Fertilisation en deuterium

Salut à tous,

Lambda0 avait lancé sur ce forum le projet du voyage interstellaire qui repose sur la faisabilité d'une propulsion "thermonucléoelectrique" : fusion de noyaux légers (par confinement inertiel ou magnétique), confinement et éjection des produit de réaction dans des tuyères magnétiques.

Le voyage interstellaire implique de grandes masses de structure (>10 Gt disons) soit des quantités de carburants assez faramineuses en toutes hypothèses (pour des vitesse d'éjection en plus pas ridicules : entre 15 et 20 000 km/s). Ce qui implique une industrie minière sur les petits corps du systèmes solaires pour en extraire la matière fusible.

Dans une première approche on s'était concentré sur les noyaux les plus prometteurs, le Bore 11 par exemple. La réaction p+B11 ne produit pas de neutrons, particule neutre donc non confinable et "activant" les structures.

He3 et Li6 sont également intéressant. Tous ont l'inconvénient de nécessité de très haute température de fusion (on approche le milliard de K) mébon... Dans une solution de confinement inertiel c'est pê pas inatteignable.

L'ensemble des réactions intéressantes :

Code:


D + T      -->He4(3,5 MeV) + n(14,1 MeV)             
D + D    50%-->T(1,01 MeV) + p(3,02 MeV)             
        50%-->He3(0,82 MeV) + n(2,45 MeV)           
D + He3    -->He4(3,6 MeV) + p(14,7 MeV)             
T + T      -->He4 + 2 n + 11,3 MeV                   
He3 + He3  -->He4 + 2 p + 12,9 MeV                   
He3 + T  51%-->He4 + p + n + 12,1 MeV                 
        43%-->He4(4,8 MeV) + D(9,5 MeV)             
        06%-->He4(0,5 MeV) + n(1,9 MeV) + p(11,9 MeV)
D + Li6    -->2 He4 + 22,4 MeV                       
p + Li6    -->He4(1,7 MeV) + He3(2,3 MeV)           
He3 + Li6  -->2 He4 + p + 16,9 MeV                   
p + B11    -->3 He4 + 8,7 MeV

Mais le problème ce sont les quantités. L'abondance des élement à fusion 'propre', sans neutrons : B11, Li6, He3, ne dépasse pas 10 ppm dans les petits corps du système solaire. He3 on ne le trouve que sur la Lune a priori (et c'est pas un corps commode à exploiter)...

Donc on est loin, très loin du compte. L'élément fusible le plus abondant est le deutérium, qui à 50% produit des neutrons.

Mon idée : pourquoi ne pas faire de cet inconvénient un avantage et partir d'un éléments TRES abondants, H2O, en imaginant le processus propulsif en 2 temps : 1/ fertilisation (D+D -> He4+n, p+n -> D, T) éventuellement selon plusieurs "étages" réactifs, 2/ propulsion, à l'aide des produits de réactions.

Ma question : quelle est la section efficace p+n, à 14 Mev (réaction D+D) ou plus bas, par thermalisation des neutron (on a toute l'épaisseur que l'on veut). Ben non, je ne trouve pas... ? Plus largement, a partir de quels éléments quantitatifs raisonner cela ? Bref, j'ai envie de discuter de la possibilité de partir de glace d'eau + un peu de Deutérium et de voir comment, théoriquement, on pourrait fertiliser et propulser sur cette base.

Ma question s'adresse plus spécifiquement à L0 mais bien évidemment je suis ouvert à toute infidélité.
:hot:

a+

Salut

Bon retour par ici :D

Gilgamesh a écrit:He3 on ne le trouve que sur la Lune a priori (et c'est pas un corps commode à exploiter)...

He3 existe en "abondance" dans l'atmosphère de Jupiter et Saturne...
Certains ont imaginé des genres de "ramjets" pour le collecter.

Gilgamesh a écrit:
Donc on est loin, très loin du compte. L'élément fusible le plus abondant est le deutérium, qui à 50% produit des neutrons.
Mon idée : pourquoi ne pas faire de cet inconvénient un avantage et partir d'un éléments TRES abondants, H2O, en imaginant le processus propulsif en 2 temps : 1/ fertilisation (D+D -> He4+n, p+n -> D, T) éventuellement selon plusieurs "étages" réactifs, 2/ propulsion, à l'aide des produits de réactions.
Ma question : quelle est la section efficace p+n, à 14 Mev (réaction D+D) ou plus bas, par thermalisation des neutron (on a toute l'épaisseur que l'on veut). Ben non, je ne trouve pas... ? Plus largement, a partir de quels éléments quantitatifs raisonner cela ? Bref, j'ai envie de discuter de la possibilité de partir de glace d'eau + un peu de Deutérium et de voir comment, théoriquement, on pourrait fertiliser et propulser sur cette base.
a+

Comme indiqué dans ta citation, la réaction D+D a deux branches, à peu près équiprobables :
(1) D + D -> p + T
(2) D + D -> He3 + n
Etant donné que la branche 1 produit du tritium, et la branche 2 de l'hélium 3, il se produit également les réactions :
D + T -> He4 + n
D + He3 -> He4 + p
T + T -> He4 + 2n
etc.
Toutes les combinaisons valides en fait, à des niveaux qui dépendent des conditions de température, de densité, de temps de confinement.

Pour p + n -> D, ça ne me dit rien, la probabilité doit être assez faible.
Par contre, le produit de réaction serait pratiquement fixe dans le référentiel du centre de masse (conservation de la quantité de mouvement), à moins qu'une partie de l'impulsion soit emportée par un photon gamma. Déjà vérifier que les lois de conservation permettent cette réaction.
Je vais vérifier tout celà dans mes tablettes, mais il y a quand même peu d'espoir que ce soit intéressant.

A+

lambda0 a écrit:...Pour p + n -> D, ça ne me dit rien, la probabilité doit être assez faible.
Par contre, le produit de réaction serait pratiquement fixe dans le référentiel du centre de masse (conservation de la quantité de mouvement), à moins qu'une partie de l'impulsion soit emportée par un photon gamma. Déjà vérifier que les lois de conservation permettent cette réaction.
Je vais vérifier tout celà dans mes tablettes, mais il y a quand même peu d'espoir que ce soit intéressant.

A+

Mais pour la réaction p+p c'est possible du point de vue des lois de conservation, grace à l'émission d'un positron et d'un neutrino lors de la transformation d'un des protons en un neutron... Malheureusement la section efficace de capture est microscopique (garantissant ainsi la longue durée de vie de la plupart des étoiles sur la séquence principale).
http://fr.wikipedia.org/wiki/Cha%C3%AEne_proton-proton

J'ai aussi ça pour les calculs de sections efficaces de ces réactions de fusion :
http://minilien.com/?k9TyJKNPPC

Vérification faite, il y a bien émission d'un photon gamma :
p + n -> D + gamma
Et la section efficace n'est pas négligeable : 0.33 barn à 0.025 eV. Cette réaction est observée dans les réacteurs nucléaires : les neutrons qui arrivent à fuir le coeur interagissent avec l'hydrogène de l'eau du circuit de
refroidissement, et même l'eau du béton de la cuve, ce qui en fait des sources gammas dont il faut tenir compte. Par contre, quand ces neutrons arrivent là, ils sont thermiques : moins de 1 eV. Je pense qu'à des températures plus élevées, les neutrons "rebondissent" et que la section efficace est très faible.

Ce qui suggèrent le schéma suivant pour un réacteur à fusion "surgénérateur" de deutérium : les particules chargées produites par la fusion sont guidées par un champ magnétique, restent dans le plasma, ou participent directement à la propulsion. Les neutrons quittent le plasma et cèdent leur énergie à un fluide caloporteur circulant autour de la chambre de réaction : de l'eau. Quand les neutrons sont assez "froids" pour que la section efficace soit significative, ils fusionnent avec les protons, et l'eau s'enrichit en deutérium. Et en prime, on a de l'eau chaude et de la vapeur pour actionner des turbines, produire de l'électricité pour chauffer le plasma.

Voyons jusqu'où peut aller la surgénération.
Pour celà, il faut que chaque réaction D+D puisse produire suffisamment de neutrons pour régénérer deux noyaux de deutérium.
On a :
(1) D + D -> T + p
(2) D + D -> He3 + n
(3) D + D -> He4 + gamma
La réaction (3) est négligeable, (1) et (2) sont équiprobables. A ce stade, on récupère un seul neutron, par la branche (2) et la surgénération s'arrêterait assez vite.
Cependant, à partir de (1), on a aussi :
(4) T + T -> He4 + 2n
Et bien sûr :
(5) D + T -> He4 + n
A T=100 keV, la réactivité de (4) est encore presque 100 fois plus faible que (5), elles ne deviennent comparables que vers 1 MeV, température absolument impraticable dans un réacteur à fusion. Par contre, la réactivité de (4) est comparable à (1) et (2).
J'ai bien l'impression qu'on va quand même manquer de neutrons pour une vraie surgénération, à cause de (5), mais en se débrouillant bien, peut-être qu'on peut arriver à doubler la concentration initiale de deutérium dans l'eau. Pour en avoir le coeur net, il faut poser le système d'équations différentielles qui traduit la compétition entre toutes ces réactions.

Réflexion faite, l'idée est peut-être intéressante.
Je ne crois pas qu'on ait déjà étudié une possibilité de surgénération du deutérium de cette façon parce que celà ne présente a priori aucun intérêt pour une centrale énergétique terrestre, ni même une propulsion spatiale destinée à autre chose qu'un vaisseau interstellaire de 10 milliards de tonnes.
Yapluka définir une structure de réacteur, faire les calculs, et si c'est vraiment intéressant, à publier ;)

lambda0 a écrit:Vérification faite, il y a bien émission d'un photon gamma :
p + n -> D + gamma
Et la section efficace n'est pas négligeable : 0.33 barn à 0.025 eV. Cette réaction est observée dans les réacteurs nucléaires : les neutrons qui arrivent à fuir le coeur interagissent avec l'hydrogène de l'eau du circuit de
refroidissement, et même l'eau du béton de la cuve, ce qui en fait des sources gammas dont il faut tenir compte. Par contre, quand ces neutrons arrivent là, ils sont thermiques : moins de 1 eV. Je pense qu'à des températures plus élevées, les neutrons "rebondissent" et que la section efficace est très faible.

J'avais cet espoir en me disant que les neutron finissent forcément par se thermaliser s'ils ne ragissent pas et que le nombre de réaction N sur une cible épaisse est

N = N0.(1-exp(-n.sigma.d))

N0 densité de particules projectiles (neutron), sigma section efficace, n densité de particule cible, d l'épaisseur.

Aussi petit que puisse être sigma (que j'aimerais quand même finir par connaitre), le terme exponentiel tendant vers 0 avec d je me disait que N -> N0 et que le neutron réagit forcément, sa demi-vie à l'état libre étant quand même d'1/4 d'heure, zut quoi !

Mais voir en fin de message la réponse de mariposa.

Ce qui suggèrent le schéma suivant pour un réacteur à fusion "surgénérateur" de deutérium : les particules chargées produites par la fusion sont guidées par un champ magnétique, restent dans le plasma, ou participent directement à la propulsion. Les neutrons quittent le plasma et cèdent leur énergie à un fluide caloporteur circulant autour de la chambre de réaction : de l'eau. Quand les neutrons sont assez "froids" pour que la section efficace soit significative, ils fusionnent avec les protons, et l'eau s'enrichit en deutérium. Et en prime, on a de l'eau chaude et de la vapeur pour actionner des turbines, produire de l'électricité pour chauffer le plasma.

Voyons jusqu'où peut aller la surgénération.
Pour celà, il faut que chaque réaction D+D puisse produire suffisamment de neutrons pour régénérer deux noyaux de deutérium.
On a :
(1) D + D -> T + p
(2) D + D -> He3 + n
(3) D + D -> He4 + gamma
La réaction (3) est négligeable, (1) et (2) sont équiprobables. A ce stade, on récupère un seul neutron, par la branche (2) et la surgénération s'arrêterait assez vite.
Cependant, à partir de (1), on a aussi :
(4) T + T -> He4 + 2n
Et bien sûr :
(5) D + T -> He4 + n
A T=100 keV, la réactivité de (4) est encore presque 100 fois plus faible que (5), elles ne deviennent comparables que vers 1 MeV, température absolument impraticable dans un réacteur à fusion. Par contre, la réactivité de (4) est comparable à (1) et (2).
J'ai bien l'impression qu'on va quand même manquer de neutrons pour une vraie surgénération, à cause de (5), mais en se débrouillant bien, peut-être qu'on peut arriver à doubler la concentration initiale de deutérium dans l'eau. Pour en avoir le coeur net, il faut poser le système d'équations différentielles qui traduit la compétition entre toutes ces réactions.

Réflexion faite, l'idée est peut-être intéressante.
Je ne crois pas qu'on ait déjà étudié une possibilité de surgénération du deutérium de cette façon parce que celà ne présente a priori aucun intérêt pour une centrale énergétique terrestre, ni même une propulsion spatiale destinée à autre chose qu'un vaisseau interstellaire de 10 milliards de tonnes.
Yapluka définir une structure de réacteur, faire les calculs, et si c'est vraiment intéressant, à publier ;)

:bounce:

zboing zboing

Ca fait plaisir franchement tu as saisis et anticipé tout mon questionnement. Sans te flatter je ne m'attendais pas à moins, ceci dit ;)

Extraire des Gt d'eau des petits corps c'est pratique, c'est 'facile', mais pense quand même après réflexion qu'embarquer de l'eau est une hérésie, l'O représentant 89% de la masse du carburant. Sauf bien sur si l'O16 pouvait être d'une quelconque utilité au niveau de la surgénération (ou de la propulsion mais je vois encore moins) ; en l'état il me semble qu'il vaut mieux au plan énergétique "craquer" de l'eau en masse, par exemple à en orbite terrestre (avec de grands fours solaires) et embarquer de l'H2. Et ensuite celui ci jouerait le rôle de carburant-caloporteur surgénéré.

Le craquage à haute température permettrait en outre d'enrichir l'eau en D2O par distillation isotopique.

Pour ce qui est du contrôle de la fusion, vu la diversité des réactions de fusion à gérer, la fusion intertielle me semble actuellement la plus "souple" dans la mesure ou l'obtention d'intensité laser hyper élevée est d'ors et déjà d'actualité. Bien sur ça nécessité de produire des billes-cibles à des rythme assez impressionnant mais technologiquement c'est peut être comme de passer du microssillon au DVD... En plus dans tes premier calculs c'était la plus compacte.

Mais bon, le plus fondamental ça serait bien de trouver ce cycle surgénérateur deuterium 1:1.

J'ai posé la question dans la section Physique de Futura et mariposa (et mthéory confirmant vaguement) m'a répondu ça :

Pour un système nucleon nucleon on doit avoir soit un isospin I=0 soit I=1.
.
Dans le cas I=1 cela represente les 3 combinaisons:

N.N P.P et N.P + P.N


Dans le cas I=0 cela reprente N.P-P.N

Dans le cas I=1 les 3 sections efficaces de collisions sont égales (par le théoreme De Wigner-Eckart)
.
Le deuteron est d'isospin I=0
.
Puisque l'isospin se conserve dans la collision il faut preparer le faisceau de nucleons dans l'etat I=0 cad envoyer un neutron et un proton preparès dans la combinaison antisymétrique. Les faisceaux N.N et P.P qui appartiennent à I=1 ne peuvent former directement un état lié de Deuteron (il faudrait faire intervenir l'interaction faible).

.
Remarque: J'ai omis pour le deutérium d'éventuelles résonances dans le continum, auquel cas il faudrait envisager le cas I=1 (dans ce cas les 3 sections efficaces seraient identiques).
.
En bref il faudrait mieux connaitre le processus de formation du deuterium.
.
C'était pour faire avancer le shimilibic (comme dirait Coluche)
.
Qu'en-pensez-vous?

Je cale un peu j'avoue. Mais ça m'inquiète. Tu en dis quoi ?



merci en tout cas, c'est toujours un grand plaisir de discuter avec toi.

a+

Henri a écrit:Mais pour la réaction p+p c'est possible du point de vue des lois de conservation, grace à l'émission d'un positron et d'un neutrino lors de la transformation d'un des protons en un neutron... Malheureusement la section efficace de capture est microscopique (garantissant ainsi la longue durée de vie de la plupart des étoiles sur la séquence principale).
http://fr.wikipedia.org/wiki/Cha%C3%AEne_proton-proton

C'est bien là la grosse ironie du sort. La réaction de fusion la plus banale, celle qui fait briller tout l'univers est totalement inutilisable technologiquement (infiniment trop lente parce que faisant appel à l'interaction faible pour que p + p -> p + n)... snif...



a+

Gilgamesh a écrit:
J'avais cet espoir en me disant que les neutron finissent forcément par se thermaliser s'ils ne ragissent pas et que le nombre de réaction N sur une cible épaisse est
N = N0.(1-exp(-n.sigma.d))
N0 densité de particules projectiles (neutron), sigma section efficace, n densité de particule cible, d l'épaisseur.
Aussi petit que puisse être sigma (que j'aimerais quand même finir par connaitre), le terme exponentiel tendant vers 0 avec d je me disait que N -> N0 et que le neutron réagit forcément, sa demi-vie à l'état libre étant quand même d'1/4 d'heure, zut quoi !

J'ai donné la valeur de section efficace plus haut, à partir de laquelle tu pourrais calculer ton sigma, en fonction de la densité :
section=0.33 barn à 0.025 eV.
Je pense que tu ne l'avais pas trouvé parce qu'elle n'est pas pertinente dans le contexte de la fusion contrôlée, ni en astrophysique, car elle se produit à basse température (en gros, température ambiante terrestre).
Pour plus de précision, il faut plutôt chercher du côté de la techno des réacteurs à fission, demander à quelqu'un qui connait particulièrement la filière REP/PWR (dans le temps, il y avait un certain Narducio sur Futura, qui doit connaitre ça), qui doit avoir cette courbe de section efficace en fonction de T dans ses tablettes.
Par contre, je ne suis pas sûr que ta formule de décroissance exponentielle soit correcte, à cause de la diffusion. A vérifier.

Gilgamesh a écrit:
Pour ce qui est du contrôle de la fusion, vu la diversité des réactions de fusion à gérer, la fusion intertielle me semble actuellement la plus "souple" dans la mesure ou l'obtention d'intensité laser hyper élevée est d'ors et déjà d'actualité. Bien sur ça nécessité de produire des billes-cibles à des rythme assez impressionnant mais technologiquement c'est peut être comme de passer du microssillon au DVD... En plus dans tes premier calculs c'était la plus compacte.

J'ai bien une petite préférence pour la fusion inertielle pour les applications de propulsion, mais je ne suis pas si convaincu que les lasers soient la meilleure méthode d'amorçage pour cette application.
Mais bon, dans 300 ans, qui sait...

Gilgamesh a écrit:
J'ai posé la question dans la section Physique de Futura et mariposa (et mthéory confirmant vaguement) m'a répondu ça :

...

Je cale un peu j'avoue. Mais ça m'inquiète. Tu en dis quoi ?

A priori, les neutrons issus de la fusion ont une polarisation aléatoire (je vais vérifier) : on a aussi bien des neutrons qui ont la bonne valeur d'isospin, et qui peuvent former du deutérium, que des neutrons mal polarisés. Donc, rien d'inquiétant, celà limite seulement le rendement théorique de la réaction dans le cas où les nucléons ont une polarisation d'isospin aléatoire.

Gilgamesh a écrit:
merci en tout cas, c'est toujours un grand plaisir de discuter avec toi.

Idem. A bientôt :D

parfois j'ai l'impression de lire du chinois :scratch: :lol!:

ManouchKa a écrit:parfois j'ai l'impression de lire du chinois :scratch: :lol!:

Ce n'est pas une impression. :eeks:






Amitiés aux fondus de physique

Juste un petit mot avant d'aller déjeuner...

Ayé !!! j'ai enfin trouvé la dépendance de la section efficace de capture n-1H avec la température. Et j'ai même trouvé une relation empirique qui marche très bien (mieux que 10%) jusqu'à 15 keV

Avec s la section efficace en barn et E l'énergie du neutron en eV c'est de la forme toute simple :

Log(s) = a + b.log(E)

avec
a = -1,304152843
b = - 0,5038374631

Au dela de 15 keV ça dérape un peu mais bon, reste raisonnable (l'écart n'est même pas du simple au double).

a+