Brevet FR2789216A1 — publié le 20000804

La présente invention concerne un générateur de puissance électrique constitué par une chambre contenant un mélange deutérium-hydrogène, dans laquelle l'énergie d'un puissant laser à impulsions est focalisée, après avoir été transformée en traversant un "déphaseur azimutaf' elle provoque la formation d'un plasma confiné à partir duquel, dans une zone voisine du plan focal, des "aiguilles" sont lancées qui entraînent un courant électrique aboutissant à une anode circulaire entourant le foyer, le circuit d'utilisation est branché entre l'anode et le dispositif métallique utilisé comme focalisateur du faisceau laser. Cette invention constitue un perfectionnement à celle décrite dans le brevet: n 97/06004 publié le 20.11.1998 sous le n 2763420. Elle exploite pour produire de l'énergie électrique le même phénomène décrit sous le nom d"'aiguilles" dans le brevet n 2763420. - Le perfectionnement est caractérisé par le fait que l'on utilise un laser au dioxyde de carbone et une anode entourant le dispositif de focalisation, ce qui simplifie beaucoup la construction. - Ce perfectionnement est fondé sur une amélioration de la théorie du confinement: en tenant compte de la résistance du milieu, qui était négligée dans nos brevets antérieurs on trouve que le confinement se fait dans le courant d'un anneau qui subit un très fort pincement magnétique, très favorable à la production d'aiguilles qui constituent le cas extrême du pincement magnétique. Les "aiguilles" sont alors lancées perpendiculairement à l'axe, dans le voisinage du plan focal, elles se propagent dans le deutérium en accumulant l'énergie de fusion nucléaire sous forme de puissance électrique recueillie par l'anode circulaire. Le système de formation et d'excitation du plasma est toujours le même, il nécessite l'utilisation d'un "déphaseur azimutaf' tel que celui décrit dans la demande de brevet n 77.39448 déposée le 28.12.1977, publiée le 27.7.1979 sous le n 2.413. 678 sous le titre "Convertisseurs de mode d'une onde non confinante en une confinante dans l'infrarouge lointain". Tous les déphaseurs azimutaux décrits dans nos brevets antérieurs peuvent être utilisés en application nouvelle dans le cadre de la présente invention. Nous allons donc rappeler brièvement la théorie des "aiguilles" et celle des "déphaseurs azimutaux". Nous montrerons ensuite, comment on améliore le calcul du confinement en tenant compte de la résistance du milieu. Les "ailauilles" (rappel). Deux noyaux de deutérium D) entrant en interaction nucléaire captent un électron, qui, tel un catalyseur, entre dans la réaction de fusion, la favorise en prélevant une partie de l'énergie cinétique de rotation de la paire D - 1) et s'en va en emportant l'énergie de fusion selon la réaction: D i D t (e- thermique) - H4 -(e relatilviste) e L'inventeur a montré en outre dans le brevet 2763420 comment cette réaction se reproduit en chaîne et donne naissance à des "aiguilles' qui sont des paquets d'électrons se suivant à la queue- leu-leu, et entraînant un courant macroscopique utilisable industriellement. Les "déphaseurs azimutauxY' (rappel) Un déphaseur azimutal est un dispositif optique qui contrôle les phases des faisceaux partiels se propageant dans les six secteurs d'un faisceau cylindrique de lumière cohérente, Il cause un déphasage croissant d'un secteur au suivant et tel que les ondes qui traversent deux secteurs opposés sont focalisées en opposition de phase au foyer. Aux trois paires de secteurs correspondent, dans le plan focal, trois ensembles de vseuems électriques se déduisant les uns des autres par rotation de -y- et déphasage également -y- de telle 3 3 sorte que l'ensemble forme un système triphasé équilibré. Deux exemples de réalisation nous permettent de préciser ces notions. L'ensemble du dispositif représenté fig.1 est le même dans les deux cas, le "déphaseur azimutar" est constitué par la fenêtre d'entrée du faisceau laser dans la chambre à deutérium. Cette fenêtre est divisée en six secteurs dont les épaisseurs variant de l'une à l'autre fixent les phases relatives des ondes qui les traversent. On peut sans sortir de l'invention, utiliser d'autres systèmes de déphaseur azimutal: on peut, par exemple, provoquer les déphasages relatifs par réflexion sur le miroir conique 3 en faisant varier, d'un secteur à l'autre, l'épaisseur d'un dépôt électrolytique. Premier exemple: l'onde laser est une onde polarisée circulairement produite par un dispositif tel que celui représenté fig.2. Elle est obtenue de façon classique par réflexion sur un miroir qui déphase de ir/?2 la composante normale du champ électrique, par rapport à la composante tangentielle. Le plan de polarisation du laser fait un angle de ir/4 avec le plan d'incidence du miroir et la polarisation circulaire, obtenue après réflexion, tourne dans un sens ou dans l'autre selon que l'angle Jr/4 est pris d'un côté ou de l'autre du plan d'incidence du miroir. Tout cela est bien connu et des ensembles laser CO2 et miroirs sont disponibles dans le commerce. Le déphaseur azimutal est constitué par la fenêtre d'entrée fig.1 de la chambre à deutérium 1. Elle est divisée en six secteurs représentés fig.3 et numérotés 1, I, IliI, IV, V, VI. Les épaisseurs de n' 2n' 4n- 5 f ces secteurs sont calculées pour causer des déphasages progressifs O,-2 - I, Les 3' 3 ' 33 secteurs i et IV sont mécaniquement symétriques par rapport au plan d'azimut óo. fig.3 et causent des déphasages relatifs O et ir. Les ondes qui en sortent sont électriquement antisymétriques par rapport au plan d'azimut ço Cette antisymétrde électrique se conserve lors de la traversée du système focalisateur et du plan focal o les deux ondes issues de I etlV arrivent en opposition de phase ce qui donne une frange noire. Soit alors O I'angle que fait la direction moyenne des rayons qui convergent en F avec l'axe du système fig.. Soit p, q les coordonnées polaires dans le plan focal. Soit o I'azimut de la ligne centrale de la frange noire. La distance d'un point courant (p, q) à cette ligne centrale est, p sin (q - qo) et l'amplitude du champ électrique est une fonction sinusoïdale de cette distance, de période X / sin 0. Pour simplifier le calcul on remplace la fonction sinus par une approximation linéaire et l'on obtient l'expression de l'amplitude | E du champ électrique d'interférence: _ 2 (1) 1 E1 = EE O - sin (ç-- "o) av'ec o 2- a Cr 2;rsin 0 a est le rayon du cercle dans lequel l'approximation linéaire est valable. ûo) est la valeur de | E lorsque p atteint la valeur de ci. Au-delà, dans la région comprise entre a et 2 c I'amplitude | E l du champ électrique est maximum et voisine de E0o. expj óo est le vecteur unité donnant l'orientation de la frange noire. Les deux ondes à polarisation circulaire issues de I et IV qui interfèrent dans le plan focal peuvent, chacune se décomposer en deux ondes à polarisation rectiligne que l'on peut regrouper en deux couples: un couple d'ondes à polarisation rectiligne dont le champ électrique est dirigé selon la direction de la frange noire, et un couple d'ondes polarisées perpendiculairement à cette frange noire. En se conformant à la nomenclature établie pour la théorie des guides d'ondes circulaires on dit, pour le premier couple que ce sont des ondes transverses électriques que l'on note TE et pour le second couple que ce sont des ondes transverses magnétiques que l'on note TM. Pour le premier couple (ondes TE) les champs électriques des composants sont parallèles à la frange noire et au plan focal, ils sont donc parallèles entre eux et s'ajoutent linéairement. Le champ électrique du couple d'ondes TE dont la frange d'interférence est centrée sur > exprimé en nombre complexe dans le plan focal s'écrit: (2) E o o P sin (ó - ó) x cos(cot -- o) x exp jcoo I! et pour les couples d'ondes rE centrés sur óoet sur óo des expressions analogues en donnant à óo I w! la valeur qo puis qo. On fait ensuite la somme de ces trois expressions en remplaçant les sinus et cosinus par des exponentielles: qo q, q'o s'éliminent et l'on trouve: (3) ÉE = 3 Eo P exp j(wi - ó) Pour le second couple (ondes TM) les champs électriques composants sont perpendiculaires à la frange noire et font un angle 0 avec le plan focal. Comme pour le couple d'ondes rE, le champ électrique Er% du couple d'onde TM exprimé en nombre complexe dans le plan focal s'écrit: (4) E 0 =.cos COo P sin (q- qo) sin (wt)f - qo) expjqóo En donnant à l'angle q, les valeurs successives oo q >, q, et en additionnant on trouve pour le champ total des ondes rM. (5) biT =/jcosOx 3 [0o P exp j(oft - q) L'expression EmT se déduit de l'expression ErTF en multipliant par jcosO. Les champs correspondants se déduisent l'un de l'autre par homothetie et rotation dans la zone de confinement, mais ils ont des structures très différentes hors de cette zone. L'onde polarisée circulairement issue du laser correspond à un mode mixte o se propage autant de puissance sur le mode rE que sur le mode TM les champs ET. et En, sont engendrés à partir de puissances laser égales, mais la répartition de cette puissance entre l'intérieure et l'extérieure de la zone de confinement est différente. Le rendement de conversion est meilleur dans le cas des ondes TE que dans le cas des ondes rM et la transversalité se conserve à la traversée du système focalisateur, c'est pourquoi on a Intérêt à utiliser un laser tel que celui représenté fig.5 o le mode amplifié et rayonné est le mode rEo Ce type de laser a d'ailleurs un rendement supérieur à celui des lasers classiques. On remarque que l'ordre de succession des déphasages croissants dans le déphaseur azimutal créé un sens de rotation privilégié. Le signe à adopter devant qp dans les formules (3) et (5) dépend du sens de rotation de l'onde polarisée circulairement par rapport au sens privilégié. Dans le cas o le signe à adopter devant p est un signe plus, les lignes de champs électriques sont celles des modes TE, et TE. en quadrature, cela ne change pas grand chose à ce qui suit et dans le second exemple le signe à adopter devant p est le signe moins. Second exemple: l'onde laser se Propae selon un mode voisin du mode TEo des guides circulaires, les lignes de champ électrique sont des cercles axés sur l'axe de propagation. La fig.4 schématise le déphaseur azlmutal, le champ électrique est représenté par des flèches sur un cercle. les secteurs sont numérotés 1, 11, 111, IV, V, VI. Les ondes issues de deux secteurs opposés tels que I et IV sont antisymétriques par rapport au plan d'azimut eo si ces deux secteurs sont de même épaisseur, c'est-à-dire transmettent en phase. Pour obtenir une onde triphasée équilibrée, il faut que 2,r les secteurs Il et V aient une épaisseur causant un déphasage de par rapport à celui causé par les secteurs I et IV et que les secteurs III et VI aient une épaisseur causant un déphasage de 4n- Toutes ces ondes qui interfèrent en F sont transverses électrique et leur somme ET est donnée par (3). Le champ ETF est un champ toumrnant de fréquence angulaire o, on peut le décomposer en deux champs linéaires: (6) E 1=3Eo P cos t! exp(-jp) (7) E2 = j3 Eo P sin du vecteur liant l'origine au point p. çó de coordonnées cartésiennes x, y est donnée par exp j qó. En comparant les pentes de ces deux éléments on a: (8) qui s'intègre et donne xy = Cte. Les lignes de champ pour E, sont des hyperboles équilatères représentées en traits Interrompus fig.6. Pour le champ E2 un calcul analogue montre que les lignes de champ sont constituées par la famille d'hyperboles équilatère orthogonales aux précédentes représentées en traits pleins fig.6. Les deux oscillations sont en quadrature de phase. Le confinement L'électron soumis à un champ électrique tournant dont l'amplitude est proportionnelle à la distance à l'axe, tourne autour d'une position moyenne Mo fig.6. Lorsqu'il n'y a pas de freinage, le champ électrique est normal à la trajectoire et neutralise la force centrifuge. La résistance du milieu causée par le choc des électrons sur les noyaux introduit une composante de freinage tangentielle que le champ électrique doit neutraliser. Il fait alors un angle y avec la normale à la trajectoire fig.6. Le fait que le module du champ électrique soit proportionnel à la distance à l'axe fait que la force instantanée appliquée à l'électron est, elle aussi, proportionnelle à la distance à l'axe ainsi que la force moyenne au cours d'un cycle. Cette force moyenne résulte du fait que fig.6 la force instantanée dans le voisinage de M, est plus grande que dans le voisinage de M3. Lorsqu'il n'y a pas de pertes, cette force moyenne est radiale mais lorsqu'il y a des pertes, elle fait l'angle y avec la direction radiale. La composante orthoradiale de la force moyenne fait tourner le nuage électronique autour de l'axe créant ainsi un champ magnétique axial. La composante radiale de la force moyenne appliquée à l'électron doit équilibrer à la fois la force résultant de l'action du champ magnétique axial sur les courants qui l'ont créé et le gradient de pression du nuage électronique. Cette dernière force s'identifie à la force de confinement lorsqu'il n'y a pas de frottement. Elle a été étudiée en détail dans nos précédents brevets. Un solénoïde parcouru par un courant continu se contracte, c'est ce phénomène qui confine axialement le plasma, là o le champ du faisceau laser est maximum principalement dans la zone. c l'axe la force axiale de confinement est faible et laisse échapper le plasma. Finalement en tournant autour de l'axe le nuage électronique est confiné dans un tore qui, soumis au pincement magnétique devient une boucle de courant dont nous allons maintenant étudier l'équilibre. Pour que l'électroneutralité soit respectée, cette boucle doit contenir autant de charges positives que de charges négatives, ce qui en fait une sorte de ligne électrique figurée par le cercle en trait plein fig.7. L'écart entre le cercle en trait plein et l'ellipse en trait discontinu figure l'excès de densité électronique (très exagéré pour les besoins de la représentation). Les lignes de champ du champ quadripolaire tournant peuvent être représentées par un réseau d'hyperboles équilatères tournant à la fréquence angulaire o/ 2. L'une de ces hyperboles est tracée fig.7 avec ses asymptotes. l'ellipse liée aux excès de densité de charge tourne à la même fréquence angulaire (o/2. Le décalage entre les asymptotes et les axes de l'ellipse est constant et égal à y/2. L'angle y est lié aux pertes, sur la fig.7 c'est l'angle que fait le champ électrique (tangent à l'hyperbole) avec la normale au cercle, de sorte que si E est le module du champ électrique en 1, E sin r est la composante du champ électrique tangente au cercle, qui pousse les paquets d'électrons et augmente leur énergie au détriment de l'énergie fournie par le laser. Ecosy est la composante du champ électrique normale au cercle, la force moyenne qu'elle exerce sur l'excès de charge comprime le cercle. Le rayon du cercle est déterminé par l'équilibre entre cette force qui le comprime et l'action du champ magnétique sur le courant qui l'a engendré et qui tend à dilater le cercle pour embrasser le flux maximum. Le courant qui circule dans le cercle est magnétiquement pincé ce qui signifie que la pression, sur le courant lui-même, du champ magnétique qu'il engendre et qui tend à rassembler les filets de courant, équilibre la pression thermique résultant du flux vers l'extérieur, d'électrons qui étaient dans le courant et sont thermalisés par choc contre les noyaux. Avec une bonne approximation on écrit que cet équilibre est réalisé sur la paroi d'un cylindre de rayon très petit que l'on calcule en écrivant que le flux d'énergie provenant de l'onde laser est égal au flux d'énergie des électrons thermalisés, on écrit aussi qu'au cours de cette opération le nombre d'électrons est conservé. On obtient ainsi trois équations d'o l'on peut tirer le rayon du cylindre contenant le courant, la densité et l'énergie moyenne des électrons en fonction de la puissance consommée. A partir de ces résultats on peut calculer la probabilité d'émission des aiguilles qui constituent la phase ultime du pincement magnétique. Rappelons qu'à leur départ les aiguilles représentent peu d'énergie et que c'est en se propageant dans le deutérium qu'elles amassent l'énergie qu'elles apportent sur l'anode. Le circuit d'utilisation est branché entre l'anode et la masse métallique qui constitue le système optique de concentration de la puissance du laser. L'impédance d'entrée du circuit d'utilisation est celle d'un filtre passe-bande correspondant au spectre de fréquence des impulsions de courant qui arrivent sur l'anode. cette adaptation est nécessaire pour ne pas créer de tension autre que celle nécessaire pour capter l'énergie des électrons qui arrivent sur l'anode. Lorsque l'impulslon du laser arrive dans le deutérium et que le plasma se forme dans la zone de champ maximum comprise entre a et 2 dr, la densité tend vers la densité critique nr// A2, 2 étant la longueur d'onde du laser et,6 le rayon classique de l'électron. encore faut-il que la densité des atomes de deutérium qui vont être transformés en plasma soit un peu supérieure à la densité critique. Il se trouve que pour les ondes A = lO/n des lasers à C02 cette condition est remplie pour du deutérium à la pression atmosphérique. L'invention sera mieux comprise par les explications qui vont être données en corrélation avec la description des figures parmi lesquelles: * La figure 1 illustre la coupe selon un plan méridien d'un générateur de puissance électrique. * La figure 2 illustre un ensemble laser-miroir polarisant capable de fournir une onde à polarisation circulaire. * La figure 3 illustre la carte "déphaseur-azimutaf' correspondant à la polarisation circulaire. * La figure 4 illustre la carte d'un "déphaseur azimutal" correspondant au mode propagation 7 Eo. * La figure 5 illustre la coupe axiale d'un laser fonctionnant selon le mode TEo. * Les figures 6 et 7 illustrent les explications relatives au confinement. Considérons la figure 1: La chambre I contenant du deutérium à une pression voisine de la pression atmosphérique est en communication avec le dispositif du contrôle de ce gaz. Le deutérium étant un isotope rare de l'hydrogène, son extraction est moins coûteuse si l'on admet d'y mêler une certain proportion d'hydrogène. Par ailleurs, au cours de la réaction de fusion du deutérium en hélium, les 'alguilles" peuvent produire un deutérium de synthèse à partir des protons. C'est une façon d'avoir de l'énergie peu coûteuse. Le faisceau laser pénètre dans la chambre I par la fenêtre 2. Il est focalisé en F par un ensemble de deux miroirs de révolution, autour de l'axe de l'ensemble, le premier désigné par 3 est un cône, Il a pour méridienne un segment de droite et renvoie, perpendiculairement à l'axe, les rayons qui arrivent parallèlement à l'axe du système, le second désigné par 4 a pour méridienne un arc de parabole dont l'axe est perpendiculaire à l'axe de révolution du système et dont le foyer est enF. Selon une caractéristique de l'invention, la fenêtre 2 figure I joue le rôle de "déphaseur azimutar à cet effet elle est composée de six secteurs dont les épaisseurs sont calculées comme ci-dessus. Le plasma confiné par le rayonnement électromagnétique selon la méthode décrite ci-dessus lance des "aiguilles" qui multiplient leur énergie en se propageant dans le deutérium perpendiculairement à l'axe du système. Cette énergie est captée par une anode cylindrique 5 qui la transmet à l'utilisation. La cloison isolante réunit l'anode 5 au bloc métallique 7 qui porte la fenêtre 2 et les miroirs 3 et 4. La cloison isolante 8 complète la fermeture de la chambre à deutérium. La grille métallique 9 reliée à la masse recueille les charges aberrantes et rétablit au plus vite l'électro-neutralité du deutérlum de même que les ailettes de refroidissement 10. Le miroir 3 et les ailettes 10 sont reliés à la masse 7 par trois pieds 11. Les parois isolantes 6 et 8 en verre ou céramique présentent des ondulations pour mieux résister aux claquages. Le circuit d'utilisation est branché entre l'anode 5 et le bloc métallique 7 par l'intermédiaire d'un filtre passe bande dont la largeur de bande correspond au spectre des Impulsions de courant. La figure 5 représente, en coupe par un plan méridien, un laser à dioxyde de carbone fonctionnant selon le mode TE0. Ce mode de propagation est caractérisé par le fait que les lignes de champ électrique sont des cercles coaxiaux. Le dioxyde de carbone contenu dans le réservoir Il est excité par des électrodes qui, pour simplifier le dessin n'ont pas été représentées. A gauche le résonateur laser est limité par le semi-réflecteur 12. Le rayonnement qui franchit ce seml-réflecteur rencontre la fenêtre d'entrée 2 du dispositif représenté figure 1. A droite, le rayonnement traverse d'abord un rotateur de polarisation par effet Faraday 13 qui fait tourner la polarisation de - et transforme le mode TEo en mode oIf, dont les lignes de champ sont radiales. Le cône métallique 15, le dioptre conique 16 et le miroir plan 16 sélectionnent le mode à polarisation radiale: le faisceau de rayons parallèles qui traverse le rotateur de polarisation est dévié par le cône métallique 15 de telle sorte que les rayons rencontrent le dioptre conique 16 sous l'angle de Brewster. Après la traversée du dioptre les rayons sont de nouveau parallèles à l'axe, lis sont réfléchis par le miroir plan 17 et repartent en sens Inverse sans atténuation. I Les angles d'incidence et de réflexion de Brewster sont donnés par: rtgi n. tgr - -. n Pourn = - on a i = 56,3degréset r =33,7degrés. /0 L'angle que font les génératrices du dioptre avec l'axe du système est égal à i = 56,3 degrés. i -r L'angle que font les génératrices du cône métallique 15 avec l'axe est égal à - = 22,6 degrés. La bobine 14 peut être utilisée comme découpeur d'impulsion: le système ne marche que si la rotation de polarisation au passage de 13 est égale à '. Le courant dans la bobine 14 doit être réglé pour qu'il en soit ainsi. On bloque le fonctionnement en modifiant le courant. REVENDICATIONS 1) Générateur de puissance électrique constitué par une chambre contenant un mélange deutérlum-hydrogène, dans laquelle l'énergie d'un puissant laser à Impulsions est focalisée après avoir été transformée en traversant un "déphaseur azimutal" elle provoque la formation d'un plasma confiné à partir duquel, dans une zone voisine du plan focal, des "aiguilles" sont lancées qui entraînent un courant électrique aboutissant à une anode circulaire entourant le foyer, le circuit d'utilisation est branché entre l'anode et le dispositif métallique utilisé comme focalisateur du faisceau laser. 2) Dispositif selon revendication I dans lequel le système focalisateur est constitué par un ensemble de deux miroirs métalliques de révolution, la méridienne du premier est un segment de droite et la méridienne du second un arc d'une parabole dont le foyer est situé sur l'axe du dispositif. 3) Dispositif selon revendication 1 dans lequel la chambre à deutérlum est limitée d'une part par le dispositif focalisateur métallique portant la fenêtre d'entrée de l'onde laser et d'autre par l'anode cylindrique, ces deux organes étant reliés par des parois isolantes qui ferment la chambre à deutérium. 4) Dispositif selon revendications 1 et 3 dans lequel le circuit d'utilisation est branché entre les parties métalliques: dispositif focalisateur et anonde par l'intermédiaire d'un filtre passe- bande dont la largeur de bande correspond au spectre des impulsions de courant. ) Dispositif selon revendication 1 dans lequel le "déphaseur azimutal" est réalisé en donnant des épaisseurs variant de l'un à l'autre, aux six secteurs constituant la fenêtre d'entrée de la chambre à deutérium. 6) Dispositif selon revendication 1 dans lequel le "déphaseur azimutaf' est obtenu par des surépaisseurs métalliques minces déposées sur l'un des miroirs que rencontre le faisceau. 7) Dispositif selon revendication 1 excité par une onde polarisée circulairement fournie par un laser classique et un miroir polarisant. 8) Dispositif selon revendication 1 excité par une onde se propageant selon le mode de propagation Teo fournie par un laser o ce mode est sélectionné par un ensemble comprenant un rotaleur de polarisation à utilisant l'effet Faraday, un réflecteur conique et 2 un miroir plan, le tout de révolution autour de l'axe. 9) Dispositif selon revendication 1 dans lequel une grille métallique reliée à I a masse recueille les charges aberrantes et rétablit l'électro neutralité.