Utilizarea bremsstrahlung inversat în obținerea fuziunii nucleare controlate
COZMA, Lucian Ștefan; GOLEA, Daniela Georgiana; ȚENU, Cosmin Vasile (2024), Utilizarea bremsstrahlung inversat în obținerea fuziunii nucleare controlate, Cunoașterea Științifică, 3:4, 20-39, https://www.cunoasterea.ro/utilizarea-bremsstrahlung-inversat-in-obtinerea-fuziunii-nucleare-controlate/
The use of inverted bremsstrahlung in achieving controlled nuclear fusion
Abstract
The achievement of the laser at the onset of 60s in the last century, opened several perspectives not even presumed until that moment. Among other things, the Russian researchers L.I. Gudzenko and L.A. Shelepin, envisaged in the mid-60s the achievement at some point of a new type of laser that can operate at a very high specific frequency and the value of this frequency will be varied and controlled as desired by the users. Unfortunately, the moment when at last it was realized a type of laser able to approach this performance came much later: the free electron laser (FEL) imagined since 1976. Studying the phenomenon of the reversed-bremsstrahlung, Gudzenko and Shelepin realized that the braking radiation within a thermonuclear plasma could be collected by a laser beam capable of penetrating the thermonuclear environment. Although their theoretical prediction was correct, in 1965 they were not able to provide a laser with a specific frequency being much higher than the frequency of the thermonuclear plasma, in that case the plasma does act as an impenetrable environment for the laser, reflecting it. If, however, the laser beam could penetrate and run axially through the thermonuclear plasma, by applying the reverse-brehmsstrahlung effect, the laser fascicle would collect the braking radiation preventing it to expand into the reactor walls. It should open the way for achieving the controlled nuclear fusion, knowing that one of the major impediments to achieving this goal is the braking radiation effect, overheating the walls of the thermonuclear installation, releasing a tremendous energy from the thermonuclear environment. Rediscovering now that original idea of Shelepin and Gudzenko and adapting it to modern technology could bring us the required technological solution to achieve controlled thermonuclear fusion.
Keywords: thermonuclear fusion, brehmsstrahlung
Rezumat
Realizarea laserului la începutul anilor ’60 ai secolului trecut a deschis o serie de perspective care nici măcar nu fuseseră presupuse până în acel moment. Printre altele, cercetătorii ruși L.I. Gudzenko și L.A. Shelepin preconizau, la mijlocul anilor ’60, realizarea la un moment dat a unui nou tip de laser care să poată funcționa la o frecvență specifică foarte mare, iar valoarea acestei frecvențe să poată fi variată și controlată după cum doresc utilizatorii. Din păcate, momentul în care a fost realizat în sfârșit un tip de laser capabil să se apropie de aceste performanțe a venit mult mai târziu: laserul cu electroni liberi (FEL) imaginat începând cu 1976. Studiind fenomenul bremsstrahlung inversat, Gudzenko și Shelepin și-au dat seama că radiația de frânare dintr-o plasmă termonucleară ar putea fi colectată de un fascicul laser capabil să penetreze mediul termonuclear. Deși predicția lor teoretică a fost corectă, în 1965 nu au fost capabili să furnizeze un laser cu o frecvență specifică fiind mult mai mare decât frecvența plasmei termonucleare, în acest caz plasma acționează ca un mediu impenetrabil pentru laser, reflectându-l. Cu toate acestea, dacă fasciculul laser ar putea pătrunde și trece axial prin plasma termonucleară, prin aplicarea efectului brehmsstrahlung inversat, fasciculul laser ar colecta radiația de frânare, împiedicând extinderea acesteia în pereții reactorului. Aceasta ar trebui să deschidă calea către realizarea fuziunii nucleare controlate, știind că unul dintre principalele impedimente în atingerea acestui obiectiv este efectul radiației de frânare, care supraîncălzește pereții instalației termonucleare, eliberând o energie enormă din mediul termonuclear. Redescoperirea ideii originale a lui Shelepin și Gudzenko și adaptarea ei la tehnologia modernă ne-ar putea aduce soluția tehnologică necesară pentru a realiza fuziunea termonucleară controlată.
Cuvinte cheie: fuziune termonucleară, brehmsstrahlung
CUNOAȘTEREA ȘTIINȚIFICĂ, Volumul 3, Numărul 4, Decembrie 2024, pp. 20-39
ISSN 2821 – 8086, ISSN – L 2821 – 8086
URL: https://www.cunoasterea.ro/utilizarea-bremsstrahlung-inversat-in-obtinerea-fuziunii-nucleare-controlate/
© 2024 Lucian Ștefan COZMA, Daniela Georgiana GOLEA, Cosmin Vasile ȚENU. Responsabilitatea conținutului, interpretărilor și opiniilor exprimate revine exclusiv autorilor.
Utilizarea bremsstrahlung inversat în obținerea fuziunii nucleare controlate
Lucian Ștefan COZMA[1], Daniela Georgiana GOLEA[2], Cosmin Vasile ȚENU[3]
lucian.stefan@yahoo.fr, kolerdaniela@gmail.com, ghencea1974@gmail.com
[1] Doctor în Științe Militare (Universitatea Națională de Apărare), fizician (Universitatea București)
[2] Doctorand în Securitate/Științe politice (Universitatea din Ruse „Angel Kanchev”, Bulgaria)
[3] Promoția 24 a Colegiului Național de Apărare, master în Securitate și Apărare (Universitatea Națională de Apărare, București), inginer (Universitatea Politehnică București, Facultatea de Mecanică),
Introducere
Lucrarea de față nu urmărește să se înscrie în formatul obișnuit al lucrărilor din categoria ISI, prin aplicarea unor condiții de formă: enunțarea unei probleme de studiu, efectuarea de calcule și testări, discuții pe marginea acestor rezultate și concluzii. Autorii lucrării de față consideră că în anumite domenii de frontieră (fizică termonucleară, fenomene care se petrec la energii înalte sau în condiții extreme etc.) este bine ca grupurile de cercetători mai întâi să stabileasacă la nivel intuitiv posibilele soluții tehnologice. În producerea plasmei termonucleare soluțiile tehnologice STELLARATOR (din 1951, SUA) și respectiv, TOKAMAK (din 1958, URSS/Rusia) s-au dovedit incapabile de a conduce la obținerea unui model fezabil de generator termonuclear (de fuziune). Actuala instalație ITER (din 2007, cooperare internațională) este un model îmbunătățit de TOKAMAK. Niciun om de știință sau colectiv de cercetători nu a propus până în momentul de față o altă tehnologie decât cea specifică TOKAMAK, prin urmare, nici nu se poate spera că s-ar reuși obținerea unui model practic și fezabil de generator de fuziune nucleară. Ca și TOKAMAK, ITER este bombardat de radiația de frânare care amenință să-i topească structura în câteva secunde. Din cauza pierderilor energetice prin radiație de frânare, randamentul global al instalației este unul foarte mic, căci doar în mică măsură și indirect (prin recuperarea unei părți a clădurii disipate în pereții instalației) energia de fuziune este convertită în energie utilă. În această situație, autorii consideră că mai întâi trebuie să identifice la nivel intuitiv noi soluții tehnologice, pe care să le argumenteze și să le expună discuției în mediul științific. Așadar, fără a respecta condițiile de formă generale ale unui articol ISI, lucrarea de față încearcă să expună o nouă soluție tehnologică în domeniul fuziunii nucleare, lăsând apoi locul liber discuțiilor științifice.
Fig. 1 Modelul de laser cu amplificare în plasmă termonucleară, propus de fizicienii Gudzenko și Șelepin[1]: 1- laser de mică putere; 2- oglindă; 3- răcire; 4- bobinaj de ultra înaltă frecvență; 5- oglindă semitransparentă; 6- fascicul laser de joasă putere; 7- înfășurările electromagnetului; 8- plasmă termonucleară; 9- fascicul intens de fotoni (laser de mare putere); 10- câmp magnetic; 11- blocul de amplificare al laserului inițial.
De mai bine de 60 de ani, odată cu realizarea primelor arme termonucleare, cercetători din partea statelor cu vechi tradiții în domeniul cercetării științifice, au încercat să realizeze reactorul termonuclear, mai precis, fuziunea nucleară controlată. În special rușii, odată cu realizarea instalației de tip TOKAMAK, și-au închipuit că se apropie de realizarea acestui deziderat. Din păcate, deși rezultatele păreau la un moment dat să fie încurajatoare, de fiecare dată s-a ridicat un impediment major: pierderile deosebit de mari de energie radiantă, sub forma radiației de frânare. De-a lungul acestor zeci de ani cât s-a încercat realizarea fuziunii nucleare, în afară de bomba termonucleară realizată și experimentată cu succes de mai multe ori atât de americani cât și de ruși, nu s-au mai realizat mari progrese. Fatalmente, explozia termonucleară nu constituie o reacție termonucleară controlată și nici utilizabilă în scopuri pașnice, situație în care cercetătorii și-au îndreptat eforturile către conceperea unor instalații capabile să absoarbă și să transforme sub diverse forme, energia uriașă a radiației de frânare. Acesta este, de altfel, stadiul în care ne aflăm și în clipa de față. S-ar putea însă ca tot acest efort să fie îndreptat către o direcție complet greșită, iar soluția mult căutată să fie de fapt în altă parte.
La ora actuală, radiația de frânare (bremsstrahlung) este considerată marea problemă, impedimentul principal, dar s-ar putea să ne înșelăm și radiația de frânare în mod corect utilizată în cadrul instalațiilor termonucleare, să devină prin aplicarea unei noi tehnologii principalul avantaj al acestor tipuri de reactoare. Această presupunere (să o admitem ca ipoteză de lucru) a pornit de la rezultatele unor cercetări realizate de fizicienii L.I. Gudzenko și L.A. Șelepin în prima jumătate a anilor ’60: ei au considerat un mic reactor de plasmă termonucleară pentru care au calculat valoarea energiei de frânare corespunzătoare și apoi au presupus că ar putea dispune de un laser (la data întocmirii studiului, abia se realizaseră de câțiva ani primele lasere) a cărei frecvență de lucru să depășească mult frecvența plasmei termonucleare, astfel încât aceasta să nu reprezinte un mediu impenetrabil luminii. Odată admisă această condiție, care în practică era irealizabilă în acea epocă, cei doi au putut calcula modul în care fascicolul laser de înaltă frecvență, ar fi capabil să colecteze fotonii de mare energie (frecvență înaltă) din cadrul radiației de frânare, prin aplicarea fenomenului de bremsstrahlung inversat. Mult mai recent[2], observații similare au făcut și alți cercetători, chiar dacă pe marginea unor fenomene de absorbție a radiației de frânare, petrecute la nivel foarte mic.
Am reținut însă ideea propusă de echipa Gudzenko-Șelepin, pentru că, în cazul în care ar fi aplicabilă la nivelul tehnologic actual, ar permite absorbția de către laser a fotonilor de energie (frecvență) înaltă din cadrul radiației de frânare, permițând astfel reducerea importantă a valorii energiei radiante care lovește pereții generatorului termonuclear. În noile condiții, acesta nu ar mai fi supraîncărcat termic și ar putea deci să funcționeze fără riscuri o perioadă îndelungată. Admițând această ipoteză de lucru, autorii vor face o scurtă incursiune în fizica fenomenelor termonucleare și vor analiza pe scurt condițiile care ar trebui îndeplinite pentru ca efectul de bremsstrahlung inversat să se producă la o scală suficient de mare astfel încât să aibă aplicații în tehnica termonucleară.
Unele caracteristici ale reacțiilor termonucleare
Pentru producerea unei reacții termonucleare este înainte de toate necesar ca două nuclee să vină în contact, ciocnindu-se datorită agitației termice[3] iar efectuarea unei asemenea ciocniri ar fi condiționată de mai mulți factori printre care: în mod favorabil- valoarea energiei cinetice a nucleelor respective, gradul lor de ionizare, efectul tunel de străpungere a barierei de potențial nuclear, contribuția efectelor de rezonanță, iar în mod defavorabil- dimensiunea mică a nucleelor, bariera de potențial, efectul de împrăștiere, probabilitatea redusă a declanșării reacției de fuziune etc. Dacă se consideră, pentru simplificare, nucleele ca fiind niște sfere rigide cu raza de ordinul 10 -13 cm, pentru un „gaz” având concentrația de N nuclee pentru fiecare cm3, caracterizate prin viteza medie aritmetivă v, atunci numărul de ciocniri pe care le-ar suferi un nucleu ar fi dat de relația:
= (1)
(2)
iar drumul liber mijlociu ar fi dat de relația
(3)
iar din aplicarea acestor formule se poate găsi că la o densitate de nuclee corespunzătoare densității normale de molecule la presiunea atmosferică de la nivelul mării și la vitezele termice corespunzătoare temperaturii camerei, frecvența ciocnirii dintre nuclee va fi mult mai redusă decât ciocnirile moleculare iar va avea o valoare foarte mare- practic astfel de ciocniri nu se produc. Dacă totuși obținem camera de plasmă termonucleară presupusă de Gudzenko și Șelepin (cu dimensiunile de 0,3 m diametru și lungime 2,3 metri) aceasta ar fi caracterizată printr-o presiune (p = nkT) și conductibilitate termică ridicată. Dacă s-ar putea realiza confinarea plasmei (menținerea în camera cu dimensiunile indicate) cu ajutorul aplicării unui câmp magnetic exterior sau câmpul magnetic autogenerat în plasmă pe timpul descărcării, am putea obține condiția de echilibru[4]:
Iar puterea emisă prin conductivitatea termică a plasmei ar fi
(4)
unde
T e este temperatura în centrul camerei, T 0 temperatura la peretele camerei, care este situat la distanța (raza) l față de centru, n este concentrația de particule, k este constanta Boltzman, v este viteza particulelor și este drumul liber mijlociu. Iar dacă aplicăm un câmp magnetic
Fig. 2 Instalația de descărcare de tip Z-pinch, ca sursă de plasmă termonucleară pentru aplicații în energetică și propulsie, furnizând un fascicul de plasmă fierbinte, cu viteza inițială mare (cca 1000 km/s). Componentele unei astfel de instalații sunt: 1- Bancul de condensatori utilizați pentru obținerea unei descărcări de înaltă tensiune între armăturile coaxiale; 2- dispozitivul eclator cu funcționare intermitentă; 3- contactul electric al catodului; 4- contactul electric al anodului; 5- catodul cilindric sau de formă tronconică (așa cum se arăta și în brevetul US3579028 din 18.05.1971 acordat lui Dah Y. Cheng); 6- anodul de formă cilindrică având axul longitudinal comun cu axul catodului (instalație coaxială); 7- fascicolul de plasmă fierbinte cu tendința de a se confina către axul longitudinal al instalației de descărcare. În dreapta este prezentată variația curentului de descărcare cu timpul. Fizica și tehnica acestui gen de surse sunt descrise destul de detaliat în lucrările de specialitate[5],[6].
(5)
confinator, pentru protecția pereților, oricum în aceștia se va descărca căldura radiată de plasmă:
de unde putem vedea că în cazul unei plasme termonucleare cu n = 1015 cm-3 și la o viteză a particulelor de 108 cm/sec, cu T e – T 0 = 108 Kelvin, vom obține P m = 
dar încă mult mai redusă în comparație cu radiația de frânare.
Fig. 3 Model de motor-rachetă sau reactor de fuziune alimentat cu peleți D-T sau/și D-D (posibil și peleți CAO) în cămașă de Litiu: 1- Laserul cu Electroni Liberi caracterizat printr-o frecvență mult mai mare decât cea a plasmei termonucleare; 2- injectarea de Hidrogen parțial ionizat, având temperatura de cca 3000 Kelvin; 3- intrarea agentului de răcire (convectivă), în stare lichidă; 4- ieșirea agentului de răcire (convectivă) în stare parțial lichidă; 5- solenoidul de protecție a camerei de descărcare, răcit cu ajutorul agentului de răcire (posibil, Azot lichid) ce este utilizat și pentru ajutajul magnetic; 6- armătura anodică a instalației de descărcare de tip ZPinch; 7- armătura catodică a instalației de descărcare de tip Z-Pinch; 8- fascicolul laser de tip FEL; 9- canalul de injectare a peleților cu agent de fuziune D-D în cămașă de Litiu; 10- fascicolul plasmei de Hidrogen în timpul descărcării Z-Pinch, sub acțiunea câmpului magnetic confinator; 11- spațiul de descărcare; 12- regiunea de maximă confinare a plasmei în care este surprins peletul D-D; 13- scutul antineutronic al motorului; 14- bobinajul discoidal de tip Bitter al ajutajului/acceleratorului magnetic; 15- cămașa de răcire a ajutajului magnetic conținând și agent pe bază de Litiu destinat absorbirii/conversiei neutronilor; 16- regiunea maximului intensității câmpului magnetic aplicat; 17- plasma termonucleară în destindere dar și accelerată în câmp magnetic călător; 18- explozia termonucleară a peletului D-D; 19- fascicolul laser amplificat prin absorbția radiației de frânare din plasma termonucleară; se estimează ca în cadrul acestui proces de accelerare a plasmei în câmp magnetic și amplificare a Laserului prin adăugarea unei importante părți a energiei de frânare (bremsstrahlung) să fie obținută o tracțiune de ordinul 10 000 kgf pentru un debit de numai 0,001 kg/s. Desigur, agentul de lucru fuzionabil are debitul mic, de ordinul miligramelor (de pildă, 5 miligrame), dar Hidrogenul poate fi injectat la un debit care să asigure o tracțiune corespunzătoare, de pildă, un debit de ordinul 5 g/s (0,005 kg/s), ceea ce ar însemna o tracțiune de ordinul 50 tf. Rezultă faptul că un astfel de motor nu este oportun în a asigura tracțiunea pentru inserția orbitală, ci doar propulsia în cadrul zborului cosmic.
Radiația de frânare
Radiația de frânare este caracteristică plasmelor termonucleare, aflate la temperaturi înalte la care atomii sunt deja complet ionizați, în mediul termonuclear având deci un mare număr de electroni rezultați în urma ionizării intense. Atunci când un electron este decelat în câmpul columbian al unui ion ori sub acțiunea unui câmp magnetic exterior, acesta cedează energie sub forma unui foton cu frecvență înaltă. Dacă luăm cazul unui electron, forța de interacțiune cu ionul aflat la distanța b, este dată de relația
pentru un timp de interacțiune ce poate fi aproximat ca 2b/v (distanța de interacțiune împărțită la viteza electronului) iar energia de interacțiune este:
și mai departe, având în vedere că fenomenele se petrec în cadrul uni „gaz” în care densitatea de particule este îndeajuns de mare pentru a avea multiple ciocniri, datorită ciocnirilor succesive ale electronului cu ionii de densitate n obținem suma acestor ciocniri știind totodată că numărul de ciocniri pe secundă este b2 nv din care obținem mai departe puterea radiată de electron:
și apreciind că distanța minimă de interacțiune este dată de lungimea de undă de Broglie, atunci puterea radiată de electron devine:
de unde, după introducerea mai multor corecții succesive, obținem că puterea radiației de frânare pentru unitatea de volum a plasmei, ar fi de:
sau, potrivit lui Lyman Spitzer aceiași putere a radiației de frânare s-ar calcula cu relația:
De altfel, col. Liciniu Ciplea[7] dădea și un exemplu estimativ privind pierderile prin radiație de frânare considerând cazul unui reactor termonuclear D-D cu densitatea de 1015 part/cm3, la temperatura cinetică de 100 keV, astfel de pierderi ar fi de 4,8 Mw/m3 din volumul camerei de reacție, ceea ce ar însemna 1147 kcal/sec, o degajare de căldură ce ar putea asigura topirea a 36 tone de Cupru într-o singură oră de funcționare. Aceasta energie (de frânare) poate fi captată prin aplicarea efectului de bremsstrahlung inversat și utilizată în diverse moduri, de pildă, în producerea forței de propulsie.
Efectul de brehmsstrahlung inversat
Interesant este că fenomenul acesta considerat un mare inconvenient, poate acționa în anumite condiții și în sens invers[8], realizând aborbirea fotonilor. De altfel, există mai multe fenomene pe fondul cărora se poate petrece absorbția energiei fotonilor în plasmă– ionizarea multifotonică, difuzia inelastică, absorbția sincrotronică inversă, absorbția anomală etc.
Fig. 4 Multă vreme, racheta fotonică a reprezentat o soluție pur teoretică, fără posibilități concrete de realizare. În principiu, pentru realizarea unui motor-rachetă fotonic ar trebui să se utilizeze un flux continuu de fotoni de energie suficient de mare încât să realizeze o forță de propulsie altfel decât nelgijabilă. Pentru aceasta, în proiectele clasice s-a considerat necesară transformarea aproape integrală în energie a unui propelant și admiterea în calcul a unui raport de masă foarte mare, ceea ce ar însemna ca racheta să fie aproape în totalitate compusă din combustibil… Trebuie amintit faptul că în cazul motoarelor-rachetă chimice cu combustibil lichid raportul de transformare a materiei în energie este de ordinul 10-8, iar în cazul reacțiilor nucleare acest raport este de cca. 10-3. Cu toate acestea, se cunosc în fizica actuală fenomene sau procese care implică transformări masăenergie la procente mult mai mari, în cazul reacției de anihilare (materie-antimaterie) această transformare atingând procentul maxim (100%). Pornindu-se de la această observație, încă de acum peste 70 de ani au fost imaginate scheme de motoare-rachetă fotonice, cum ar fi de pildă motorul-rachetă cu anihilare (antimaterie) din imagine: 1- rezervorul de antiHidrogen; 2- rezervorul de Hidrogen; 3- câmpul magnetic de protecție al rezervorului de antiHidrogen; 4- conducta de alimentare cu antiHidrogen, asigurată de câmpul magnetic confinator produs de solenoidul 3; anihilarea se face în focarul unei mari oglinzi parabolice 5; unde Hidrogenul este injectat cu ajutorul pompei 6. În urma procesului de anihilare, o parte din particulele gamma se îndreaptă către oglindă trecând prin stratul de hidrogen de la suprafața acesteia, transformându-se în radiație luminoasă (fotoni). Acești fotoni sunt reflectați de oglindă (rămâne de inventat un material capabil să asigure reflectarea la un randament atât de bun); 7- este rezervorul de Heliu lichid iar 8 este pompa de Heliu, acesta fiind utilizat pentru răcirea convectivă a dispozitivului și asigurarea unei temperaturi de lucru constante. În baza tehnologiei prezentate în lucrarea de față, amplificarea în plasmă a fascicolului Laser inițial ar putea conduce la obținerea unui jet foarte intens de fotoni și particule încărcate, accelerate la viteze relativiste.
Așa cum am mai arătat, electronii rapizi emit fotoni atunci când prin interacțiunea cu alte particule aflate în proximitate ori sub acțiunea unui câmp magnetic care deflectează electronul făcandu-l să-și modifice traiectoria și frânându-l implicit- dar la fel de bine electronii liberi pot să absoarbă fotoni. Astfel de fenomene au fost studiate încă din anii ’70 și chiar aplicate pentru încălzirea plasmelor prin alte metode decât creșterea curentului de descărcare sau mărirea inducției magnetice aplicate din exterior.
În perioada relativ recentă, fenomenele de absorbție fotonică și fotoexcitare (cumulativă) au fost studiate mai ales în vederea obținerii plasmelor termonucleare prin bombardament laser asupra unor minuscule ținte de Deuteriu-Tritiu. În domeniul interacțiunilor din cadrul plasmei[9] sunt menționate interacțiile fotonilor cu atomii (ionii) și electronii, prin care se produce popularea selectivă a stărilor excitate, multiplicare electronică, distrugerea unor ioni negativi, încălzirea electronilor liberi care absorb cuante de lumină. S-ar putea însă ca fenomenul de bremsstrahlung invers să se manifeste și într-un alt mod: prin interacțiunea foton-foton, în sensul antrenării fotonilor emiși de electronii frânați, de către radiația laser incidentă.
Această situație merită a fi cercetată atât teoretic cât și experimental- interacțiunea dintre fascicolul laser de frecvență ultra-înaltă și emisia de fotoni provenită din radiația de frânare și aflată încă în mediul emitent format din plasmă termonucleară. Pentru aceasta ar fi necesar ca fascicolul laser să poată penetra plasma termonucleară, altminteri acesta fiind un mediu reflectant, deoarece are frecvența specifică mai mare decât frecvența laserului. Fenomenele de recombinare în plasmă sunt în general cunoscute și prezentate în literatura de specialitate, nefiind însă tratată la fel de bine și problema „recombinării” foton-foton. Evident, nu poate fi vorba de o „recombinare” ad-literam ci de o interacțiune sub forma antrenării unor fotoni de către alții, în anumite condiții. Ceea ce autorii sugerează, plecând de la modelul propus cu multă vreme în urmă de Gudzenko și Șelepin, ținând cont și de rezultatele obținute recent de fizicieni precum Marie Emmanuelle Couprie, este că procesul de cedare a energiei fotonilor în cadrul plasmei termonucleare s-ar putea face în anumite condiții și altfel decât prin fenomene de interacțiune a fotonilor cu ioni sau electroni.
Instalația propusă de Gudzenko și Șelepin în 1965
La mijlocul anilor ’60, când tehnica laser se afla abia la începuturile sale, fizicienii Gudzenko și Șelepin au propus realizarea unui nou tip de laser care să utilizeze plasma ca mediu pentru amplificare[10]. De altfel, această idee au reluat-o ulterior[11],[12] în cadrul unor articole, comunicări științifice sau alte forme de diseminare a informației științifice. Printre altele, au propus chiar și aplicații ale acestei instalații în domeniul propulsiei aerospațiale- ei au considerat că pe acest principiu s-ar putea construi un motor-rachetă laser-fotonic, care pornind de la un laser de mică putere, prin amplificarea fascicolului în plasma termonucleară, să poată obține un jet fotonic de putere extrem de mare.
În momentul în care sunt îndeplinite condițiile de punere în practică a acestei tehnologii, se va putea face colectarea și dirijarea comandată a radiației de frânare din cadrul plasmelor termonucleare specifice reactoarelor de fuziune. Știm la ora actuală faptul că aceste reactoare nu pot fi realizate tocmai din cauza imposibilității de a controla radiația de frânare. Toate dezvoltările tehnologice apărute între anii 1950-2020 au evitat să abordeze problema radiației de frânare, considerând că această problemă este imposibil de rezolvat, prin urmare, s-au realizat îmbunătățiri în domenii precum: bobinaje supraconductoare, electronica aparaturii de control, miniaturizarea diverselor componente secundare, utilizarea controlului coputerizat al funcționării instalației, sisteme de răcire criogenice etc.
Toate aceste îmbunătățiri față de primul model de TOKAMAK (1958, URSS) s-au regăsit zeci de ani mai târziu în proiectul ITER (2007, în cooperare internațională), dar fără nicio rezolvare a marilor probleme inițiale. Tehnologia Gudzenko-Șelepin presupune colectarea radiației de frânare și descărcarea dirijată a acesteia, fapt care a r face în sfârșit posibilă obținerea reactoarelor de fuziune nucleară. Este cunoscut faptul că lumina poate teoretic produce forță de reacție, dar de valori foarte mici, potrivit raportului:
Se poate lesne constata că ar fi nevoie de fascicule luminoase de puteri extrem de mari pentru a obține o tracțiune altfel decât neglijabilă.
Fig. 5 Etapele funcționării ciclice (pulsative) în cazul unui motor-rachetă cu accelerator Z-pinch în care laserul axial (de frecvență mult mai mare decât cea a plasmei) poate colecta radiația de frânare prin fenomenul de brehmsstrahlung inversat: 1- laser cu electroni liberi proiectat pentru a realiza un fascicul de mică putere dar de frecvență foarte înaltă; 2- sursa de agent de lucru pentru motor, preferabil plasmă rece provenită dintr-o sursa de radio înaltă frecvență alimentată cu aer/apă; 3- injectoarele de agent de lucru; 4- bancuri de condensatoare care alimentează instalația coaxială de descărcare dde tip Z-pinch; 5- bobinaj magnetic; 6- catodul instalației de descărcare; 7- fascicolul laser axial, menit colectării radiației de frânare prin efect de bremsstrahlung inversat; 8- plasma rece injectată în regiunea coaxială; 9- anodul instalației de descărcare, protejat parțial prin prezența câmpului magnetic exterior; catodul produce propriul său câmp magnetic pe timpul desfășurării fenomenului Zpinch; 10- camera de descărcare realizată din material izolator și refractar; 11- apariția pistonului magnetic; 12- producerea descărcării de înaltă tensiune între electrozii coaxiali; 13- apariția câmpului magnetic în jurul catodului; 14- maxima acțiune a pistonului magnetic care ejectează plasma cu mare viteză. Dincolo de această cameră de plasmă termonucleară cu funcționare pulsativă poate exista un accelerator magnetic independent, de pildă un acelerator de tip Bitter, de mari dimensiuni, cu inducție cuprinsă între 5 și 10 Tesla. Acest motor poate utiliza ca agent de lucru apa, aerul și amestecul aer/apă, dar și mici sfere conținând Deuteriu-Tritiu, D-D, CAO (Carbon-Azot-Oxigen) etc. Laserul colectează radiația de frânare, amplificând energia totală a jetului reactiv.
Dar idei asemănătoare[13] au venit mult mai târziu și din partea unor cercetători din Occident, care observau de asemenea necesitatea ca fascicolul laser să fie emis în cadrul unui impuls suficient de scurt astfel încât frecvența plasmei să nu o facă mediu reflectorizant. În opinia autorului, prin perfecționările actuale sau viitoare ale Laserului cu Electroni Liberi (FEL), acest tip de laser va putea la un moment dat să lucreze la frevențe deosebit de mari, valoarea aceasta fiind dată de frecvența inițială a electronilor de la care provine emisia fotonică. De altfel, chiar FEL, reprezintă un exemplu despre cum poate fi radiația de frânare captată și obligată să se deplaseze pe o direcție și sens impus. La urma urmei, principial FEL are la bază tocmai radiația de frânare (mai exact, o radiație sincrotron) care este colectată și antrenată pe o direcție unică de către un fascicol laser aflat în exteriorul „oscilatorului longitudinal”, acest fascicul exterior, antrenează fotonii radiației sincrotron pe axul longitudinal, amplificându-se practic și conducând la obținerea unui fascicul de putere foarte mare. Putem afirma că modelul de laser pe care îl propuneau acum aproape 55 de ani Gudzenko și Șelepin, era asemănător ca principiu de funcționare, dar lucra cu un mediu care genera radiație de frânare de energie mult mai mare decât radiația sincrotron emisă înăuntrul oscilatorului longitudinal al FEL. Într-adevăr, în cadrul mediului de plasmă termonucleară, am avea energii cu cel puțin 100 ordine de mărime mai mari!
Posibile aplicații
Recent, în perioada 2018-2019, tot mai multe colective de cercetare anunță rezultatele unor experimente realizate cu ajutorul Laserilor cu Electroni Liberi, în medii de plasmă fierbinte. Astfel, un fascicul laser de mare putere (cu durata de ordinul femtosecundei[14]) este concentrat asupra unei ținte gazoase în contact cu care formează o plasmă non-liniară în cadrul căreia electronii sunt captați și accelerați cu un câștig mare de energie, de ordinul GeV/m. Se obțin în acest fel fascicule de electroni accelerați la energii de GeV, cu sarcini de ordinul sutelor de pC și divergențe de ordinul miliradianilor[15],[16],[17].
Aceste experimente nu fac altceva decât să confirme mai mult sau mai puțin indirect scenariul prezentat de lucrarea de față. În experimentele anterior citate, laserul cu electroni liberi, bombardând o țintă gazoasă produce plasma, iar în aceasta se produc fenomene de accelerare asupra particulelor care sunt cele mai ușoare și mai sensibile la acțiunea diverșilor factori: electronii. Autorii lucrării de față merg și mai departe, afirmând că mediul format din plasmă fierbinte, turbionată magnetic și care emite radiație de frânare, poate fi utilizat ca mediu activ pentru obținerea unei amplificări Laser de mare putere, utilizându-se în acest sens un fascicul inițial de Laser dirijat astfel încât să penetreze axial plasma anterior menționată; amplificarea Laserului incident ar avea loc prin colectarea în mare măsură a radiației de frânare (componenta formată din fotoni de energie înaltă, din cadrul acestei radiații) și adăugarea acesteia la fascicolul Laser inițial. Pentru această utilizare practică a fenomenului de bremsstrahlung inversat ar fi necesară utilizarea unui fascicul laser incident caracterizat printr-o frecvență ultraînaltă, practic mult superioară frecvenței plasmei termonucleare utilizate ca mediu activ. Până în momentul de față experimentele Laser nu au lucrat în acest regim: s-a utilizat cel mult mediul format din radiații X sau cu pompaj nuclear. Laserii cu pompaj nuclear s-au dezvoltat abia din momentul în care dezvoltarea tehnologică a permis obținerea laserilor cu lungimi de undă inferioare valorii de 110 nm, necesitând aplicarea unei energii foarte mari. În acest sens, s-a încercat utilizarea plasmei ca mediu activ, dar nu prin colectarea radiației de frânare. Rezultatele nu au fost satisfăcătoare. Prin urmare, s-a propus la mijlocul anilor’70 utilizarea energiei nucleare pentru alimentarea Laserilor de radiație X. Ulterior au fost propuși laserii alimentați de fenomenul fuziunii nucleare, dar testele de acest gen sunt foarte scumpe și rezultatele incerte.
Dacă aprecierile și ipoteza de lucru a autorilor se vor dovedi corecte și radiația de frânare de energie extrem de mare, emisă de plasma nucleară, va putea fi colectată de către un fascicul laser incident, la fel cum se petrece (în principiu) în schema Laserului cu Electroni Liberi (în cazul radiației de frânare -sincrotron- cu care acesta lucrează), atunci se vor putea realiza aplicații în special în următoarele domenii: energetică (realizarea finalmente, a fuziunii termonucleare controlate), în propulsia aerospațială și tehnica militară (obținerea de laseri cu funcționare continuă sau în impulsuri, capabili de lucru la puteri extrem de mari).
Pentru a realiza însă astfel de dispozitive, este necesară mai întâi rezolvarea unor probleme tehnice legate de obținerea plasmei termonucleare și lucrul cu inducții magnetice foarte mari. Este cunoscut faptul că încălzirea plasmelor a ridicat permanent mari probleme tehnologice iar confinarea magnetică a acestora, a pretins deseori soluții foarte costisitoare sau a implicat preobleme de altă natură, cum ar fi creșterea volumului și masei totale a instalației, mărirea deosebită a costurilor de fabricare și mai ales a acelora de exploatare și întreținere a aparaturii etc. Pentru a reduce sau elimina astfel de probleme tehnologice, noi apreciem că sunt necesare următoarele:
- realizarea unei surse de plasmă capabile să obțină plasma de regim termonuclear în mod facil fără consumuri exorbitante și fără să ridice probleme tehnologice prea complicate;
- rezolvarea problemei câmpului magnetic confinator, fără a se apela la tehnologiile foarte pretențioase care implică utilizarea de supraconductori, instalații criogenice de răcire și termostatare etc;
- utilizarea unui laser primar (sursa laser aptă să fie ulterior amplificată) capabil de a lucra la frecvență cât mai înaltă, inclusiv capabil de a lucra în impulsuri.
În vederea soluționării acestor cerințe, autorii au considerat următoarele posibilități:
- în loc de utilizarea unor plasmatroane de un tip sau altul, dotate cu instalații de supraîncălzire (printr-o metodă sau alta dintre cele cunoscute și aplicate până în prezent) a plasmei, se poate utiliza un sistem de descărcare de tip Z-Pinch cu electrozi biaxiali (a se vedea fig. 2, 3, 5) și funcționare în impulsuri; acesta oferă pulsuri de plasmă apropiată de regimul plasmelor termonucleare (Tp ~ 106-107 Kelvin); firește, acestea sunt însoțite și de radiație de frânare, mai ales dacă din exterior se aplică un câmp magnetic turbionator care să interacționeze cu câmpul magnetic propriu al plasmei și specific fenomenului Z-Pinch; după cum se știe din experimentele clasice, plasma fierbinte obținută în instalații Z-Pinch este în mod normal foarte instabilă, cu un timp de viață foarte scurt;
- cu ajutorul instalațiilor de tip Z-Pinch se pot obține plasme termonucleare (sau apropiate de acest regim) fără a necesita greoaiele instalații cu electromagneți confinatori, și aceasta pentru că se aplică pur-și-simplu câmpul magnetic autogenerat în plasmă (și care stă la baza fenomenului de auto-gâtuire a plasmei, adică „pinch”-ul); eventuala realizare a sursei de plasmă pe baza schemei camerei de descărcare Z-Pinch, ar rezolva deopotrivă problema plasmei dar și pe cea a câmpului magnetic confinator; persistă în acest caz problema clasică a timpului prea scurt de viață a plasmei fierbinți generate de camera de descărcare de tip Pinch; dar funcționarea (la nivel axial) a unui laser colector de radiație de frânare ar putea soluționa definitiv această problemă și amplifica stabilitatea și durata de viață a plasmei;
- pentru laserul primar de înaltă frecvență, autorii nu văd deocamdată altă soluție decât în stabilirea unor direcții de dezvoltate a FEL (Laserului cu Electroni Liberi) astfel încât acesta să poată lucra la frecvențe mult mai mari decât cele uzuale pentru acest tip de laser în momentul de față.
Pentru a rezolva impedimentul vieții scurte a plasmelor Z-Pinch și acela al frecvenței încă necorespunzător de mici a laserului primar (FEL) ar exista soluția ca ambele aparate să lucreze în impulsuri sincronizate între ele: să emită amândouă concomitent impulsuri scurte. Problemele tehnologice rămând în discuție, dar la nivel fundamental, ca principiu de funcționare o astfel de instalație laser-plasmatică ar putea funcționa.
Concluzii
Autorii nu vor îndrăzni să considere că au sugerat soluțiile cele mai bune și direct aplicabile, dar cel puțin a încercat să atragă atenția asupra unor rezultate obținute de cercetarea științifică în trecut, rezultate care poate au fost pe nedrept uitate.
De asemenea, am admis că fizicieni precum Gudzenko și Șelepin nu au comis vreo eroare fundamentală în raționamentul lor și am luat aceasta ca pe o ipoteză de lucru. Scurta, rudimentara analiză întocmită, a avut în vedere trecerea în revistă a unor date generale legate de fenomenele care stau la baza formării radiației de frânare și modurile în care în plasme fierbinți apar procese de interacțiune cu fotonii sau între fotoni.
Nu în ultimul rând, am recurs la un raționament deductiv (în legătură cu modul de antrenare a fotonilor prin acțiunea altor fotoni) dar și la o analogie legată de fenomenele fizice similare aplicate în schema FEL, dar la energii mult mai mici. Considerăm că finalmente doar deschiderea acestei discuții ar fi în sine un succes, pentru că ar atrage atenția lumii științifice asupra unor posibile direcții de cercetare care sunt deloc sau insuficient utilizate în momentul de față.
Bibliografie selectivă
- S. Gordieț, L. I. Gudzenko, L. A. Șelepin, Some applications of relaxation theory of a highly ionized hydrogen plasma, în „Journal of Applied Mechanics and Technical Physics”, vol.9, nr.6 din nov./dec.1968, pp. 734-739;
- Dan Farcaș, Laseri cu gaz, Editura Academiei Republicii Socialiste Românie, București, 1982;
- Cucurezeanu, Laserii, Editura Academiei RSR, București 1966;
- M. Popescu și alții, Aplicații ale laserilor, Editura Tehnică, București, 1979;
- Thygarajan, Ajoy Ghatak, Lasers- fundamentals and applications (ediția a II-a), Editura Springer, 2010;
- I. Gudzenko, L.A. Șelepin, Amplification of Radiation in the Decay of a Maximally Ionized Plasma, în „Journal of Applied Mechanics and Technical Physics” nr.7/1966, p.82;
- I. Gudzenko, L.A. Șelepin, S.I. Yakovlenko, Amplification in recombining plasmas (plasma lasers), în „Sov.Phys.Uspekhi” nr.17(6)/1975, pp.848-863;
- U. Gudzenko, L.A. Șelepin, în articolul Плазменный лазер как фотонный ракетный двигатель („The plasma laser as a photon rocket engine”) din revista sovietică „Kosmiceskie Issledovaniya” („Cercetarea cosmică”) nr.2/1965, vol.3, pp.269-273, tradus și publicat în lb. engleză în cadrul NASA- Office of Scientific and Technical Information, Scientific and Technical Aerospace Reports vol.3/1965;
- G. Popescu, Introducere în teoria și aplicațiile tehnicii maser și laser, Litografia Academiei Militare, București 1972;
- Doicaru, Cl. R. Niculescu, Laseri cu semiconductori și aplicații, Editura Tehnică, București 1978.
Note
[1] Prelucrarea după un desen original L.I. Gudzenko, L.A. Șelepin, în articolul Плазменный лазер как фотонный ракетный двигатель („The plasma laser as a photon rocket engine”) din revista sovietică „Kosmiceskie Issledovaniya” („Cercetarea cosmică”) nr.2/1965, vol.3, pp.269-273, tradus și publicat în lb. engleză în cadrul NASA- Office of Scientific and Technical Information, Scientific and Technical Aerospace Reports vol.3/1965;
[2] D. L. Wiggins, C. T. Raynor și J. A.Johnson, în articolul „Evidence of inverse bremsstrahlung in laser enhanced laser-induced plasma”, publicat în revista Physics of Plasmas Vol. 17 Issue 10, oct. 2010, p. 103-303;
[3] Liciniu Ciplea, Procese termonucleare, Editura Tehnică, București 1975, p.33;
[4] Ioan Ioviț Popescu, Dumitru Ciobotaru, Bazele fizicii plasmei, Editura Tehnică, București 1987, p.250;
[5] L. A. Artimovici, Reacții termonucleare dirijate, Editura Tehnică, București, 1964, pp.158-164, 315;
[6] Ioan Ioviț Popescu, Dumitru S. Ciobotaru, Bazele fizicii plasmei, Editura Tehnică, București, 1987, pp.250-254, 279-283;
[7] Liciniu Ciplea, Procese termonucleare, Editura Tehnică, București 1975, p.142;
[8] I.M. Popescu ș.a., Aplicații ale laserilor, Editura Tehnică, București 1979, pp.251-260;
[9] Ibidem, pp.100-101;
[10] L.I. Gudzenko, L.A. Șelepin, în articolul Плазменный лазер как фотонный ракетный двигатель („The plasma laser as a photon rocket engine”) din revista sovietică „Kosmiceskie Issledovaniya” („Cercetarea cosmică”) nr.2/1965, vol.3, pp.269-273, tradus și publicat în lb. engleză în cadrul NASA- Office of Scientific and Technical Information, Scientific and Technical Aerospace Reports vol.3/1965;
[11] L. I. Gudzenko, L. A. Șelepin, S.I. Yakovlenko , „Amplification in recombining plasmas (plasma lasers)” în Sov. Phys. Usp. nr.18/1975, pp.848-863;
[12] B. S. Gordieț, L. I. Gudzenko, L. A. Șelepin, în articolul Some applications of relaxation theory of a highly ionized hydrogen plasma, publicat în „Journal of Applied Mechanics and Technical Physics”, vol.9, nr.6 din nov./dec.1968, pp. 734-739;
[13] G. Shvets, N. J. Fisch, A. Pukhov și J. Meyer-ter-Vehn în articolul „Superradiant Amplification of an Ultrashort Laser Pulse in a Plasma by a Counterpropagating Pump”, publicat de Physical review letters,1998;
[14] Femto este un prefix în sistemul internațional de unități, care indică un factor 10−15, adică 0,000000000000001. Provine din suedezul femton, care înseamnă cincisprezece;
[15]Marie Emmanuelle Couprie, Towards compact Free Electron-Laser based on laser plasma accelerators, articol în „Nuclear Instruments and Methods in Physics Research”, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volumul 909/12.11.2018, pp.5-15;
[16] Marie-Emmanuelle Couprie, Thomas André, Igor Andriaș, Serge Bielawski, Frederic Blache, Control of Laser Plasma Accelerated Electrons: A Route for Compact Free Electron Lasers, comunicare științifică în cadrul „10th International Particle Accelerator Conference” (IPAC 2019), Melbourne, 19-24.05.2019;
[17] M. E. Couprie, T. André, F. Blache, F. Bouvet, F. Briquez, D. Dennetière, Y. Dietrich, C. de Oliviera, J. P. Duval, M. El Ajjouri, A. Ghaith, C. Herbeaux, N. Hubert, M. Khojoyan, C. Kitégi, M. Labat, N. Leclercq, A. Lestrade, A. Loulergue, O. Marcouillé, F. Marteau, D. Oumbarek, F. Polack, P. Rommeluère, M. Sebdaoui, K. Tavakoli, M. Valléau, I. A. Andriyash, C. Benabderrahmane, S. Corde, J. Gautier, J. P. Goddet, G. Lambert, B. Mahieu, K. Ta Phuoc, A. Tafzi, C. Thaury, S. Smartsev, V. Malka, E. Roussel, C. Evain, C. Szwaj, S. Bielawski, Towards a free electron laser using laser plasma acceleration on COXINEL, comunicare științifică în cadrul AIP Conference, American Institute of Physics, Maryland, 2019.
