelles les trois premières sont des courbes relatives à la théorie développée ci-dessus: - La fig.l représente la valeur du champ magnétique radial en fonction de - La fig.2 représente le potentiel nucléaire en fonction de la distance au centre du noyau. - La fig.3 représente la trajectoire parabolique d'un électron. - La fig.4 illustre les dispositifs qu'il faut ajouter à ceux décrits dans le brevet n092.04.574 déposé le 14 Avril 1992, pour obtenir un courant industriellement utilisable à partir des pulsions de courant électrique produites dans le plasma par la fusion thermo-nucléaire du deuterium catalisée par les électrons. Elle reprend substantiellement le tracé de la coupe méridienne, illustrée fig.l, brevet n092.04.574, réduite aux organes qui entourent la chambre où s'opère la fusion du deuterium. La pièce 1 est la pièce centrale sur laquelle les autres organes sont raccordés. Sur sa face inférieure 2 sont taillés les huit miroirs qui focalisent,dans le voisinage de F,les faisceaux lasers. Les limites d'un des faisceaux lasers sont indiquées par des traits fléchés. Les fenêtres d'entree des faisceaux n'ont pas été représentées. On a désigné par 4 la chambre contenant les dispositifs de contrôle et mesures qui restent ceux décrits dans le brevet n092.04.574. Le radiateur tubulaire est désigné dans son ensemble par 8. Le fluide thermique entre par un ensemble de tuyères telles que 6. I1 refroidit la pièce 1, à laquelle la tuyère 6 est fixée par la bride 5 et est transmis au radiateur par la tuyère 7. Le fluide thermique est évacué par l'ensemble des tuyères 9, dont lune représentée fig.4, est désaffectée et utilisée pour loger le cable haute tension qui aboutit à la borne 10. Selon l'invention, on utilise les impulsions de courant correspondant aux explosions, soit en détectant le courant moyen, soit en excitant par chocs un circuit oscillant, ce qui entraine quelques modifications. Les éléments de chaudière tubulaire 8, dans lesquels circule le fluide thermique, aboutissent à une couronne métallique creuse fQ, traversée par le fluide qui arrive par certains tubes et repart par d'autres. Dans cette couronne est encastrée une anode, constituée par un cylindre métallique creux 11, revétu d'un isolant 12 et relié à la borne extérieure 13 par un fil isolé 14, que l'on fait passer par un tube de chaudière désaffecté Les électrons arrivent dans le cylindre 11, qui fonctionne comme un cylindre de Faraday; les charges migrent immédiatement sur la paroi extérieure où l'isolant les empêche de se recombiner avec les ions. L'échange d'énergie entre les électrons issus de la fusion et les circuits s'effectue par le travail des dits électrons contre le champ électrique qui règne entre l'anode ll et la paroi avancée du dispositif 4 qui lui fait face. vues de l'intérieur de la chambre contenant le deuterium, les surfaces des éléments qui l'entourent présentent une grande analogie avec les cavités réentrantes utilisées en ondes centimétriques mais de invention plus grandes. Cette cavité,en effet, doit être accordée sur la fréquence de récurrence des explosions qui peut être de l'ordre de 10 à 10 PPs . Dans les cavites ré- entrantes, on distingue deux zones; l'une voisine de l'axe, comprise entre les pièces 4 et ll,se faisant face,et formant capacité, où l'énergie est électrique, et l'autre enveloppée par les surfaces métalliques où circulent les courants, où l'énergie est magnétique. Tout celà est bien connu de l'homme de l'art, qui sait accorder une telle cavité en modifiant la distance entre 4 et 11, ou en introduisant des éléments magnétiques,tels que les ferrites, et prélever l'énergie par une boucle de couplage non représentée. I1 est clair que, si l'on ne prélève pas de courant continu, on peut remplacer l'ensemble de la cavité 1 et de l'isolant 1? par un bloc métallique; la surtension augmente ainsi que l'énergie haute fréquence disponible. Selon l'invention, le courant électrique dans le plasma nait de la dissymétrie du confinement dans le sens axial due au fait que les axes des faisceaux qui interfèrent sont inclinés par rapport à l'axe du dispositif, comme on peut le voir sur la fig.l du brevet n092.04.574, ou la fig.4 du présent brevet. Selon l'invention, on augmente cet effet en étalant légèrement les faisceaux: on retouche l'optique de telle sorte que les rayons qui précédemment convergeaient sur le point F, s'étalent entre F et F', cet étalement allant en s'accentuant lorsqu'on s'éloigne de F et étant nettement plus important pour les ondes dont le rôle est de constituer la cible, que pour les ondes dont le rôle est de déclencher l'explosion. Ainsi se forme un cylindre de plasma dans lequel l'explosion peut se propager,comme décrit au début du présent brevet. Sous l'effet d'un mode quadripolaire tournant, le plasma est comprimé par les forces électromagnétiques de façon homothétique c'est à dire avec un rayonnement thermique réduit au minimum. Le nombre de noyaux ainsi confinés est proportionnel à la longueur d'onde et de l'ordre du milliard pour En allongeant le cylindre de plasma formé par le laser pour constituer la cible, on peut, en favorisant la propagation de l'explosion, arriver à quelques centaines de milliards de noyaux. Cette énergie produite par propagation, coûte peu en énergie laser et le fait qu'elle soit produite sous forme électrique et recueillie comme telle, évite les dégagements de chaleur supplémentaires dans le système. Dans ces conditions, la puissance du laser) = e qui déclenche l'explosion, est très nettement inférieure au gigawatt. Pour comparer le confinement objet de l'invention avec le confinement inertiel, il convient de rappeler que l'énergie des noyaux qui doivent entrer en collision est donnée et, cette énergie devant au préalable être emmagasinée dans les lasers, le volume des lasers est sensiblement proportionnel au nombre des noyaux qui doivent fusioner. Pour réduire les pertes par rayonnement, une méthode courante consiste à enfermer le matériau fusible dans une coquille; les contraintes technologiques font que, dans ces conditions, le nombre d'atomes mis en jeu, est de l'ordre de quelques millions de fois plus important que dans le cas de la présente invention, ce qui entraine un rapport du même ordre pour le volume des lasers et pour la puissance mise en jeu. Mais alors la puissance nécessaire est telle que les vibrations du matériau ne permettent plus aucune stabilité de phase et on s'en remet à l'inertie des noyaux pour former une onde de choc convergente. Dans le système à confinement inertiel la cadence de répéti tion est très lente parce qu'il faut remplacer la coquille, tandis qu'en formant la cible à laide d'une impulsionlaser on obtient une cadence très rapide (des millions de fois plus rapide) On va montrer maintenant comment les notions développées dans ce brevet et le brevet précédent s'appliquent à la physique solaire. Au début de ce brevet la description du phénomène de " catalyse " de la fusion thermo-nucléaire par des électrons qui emportent l'énergie et engendrent des tubes de courant qui s'avancent avec leur champ magnétique et avec une onde de choc dans laquelle se renouvelle la fusion évoque les protubérances solaires. Toutes les réactions de fusion évoquées pour justifier l'activité solaire, tant dans la chaîne de Weisäker que dans le cycle de Bethe, peuvent être " catalysées " par les électrons. La densité électronique N qui apparait dans les calculs précédents correspond à la densité dans les ondes de choc électroniques. Elle est très supérieure aux densités du milieu ambiant. Le champ magnétique général du soleil est lié à sa rotation. La rotation du plasma formant le soleil, dans le champ magnétique général produit un gradient d'excès de charges négatives. L'excès de charges négatives augmente avec la distance à l'axe de rotation et, en tournant, produit le champ magnétique général du soleil. Ce champ magnétique général courbe légèrement la trajectoire des tubes de courants dans lesquels s'opère la fusion. I1 ne peut y avoir de position d'équilibre pour ces tubes de courant que dans le voisinage de l'équateur. Les électrons issus de la fusion tournent en sens inverse des électrons qui engendrent le champ magnétique général en tournant avec la masse. Dans le soleil, le fait que les couches voisines de l'équateur tournent plus vite que les autres ne peut s'expliquer qu'en admettant d'autres forces que les forces de Newton. Pour que leur effet persiste, en dépit de la viscosité, ces forces doivent être liées à des sources d'énergie. Une explication possible est que ces forces sont liées à l'effet de recul subi par les noyaux qui fusionnent en lançant les électrons relativistes qui produisent les tubes de courant. Ces tubes de courant ont une longueur très inférieure à la circonférence du soleil. Si l'intensité de l'ensemble des tubes de courant augmente, le champ magnétique qui en résulte à grande distance réduit le champ magnétique général. Les trajectoires des tubes de courant sont moins courbées, elles sortent de la chromosphère pour entrer dans la couronne où elles forment les protubérances. Mais là, REVENDICATION Dispositif destiné à provoquer la fusion thermonucléaire à l'aide d'impulsions d'ondes électromagnétiques cohérentes générées par deux ensembles laser; le premier est un laser au dioxyde de carbone dont l'énergie, se propageant sous un mode quadripolaire tournant, focalisée par des miroirs 2, en un point F, prépare la cible en ionisant du deuterium et en faisant passer le plasma ainsi obtenu d'une densité inférieure à 10- -3 à une densité supérieure à 10 - l'impulsion est modulée de telle sorte que la température de la cible soit la plus basse possible, de façon à faciliter le travail du laser au néodyme qui,se propageant sous le même mode et créant un champ magnétique axial intense, provoque une explosion constituée par un jet d'électrons relativistes dont l'énergie, répartie ensuite entre un grand nombre d'électrons, constitue l'énergie électrique utile reçue par l'anode 11, d'autre part l'énergie lumineuse engendrée par l'explosion est réfléchie par la surface des tubes 8 et transmise vers l'extérieur pour être utilisée comme puissance de pompage des lasers au néodyme non représentés;