FR 2836590 A1 20030829 FR 0202343 A 20020225 GÉNÉRATEUR DE PUISSANCE ÉLECTRIQUE UTILISANT LA FUSION DU DEUTERIUM EN HELIUM Inventeur Pierre MARIÉ Brevet nO Déposé le La présente invention est un perfectionnement au Brevet 9901059 déposé le 01. 02.1999. Dans ce brevet, l'inventeur a montré comment on pouvait obtenir un courant électrique industriel, en focalisant dans du deuterium l'énergie d'un puissant laser fonctionnant en impulsions : l'onde laser se propage selon le mode quadripolaire tournant transverse électrique, et son champ électrique accélère les électrons sur un cercle dont le rayon est de l'ordre du quart de la longueur d'onde laser. Les électrons accélérés forment un courant magnétiquement pincé où la densité électronique est énorme et attire les noyaux de deuterium qui, en se rencontrant dans ce courant, fusionnent selon la réaction : (1) D + D + ethennique He4 + e relativiste Le calcul montre comment un électron thermique, tel un catalyseur, entre dans la réaction, la favorise et est expulsé sous forme d'électron relativiste qui emporte l'énergie de fusion. Les électrons relativistes amplifient et prolongent le courant magnétiquement pincé qui renouvelle la fusion. Cela fait une réaction en chaîne qui se propage en ligne droite. Les paquets d'électrons relativistes entraînent le courant industriel. Le laser n'agit que comme déclencheur. D'où un rendement excellent. Malheureusement, il est très difficile d'obtenir par construction les conditions de phases exigées pour le bon fonctionnement du brevet 9901059. Les réglages automatiques prévus par le brevet 0000561 déposé le 18 janvier 2000 sont tout aussi difficiles à mettre au point. La présente invention résout ce problème de construction en utilisant des matériaux transparents dopés de façon à avoir des indices optiques très voisins : Considérons deux lames à faces parallèles de même épaisseur h et d'indices optiques n et n + on. Plaçons les côte à côte dans un même plan. Une onde plane les traverse en incidence normale. La différence de phase entre les ondes qui émergent des deux lames est : pour que cette diference de phase soit égale il 2 Jf il faut que. 3 Si ^ = 10-5 mètre et on = 1/1000 on ah = 3, 33 millimètres. Si l'épaisseur h est garantie à 1/10 millimètre, la phase est garantie à 3 % près. A titre de comparaison pour avoir la même précision sur la phase en taillant dans un bloc homogène d'indice n il faudrait usiner au dixième de micromètre près ce qui est pratiquement impossible. La longueur d'onde À = 10-5 mètre est celle des lasers à dioxyde de carbonne qui sont les plus utilisés. On peut sans sortir de l'invention utiliser d'autres lasers, par exemple des lasers hélium-néon. On a alors : Pour obtenir le mode quadripolaire tournant on utilise un ensemble de six lames demi-onde représenté fig. 1 qui oriente orthoradialement les polaris ations dans les six secteurs et un autre ensemble de six lames à faces parallèles d'indices optiques n, n + On, n + 28n qui règlent les phases, représenté fig. 2. Ce deuxième ensemble est appelé déphaseur azimutal . On se réfère à un trièdre oxyz. L'axe oz est perpendiculaire au plan des figures 1 et 2. L'onde issue du laser se propage parallèlement à oz et son champ électrique est dirigé selon oy. Sur la fig. 1, on indique en traits fins, les directions des axes rapides. Les ondes polarisées dans cette direction se propagent plus vite que celles polarisées dans la direction d'axe lent qui est perpendiculaire. L'épaisseur de la lame est telle que la différence de temps entre les deux propagations est égale à une demie période. Si bien que lorsqu'une lame demi-onde est traversée par une onde plane en incidence normale, le champ électrique de l'onde émergeante est symétrique du champ électrique de l'onde incidente par rapport aux axes rapide et lent. Nous voulons que les ondes émergeantes 1 rtttTt tn tryrn/Qt secteur au suivant, pour qu'il en soit ainsi il faut que les directions d'axe rapide tournent r de-lorsque l'on passe d'un secteur au suivant, comme indique 6g. 1. 6 Les ensembles fig. 1 et 2 sont construits de la même façon : Pour le premier, fig. l, on prend six lames de quartz que l'on polit sur une face, on les colle par la tranche et on les met en adhésion moléculaire sur un bloc de silice fondu préalablement poli. On polit ensuite l'ensemble des autres faces. On procède de la même façon pour les lames d'indices n, n + ön et n + 2 on de la fig. 2. Le polissage optique est la forme d'usinage la plus parfaite. Les dopages causant les variations d'indices on et 2 on sont faciles à obtenir. Ces dispositifs caractéristiques de l'invention permettent d'obtenir facilement le mode quadripolaire tournant que l'on n'a pas pu obtenir par d'autres moyens : Après avoir traversé les dispositif fig. 1 et fig. 2, les faisceaux sont focalisés au point F de l'axe oz fig. 4. Examinons les interférences dans le plan focal en prenant les faisceaux deux par deux : les faisceaux qui ont traversé les secteurs I et IV fig. l, d'indice n fig. 2, arrivent dans le plan focal, ils ont leur champ électrique orienté suivant l'axe oy, mais en sens contraire. Ils forment un ensemble antisymétrique par rapport au plan yoz, avec champ électrique nul sur oy et, dans le voisinage proportionnel à la distance à oy. De même, les faisceaux qui ont traversé les secteurs III et VI fig. 1 d'indice n + on 1 2/7 "fait"-i Sg. 2, ont leur chainp éi cctriquc uietitc dans là dlîectiun (T'axe uy'qui nm l'anie- 3 avec l'axe oy. De même, les faisceaux traversant les sections II et V fig. 1, d'indice n + 20n fig. 2. Nous avons ainsi défini trois paires de faisceaux auxquelles ont peut donner une expression commune en coordonnées polaires : Pour chaque paire on a un axe d'anti-symétrie dont la direction est celle du champ électrique. Elle correspond au nombre complexe Eo exp vus : on prend l'axe oy pour origine des azimuts : ainsi Wj = 0 et Er, expo est un vecteur porté par oy. Pour la .. 27r r 27r !,. " D 1 seconde paire 2 ==--Eo exp-désigne un vecteur porté par oy\ De même pour la "1 "1 J.., 1 troisième paire \jJ3 =-, Eo exp-est un vecteur dirigé selon oy". Pour chaque paire la distance à l'axe de la paire est p sin ( Soit 8 l'angle que font les directions de propagation des deux ondes de la paire avec l'axe oz, le champ électrique dans le plan focal sera, pour une paire : (3) Eexpsin ["sm (- )] Nous ne nous intéressons qu'à ce qui se passe dans le voisinage de oz. C'est pourquoi nous pouvons remplacer le sinus par son approximation linéaire et écrire l'expression (3) sous la forme : (4) Ei. expj\j/i x p sin ( (f)-\)/i) .../. JI'" (4 bis) en pusam El =- Eo 2n- sin B 1 et il faut multiplier par le facteur qui exprime l'oscillation électrique et le déphasage : Le champ d'interférence des trois paires d'ondes en un point p, Q est donné par : E E, exp 1//, x p sin (ço-V,) x cos (col-2 v,) 1, 2, 3 Lorsqu'on fait la somme des trois expressions en expérimentant les sinus et cosinus par des exponentielles, on voit apparaître des termes triphasés dont la somme est nulle, et il reste : 9 15) 3 -E, pexp (-j (p)- exp j c i 4 que l'on peut écrire : 3-3 (6) E / ? exp (-) cos/ + y- / exp (-) sin ? L'expression p exp (-j (p) correspond à un champ de vecteurs quadripolaire et en multipliant par j on a un champ de vecteurs orthogonal au premier. Pour le voir plus clairement passons en coordonnées cartésiennes au moment où t = 0. x +jy=pexpj (p l'élément différentiel de la ligne de champ dx + j dy est dirigé parallèlement au vecteur champ électrique donné par (5) Eo p exp (-j (p). On a donc : d'où l'équation différentielle : xdy + ydx = 0 qui par intégration donne l'équation des lignes de champ à un instant donné. Ce sont des hyperboles équilatères. Le champ créé au foyer F est bien un champ quadripolaire tournant transverse électrique. Le faisceau laser ainsi transformé est focalisé dans le deuterium qui est immédiatement transformé en plasma. Dans nos brevets antérieurs nous avons montré que le mode quadripolaire tournant agit sur le plasma comme un accélérateur d'électrons. Les électrons accélérés forment des courants magnétiquement pincés dans lesquels se produit la réaction de fusion du deuterium (1). Ces réactions engendrent des jets d'électrons relativistes dans lesquels elles se reproduisent. Dans ces jets, les électrons sont groupés en paquet que nous avons appelé des aiguilles . Ces aiguilles poussent le nuage électronique après avoir ionisé le gaz. Elles produisent ainsi un courant industriel bon marché et facile à exploiter. Mais ces aiguilles ont un autre effet qui n'a pas encore été exploité : en quittant la zone focale elles rayonnent un champ quadripolaire tournant. Un objet de la présente invention est de récupérer l'énergie de ce champ quadripolaire et de le réinjecter dans le plasma. La fig. 3 représente à un instant donné le courant circulaire de rayon r magnétiquement pincé engendré par l'onde laser dans le plan focal. Au cours du temps cette figure tourne à la fréquence angulaire/2. Suivant deux tangentes à ce courant sont lancés deux jets d' aiguilles qui à leur tour émettent un rayonnement quadripolaire équivalent à celui qui serait émis par un cercle de rayon r 2 parcouru par un courant, tracé en pointillé fig. 3. Si 0 est l'angle que font avec oz les rayons issus du laser qui convergent en F, le rayonnement émis par les aiguilles fera avec oz un angle 8'tel que : c'est ce qui permet de récupérer le rayonnement quadripolaire des aiguilles et d'en ré-injecter l'énergie dans le plasma sans perturber le rayonnement laser. Cette rétroaction est opérée par les miroirs 14 et 15 fig. 4, elle facilite le démarrage de la réaction de fusion et la prolonge. Un autre objet de l'invention est de multiplier les aiguilles au cours de leur propagation en instaurant un champ magnétique perpendiculaire au plan dans lequel elles sont lancées : les aiguilles sont des paquets d'électrons relativistes assez importants pour avoir une action macroscopique elles ionisent le deuterium et poussent le nuage électronique créant le courant secondaire que nous utilisons comme courant industriel. A sa naissance, ce courant est assez dense pour provoquer par pincement magnétique de nouvelles fusions mais il se trouve en milieu brûlé, il est environné de noyaux d'hélium. Pour obtenir de nouvelles fusions il faut le dévier à l'aide d'un champ magnétique pour le lancer dans le deuterium. Tel est le rôle des aimants qui apparaissent 18 et 19 fig. 4. L'invention sera mieux comprise par les explications qui vont être données en corrélation avec la description des figures parmi lesquelles : Les figures 1 et 2 représentent des dispositifs optiques qui transforment l'onde polarisée linéairement issue d'un laser en onde se propageant selon le mode quadripolaire tournant transverse électrique comme on l'a montré ci-dessus. La figure 3 montre comment sont lancés les jets d'aiguilles à partir d'un courant circulaire magnétiquement pincé. La figure 4 est une coupe méridienne du générateur de puissance électrique selon l'invention. La figure 4'illustre une variante : les organes désignés par 8', 9', 10'correspondent aux organes 8,9, 10 de la figure 4. La figure 4 présente une grande analogie avec celle décrite dans le brevet 9901059. La chambre à deuterium est désignée par 1. Elle est limitée par une enceinte en matériau isolant, verre ou céramique, construite en deux parties 2 et 2', raccordées entre elles et aux autres pièces selon des procédés qui ont fait leurs preuves dans l'industrie des bocaux pour la conserverie. La paroi 2'est raccordée au dispositif de contrôle du deuterium par un système à vis 3. Les parois 2 et 2'sont réunies par un système d'agrafe 4. La paroi 2 porte des bossages sur lesquels se visse la pièce 5 qui ressemble à un couvercle de pot à confiture dont on a enlevé la partie centrale. Cela assure le raccordement entre la paroi 2 et la pièce 6. Les rôles des pièces 7 et 8 ont été exposés cidessus avec la description des figures 1 et 2, elles sont vues ici coupées par un plan méridien. Elles sont tenues dans la pièce 6 par des joncs. Elles reçoivent le faisceau laser, transforment son mode de propagation et transmettent l'énergie au dispositif focalisateur. L'ensemble du laser et de la pièce 7 donne une onde dont les lignes de champ sont hexagonales. C'est une bonne approximation de ce que l'on appelle dans la théorie des guides circulaires un mode TEo. On peut remplacer le laser polarisé linéairement et la pièce 7 par un laser fonctionnant en mode TEo. Pour obtenir ce fonctionnement on réalise le miroir semi réfléchissant de la cavité résonante par un ensemble de cercles conducteurs concentriques qui réfléchissent le mode TEo et laissent passer les autres modes. On réalise de tels cercles par photogravure. Nous ne nous étendrons pas sur ce sujet que nous considérons comme l'art antérieur. C'est l'utilisation de matériaux transparents dopés, d'indices très voisins, qui constituent la pièce 8 qui permet d'obtenir les déphasages précis dont nous avons besoin, elle constitue la caractéristique essentielle de la présente invention. Elle permet de réaliser facilement ce qui exigeait une précision irréalisable dans le brevet 9901059. Le dispositif focalisateur est formé de deux miroirs de révolution autour de oz, 9 et 10. Le miroir 9 est conique, il réfléchit dans des directions perpendiculaires à oz les rayons parallèles à oz qu'il reçoit. Le miroir 10 a pour méridienne un arc d'une parabole dont le foyer est en F et l'axe perpendiculaire à oz. La pointe du cône 9 est émoussée et creusée pour reposer sur une contrepointe scellée dans la pièce 8. La position du cône est assurée par trois pieds dont l'un, désigné par 11 est vu dans le plan de figure, il est rattaché à la pièce 6 par l'intermédiaire d'une lame élastique 12 sur laquelle agit une vis micrométrique 13 qui permet d'ajuster la position avec une grande précision. Sur la figure 4'le miroir cylindrique 10'à méridienne rectiligne a remplacé le miroir 10 à méridienne parabolique de la figure 4 et pour obtenir la convergence des rayons on utilise m en une lentille convergente 8'. Soit 0 le centre de la lentille, F"le point vers lequel sont dirigés les rayons issus de la lentille. OF"= fest la distance focale. La pointe du cône 9'est positionnée au centre 0 de la lentille 8'. La génératrice OA a pour longueur a. L'angle d'ouverture au sommet du cône est a. Le point F'est la trace dans le plan méridien du cercle vers lequel le miroir conique 9' dirige les rayons issus de 8'. Ces rayons sont réfléchis par le miroir cylindrique 10'qui les concentre en F. Pour que le rayon limite, initialement voisin de l'axe, passe par A on doit avoir les relations suivantes : qui résulte du rapport entre la longueur des côtés et les sinus des angles dans le triangle AOB. Pour le diamètre D de la lentille 8' : et pour le diamètre du cylindre 10' : f sin 2 a 7' La figure 4'a été tracée dans ! e cas où compact que celui de la figure 4. Dans la tâche focale se produit la fusion du deuterium qui lance des aiguilles dans un plan perpendiculaire à oz. Dans le voisinage immédiat de cette tâche ces aiguilles produisent un rayonnement quadripolaire que les miroirs de révolutions 14 et 15 renvoient dans la tâche focale pour activer la fusion. Le miroir 15 est cylindrique. La méridienne du miroir 14 est un arc d'une ellipse ayant pour foyers, le foyer F et un point symétrique de F, par rapport à la génératrice du cylindre 15. Les miroirs 14 et 15 sont raccordés à la pièce 6 par des entretoises 16 et 17 qui doivent être aplaties dans des plans méridiens pour ne pas gêner le rayonnement. Le faisceau refléchi par les miroirs 14 et 15 a été ombré pour être mieux vu. Le rayonnement quadripolaire des aiguilles est symétrique par rapport au plan focal on peut donc utiliser des miroirs symétriques de 14 et 15 portés par la base du cône 9 et par la pièce 6, nous ne l'avons pas fait pour ne pas compliquer la figure 4. Des aimants, de révolution autour des oz, dont on voit les sectionsméridiennes 18 et 19 créent un champ magnétique parallèle à oz dans deux couronnes concentriques. En traversant ces couronnes les électrons secondaires qui accompagnent une aiguille sont déviés vers le deuterium propre où ils peuvent engendrer de nouvelles aiguilles. Puis les aiguilles accompagnées des courants secondaires qu'elles ont provoqués, arrivent dans l'anode 20. C'est une pièce métallique de forme vaguement torique dont la surface extérieure est revêtue d'isolant de façon à éviter les claquages. Elle est réunie à l'une des parois 2 ou 2'par trois piétages. L'un de ces piétages constitue la borne de sortie 21. C'est entre cette borne 21 et une borne solidaire de la pièce 6 que l'on recueille le courant destiné à l'utilisation industrielle. R E VENDIC A T IONS 1. Générateur de puissance électrique constitué par une chambre contenant un mélange deuterium-hydrogène, dans laquelle l'énergie d'un puissant laser à impulsions est focalisée après avoir été transformée en mode quadripolaire tournant transverse électrique en traversant un déphaseur azimutal dans lequel les déphasages sont causés par un dopage du matériau constituant les lames à faces parallèles, ce dopage fait varier l'indice optique d'une quantité on ou 2on, liée à la longueur d'onde X du laser et à l'épaisseur h de la lame par la formule : cette énergie provoque la formation d'un plasma 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 1 dans lequel le focalisateur est constitué par deux miroirs métalliques de révolution l'un conique, l'autre à méridienne parabolique. 3 Dispositif selon revendication 1 dans lequel le focalisateur est constitué par une lentille placée à la sortie du déphaseur azimutal et deux miroirs de révolution à méridiennes rectilignes l'un conique, l'autre cylindrique. 4 Dispositif selon revendication 1 dans lequel un aimant placé dans la chambre à deuterium, de révolution autour de l'axe, engendre dans une couronne, un champ magnétique parallèle à l'axe dont le rôle est de dévier les électrons secondaires qui accompagnent les paquets d'électrons relativistes afin de les amener dans un milieu fertile ou ils créent de nouvelles aiguilles.