Фузор фарнсуорта хирша своими руками
Обновлено: 04.07.2024
Достижение Джексона Освальда – так зовут юного физика из штата Теннесси – признали официально. Обязательное условия для этого – публикация в научном журнале с обоснованием результатов опытов. А первую успешную реакцию он провел еще в 2018 году, за несколько дней до 13-летия.
Джексон впервые заинтересовался ядерной физикой в 10 лет, когда узнал о Тейлоре Уилсоне – это прежний обладатель рекорда Гиннесса как самый юный автор реакции ядерного синтеза; ему на тот момент было 14 лет. Создать лабораторию Освальду помогли родители, на это ушло 10 тысяч долларов. Необходимое оборудование покупали на интернет-аукционах.
Топливом для реакции является дейтерий – стабильный изотоп водорода. Ампулы с ним встречаются в свободной продаже. Дейтерий используется в нейтронных генераторах, а также в качестве индикатора в химических и биологических экспериментах.
Для осуществления реакции необходимо очень малое количество дейтерия – в случае с Освальдом 40 микронов, но относительно большое напряжение – несколько десятков тысяч вольт.
"Ядерный синтез — это очень опасный процесс. В основном из-за высокого напряжения, которое используется в реакторе. Нужно носить средства защиты, перчатки и халат. В моем термоблоке температура меняется, но в среднем она составляет 100 миллионов градусов по Цельсию" – сообщил Джексон.
Как работает такая установка? В нее под низким давлением подается дейтерий. Решетка внутри – под высоким напряжением. В результате от атомов водорода отрываются электроны и высвобождаются несущие огромную энергию нейтроны. Они устремляются к катоду, часть проскакивает сквозь сетку и сжимается в плотный сгусток плазмы. На словах все звучит довольно убедительно, однако производительность самодельного реактора даже близко нельзя сопоставить с реальным ядерным объектом.
"Эти условия достигаются не в большом объеме, а в очень-очень маленьком объеме, где происходит термоядерная реакция. Просто в крошечном, ничтожном. Потому что в этот маленький объемчик стреляет вот эта высоковольтная пушка. Это напряжение разгоняет частицы, и они попадают в очень-очень крошечный объем. Поэтому там энерговыделение на несколько десятков, может быть, порядков меньше, чем в действительно эффективных установках для термоядерного синтеза", – пояснил Дмитрий Побединский, физик, популяризатор науки, автор видеоблога "Физика от Побединского".
К слову, Джексон Освальд далеко не первый молодой человек, который провел ядерную реакцию на подобной установке. Такой компактный реактор, иначе фузор, впервые сконструировали американские изобретатели Фарнсуорт и Хирш в 1964 году. Сейчас опыты с фузорами довольно распространены, но чаще всего их проводят студенты, и довольно большими группами. Сборка установки и сам эксперимент -процессы трудоемкие.
"Оказалось, что есть сайты, посвященные фузорам, есть целые сообщества, где люди обсуждают, как это сделать, что-то где-то подкрутить, настроить. Так что это такая активно развивающаяся область, и люди очень этим интересуются", – отметил Дмитрий Побединский.
Собрать такую установку действительно может почти каждый физик-любитель. Но смысла делать это в практических целях, например, для освещения своего дома, нет. Дело в том, что в подобных фузорах велики энергопотери – их использование экономически невыгодно, а значит подобные эксперименты останутся эффектным доказательством пытливости ума и возможностью попасть в Книгу рекордов Гиннесса.
Джейсон поставил эксперимент за несколько дней до своего 13-го дня рождения в игровой комнате дома, где он живет с семьей. С помощью фузора Фарнсуорта — Хирша, устройства для получения управляемой реакции, он соединил два атома дейтерия, и в итоге стал одной из новых звезд Книги рекордов Гиннесса.
Как заявил подросток, он впервые узнал о ядерном синтезе в 12 лет из интернета, где прочитал статью о Тейлоре Уилсоне. Этот физик-ядерщик и самоучка также в молодом возрасте осуществил ядерный синтез. Его пример вдохновил Джейсона на попытку создать фузор Фарнсуорта — Хирша самому. Он также подчеркнул, что собирать устройство и проводить испытания ему никто не помогал.
Поначалу семья и друзья не понимали Джексона. Многие считали его проект немного странным, но школьник продолжал, несмотря на сомнения близких.
Сейчас Джексону Освальду исполнилось 15 лет. По его словам, из-за пандемии он не выходил из дома и смог изучить огромное количество учебных материалов. Сейчас юный гений ищет новую сферу применения своих знаний и очень гордится попаданием во Книгу рекордов Гиннесса 2021 года.
Научный руководитель: Учитель физики теоретического лицея Им. М.В. Ломоносова Дарий Лина Леонидовна.
Проблемы энергетики особо остро стоят именно сейчас перед мировыми учеными, когда неуклонно растет численность населения планеты. Следовательно, возрастает потребность в источниках энергии. Запасы углеводородов иссякают. Другой современный источник энергии атомные электростанции, работающие за счет деления ядер урана, частично удовлетворяют потребности. Запасы используемого ими урана и тория так же весьма ограничены. Всегда сохраняется опасность повторения аварий Чернобыльской и Фукусима АС. И самой главной проблемой работы атомных электростанций является утилизация долгоживущих радиоактивных отходов.
Процесс термоядерного синтеза сопровождается огромным энерговыделением на единицу массы реагирующего вещества.
Положительные стороны: 1) не образуются долгоживущие радиоактивные изотопы; 2)топливом для реакции синтеза служат тяжелые изотопы водорода; 3)отсутствие продуктов сгорания; 4) минимальная вероятность аварий из-за увеличения мощности реакции в термоядерном реакторе. Получив возможность управлять термоядерной реакцией, мы получим неисчерпаемый источник энергии, т.к. запасы водорода на Земле огромны. Для этого необходимо решить основную проблему- преодоление трудностей по удержанию неустойчивых плазменных сгустков. Более глубокое изучение уже известных и открытие новых физических и химических свойств плазмы позволит приблизиться к решению этой проблемы.
Объект исследования: Демонстрационная версия термоядерного реактора Фарнсуорта-Хирша.
Предмет исследования: изучение основных характеристик плазмы. Неустойчивость плазмы. Рассмотреть один из способов удержания плазмы
Изучить все известные типы реакций ядерного синтеза. Ознакомиться с проблемами управления термоядерного синтеза, в частности удержание плазмы.
Создать демонстрационную версию термоядерного реактора Фарнсуорта-Хирша (Fusor). На его примере показать один из способов удержания плазмы, используя кинетическую энергию. А именно, электростатическое.
Наблюдать изменение состояния плазмы под воздействием различных факторов.
Теоретический (изучение и анализ литературы, других источников информации, постановка целей и задач)
Практический (сборка действующей установки Fusor)
Эмпирический (наблюдение, описание и выводы)
Сборка и запуск демонстрационной версии Фузорта Франсуорта Хирша. Изучение зависимости плазмы от напряжения и давления. Эта работа является первым этапом последующих исследований в этом направлении. В перспективе создание устройства с подачей газа (дейтерия) при более высоким напряжении.
Список использованной литературы:
Matthew Smith, Confining plasma in a spherically-convergent electrostatic potential well: the Farnsworth-Hirsch fusor, 2005
Richard Hull, The Farnsworth/Hirsch Fusor / Bell Jar, Vol.6, No.3/4, Summer/Autumn 1997
Е.П. Велихов; С.В. Мирнов. Управляемый термоядерный синтез выходит на финишную прямую
К. Ллуэллин-Смит. На пути к термоядерной энергетике
А.Я. Стрельцов (патент) Управляемый ядерный синтез
Г. Фрауэнфельдер, Э. Хенли. Субатомная физика.
Фузор Фарнсуорта — Хирша — устройство, сконструированное американским изобретателем Фило Т. Фарнсуортом для получения управляемой термоядерной реакции.
В отличие от многих систем для получения управляемой термоядерной реакции, которые медленно нагревают плазму, помещенную в магнитную ловушку, в фузоре высокоэнергетические ионы напрямую впрыскиваются в область, где происходит термоядерная реакция. Реализация этой концепции предположительно позволит значительно уменьшить размеры и стоимость термоядерного реактора. Для удержания плазмы в фузоре используется метод электростатического удержания плазмы.
Идея фузора в различных модификациях была использована в работах таких ученых как Elmore, Tuck и Watson, позднее George Miley. С 1994 по 2006 Роберт Бассард по контракту с ВМС США построил несколько моделей реакторов Поливелл.
Ни один вариант фузора Фарнсуорта, созданный на данный момент, не приблизился близко к критерию Лоусона. Мировые правительства не рассматривают этот вид реактора как перспективный и ведут разработки реакторов других типов, чаще всего токамаков. В частности крупнейший токамак строится в рамках международного проекта ITER.
Джейми Эдвардс занялся созданием реактора в октябре, и через пять месяцев ему удалось путем ядерного синтеза получить гелий. В своей работе подросток вдохновлялся экспериментом Уилсона, который стал самым молодым создателем ядерного реактора в 2008 году.
Эдвардс занялся созданием реактора в октябре, и через пять месяцев ему удалось путем ядерного синтеза получить гелий. В своей работе подросток вдохновлялся экспериментом Уилсона, который стал самым молодым создателем ядерного реактора в 2008 году. Эдвардс обратился со своей идеей в несколько университетов, но не найдя поддержки, в конечном счете получил финансирование в своей школе в городе Пенвортаме.
"Я был несколько ошеломлен и, надо признаться, немного занервничал, когда Джейми предложил свою идею, но он убедил меня, что школа не взлетит на воздух", — сказал завуч школы Джим Хуриган (Jim Hourigan).
На создание реактора школьник потратил две тысячи фунтов (около 120 тысяч рублей), еще тысячу школа оставила на случай, если Эдвардс или другие ученики захотят продолжать эту работу, чтобы сделать производство энергии при помощи реактора эффективным.
Основными частями реактора являются вакуумные наносы, источник высокого напряжения, вакуумная камера и система, поставляющая дейтерий, который является топливом для ядерной реакции.
Как и Уилсон, Эдвардс собрал устройство, известное как фузор Фарнсуорта-Хирша. Он состоит из двух металлических сеток в вакуумной камере. Термоядерное топливо в таком реакторе ионизируется напряжением между сетками. При этом положительно заряженные ионы ускоряются, и при их столкновении в центре камеры между ними может проходить реакция термоядерного синтеза.
Читайте также: