Polywell – koncepcja konstrukcji urządzenia do kontrolowanej syntezy termojądrowej. Energię jonom dostarcza pole elektrostatyczne, a plazma jest uwięziona magnetycznie i elektrostatycznie.
Nazwa polywell ("wielostudnia") jest hybrydą słów polyhedron (wielościan) oraz potential well (studnia potencjału).
Reaktor polywell składa się z cewek ułożonych w konfiguracji wielościanowej, w której pole magnetyczne więzi elektrony. Konfiguracja ta utrzymuje elektrony wewnątrz urządzenia, co wytwarza quasi-sferyczny ujemny potencjał elektryczny wykorzystywany do przyspieszania i uwięzienia jonów podlegających syntezie jądrowej.
Urządzenie zostało opracowane przez Roberta Bussarda w czasie realizacji kontraktu badawczego dla United States Navy jako rozwinięcie idei fuzora Farnswortha-Hirscha.
Zasada działania Problemy z fuzorami Farnswortha–Hirscha Tradycyjny fuzor Farnswortha–Hirscha składa się z komory próżniowej zawierającej dodatnio naładowaną siatkę zewnętrzną i ujemnie naładowaną siatkę wewnętrzną zawartą w niej; jest to w zasadzie lampa elektronowa ze sferycznymi siatkami. Syntezowalne jądra atomowe są wstrzykiwane jako jony do systemu, będąc odpychanymi przez zewnętrzną siatkę, a przyciąganymi przez wewnętrzną. W większości przypadków jony nie trafiają w siatkę, ale okazjonalnie, po upłynięciu wystarczająco długiego czasu, jądra zderzają się z siatką lub innymi wysokoenergetycznymi jądrami. Większość zderzeń z innymi jądrami nie powoduje wystąpienia syntezy jądrowej, ale od czasu do czasu synteza taka zachodzi. Przy chybieniu, jądra poruszają się w kierunku zewnętrznym i są odpychane przez zewnętrzną siatkę z powrotem w kierunku rdzenia. Bez ruchu elektronów i pól magnetycznych, nie występuje promieniowanie synchrotronowe, a poziom promieniowania hamowania (bremsstrahlung) jest niski.
Fundamentalny problem związany z tym tradycyjnym systemem jest w samej siatce, jądra zbyt często uderzają w siatkę. To uszkadza siatkę, prowadzi do utraty energii jonów, oraz (co najważniejsze), nagrzewa siatkę. Nawet jeśli pozostałe problemy nie byłyby krytyczne, to posiadanie drobnej siatki w reaktorze wytwarzającym wystarczającą ilość energii aby nadawał się do wykorzystania w elektrowni oznaczałoby z pewnością, że siatka natychmiast wyparowałaby.
Podejście zastosowane w polywell Tak jak fuzor, polywell więzi jony dodatnie poprzez ich przyciąganie do ujemnie naładowanych elektronów. Różnica polega na tym, że w fuzorze ładunki ujemne rezydują na siatce z ciała stałego. W polywell są one uwięzione w wewnętrznym rejonie reaktora przy użyciu pól magnetycznych. Obszar reaktora jest wyznaczony przez cewki wytwarzające pole magnetyczne, zamiast przez elektrycznie naładowane siatki. Przewaga cewek nad siatkami polega na tym, że pola magnetyczne wytwarzane przez cewki pomagają również ochronić je przed wysokoenergetycznymi elektronami i jonami. Z drugiej strony, polywell gromadzi elektrony i jony w jednej zamkniętej przestrzeni, wprowadzając ponownie promieniowanie hamowania, którego wytwarzaniu konstrukcja fuzora zapobiega.
Pole magnetyczne jest wytwarzane przez wielościanowo ułożone cewki, wszystkie skierowane do wewnątrz (lub na zewnątrz) reaktora. Pole magnetyczne zanika w centrum, a strumień indukcji magnetycznej wchodzący do reaktora przez cewki wychodzi z niego z powrotem przez przestrzenie pomiędzy cewkami. Zatem elektrony są uwięzione w centralnym obszarze przez lustro magnetyczne z dużym współczynnikiem pola, a wszystkie wierzchołki są punktami (a nie odcinkami). Jony mogą być dodawane dla wytworzenia plazmy, ale zawsze musi być więcej elektronów niż jonów aby utrzymać studnię potencjałuR.W. Bussard, "Method and apparatus for controlling charged particles" – patent USA 4826646 (1989-05-02)R.W. Bussard, "Method and apparatus for creating and controlling nuclear fusion reactions" – patent USA 5160695 (1992-11-03). Chociaż podejście to, w przeciwieństwie do oryginalnego fuzora, używa pól magnetycznych, to nie muszą one więzić jąder – a jedynie elektrony, które są o kilka rzędów wielkości łatwiejsze do uwięzienia.
Możliwe do zastosowania wielościany to te, które mają parzystą ilość ścian przy każdym wierzchołku, aby bieguny solenoidów mogły być przemienne. Nieskończenie wiele wielościanów spełnia ten wymóg, na przykład wszystkie antygraniastosłupy, 2n-kątne dwuostrosłupy oraz wszystkie rektyfikowane (w pełni przycięte) wielościany.
WB-6 jest sześcio-ośmiościanem. WB-8, planowany przez Bussarda, miałby być dwudziestodwunastościanem podwójnym. Te geometrie posiadają szereg interesujących właściwości. Kształt studni potencjału magnetycznego jest wielościanem dualnym maszyny. Każdy wielościan mógłby być skonstruowany na dwa różne sposoby z okrągłych cewek lub przewody mogłyby być poprowadzone wzdłuż krawędzi wielościanu tak, jak w wielościanowej siatce NPG Bussarda (istnieje ścieżka Eulera, ponieważ wszystkie wierzchołki są równe).
Pomimo początkowych trudności w sferycznym uwięzieniu elektronów, w momencie zakończenia projektu badawczego w roku 2005, Bussard zgłosił emisję neutronów na poziomie 109 na sekundę podczas syntezy D-D przy jedynie 12,5 kV (na podstawie detekcji w sumie 9 neutronów w pięciu testachFinal Successful Tests of WB-6, EMC2 Report, currently (July 2008) not publicly available, dających szeroki przedział ufności). Twierdził, że WB-6 uzyskał około 100000 razy większą emisję niż fuzor Farnswortha przy podobnej głębokości studni potencjału i warunkach działania.
Badacze z University of Wisconsin-Madison również zgłaszają uzyskanie emisji neutronów na poziomie do 5×109 na sekundę przy napięciach rzędu 120 kV z elektrostatycznym fuzorem bez pól magnetycznychUW-IEC Project.
Bussard twierdził, że zakładając zastosowanie nadprzewodników w cewkach, produkcja energii przez urządzenie rośnie proporcjonalnie do siódmej potęgi promienia, a zysk energetyczny proporcjonalnie do jego piątej potęgi. Chociaż Bussard nie udokumentował publicznie rozumowania wiodącego do tego oszacowaniaByć może zakładał, że rozkład energii jonów jest stały, pole magnetyczne proporcjonalne do wymiaru liniowego, a ciśnienie jonów (proporcjonalne do gęstości) jest z kolei proporcjonalne do ciśnienia magnetycznego proporcjonalnego do B². Proporcjonalność do R7 wynika z pomnożenia gęstości mocy syntezy (proporcjonalnej do kwadratu gęstości, lub B4) przez objętość (proporcjonalną do R³). Z drugiej strony, jeśli jest istotnym zachowanie stosunku długości Debye’a lub gyroradiusu do rozmiaru maszyny, to siła pola magnetycznego musiałaby być odwrotnie proporcjonalna do promienia, czyli produkcja energii większej maszyny byłaby tak naprawdę niższa niż u mniejszej., to jeśli okazałoby się ono poprawne, to model zaledwie dziesięć razy większy byłby użyteczny jako elektrownia jądrowa, Robert W. Bussard, Ph.D., 57th International Astronautical Congress, October 2-6, 2006.
Porównanie z konwencjonalnymi koncepcjami uwięzienia Koncepcja Polywell jest spokrewniona z różnymi innymi koncepcjami dotyczącymi uwięzienia plazmy, lecz różni się istotnie od wszystkich z nich. Jest najbliższa do koncepcji fuzora, który (podobnie jak polywell) więzi jony używając skierowanego do wewnątrz pola elektrycznego, lecz w odróżnieniu od polywell wymaga siatki elektrod w formie ciała stałego wewnątrz masy plazmowej. Oba z zamierzenia operują na wysoko nietermicznych, w idealnym przypadku monoenergetycznych rozkładach energii jonów. Jeśli energie jonów mogą być utrzymane w pobliżu optymalnej wartości, tempo reakcji dla danego ciśnienia plazmy może być kilkukrotnie wyższe od maksymalnego tempa możliwego dla jonów o rozkładzie termicznym. Z drugiej strony, kolizje i zbiorcze niestabilności mają tendencję do przywracania rozkładu termicznego, tak więc ogólnie utrzymanie monoenergetycznego rozkładu jest kosztowne.
Polywell różni się od fuzora tym, że elektrony są uwięzione magnetycznie, tak więc jest również spokrewniona z magnetycznym uwięzieniem plazmy, w tym najbardziej z odmianą z użyciem lustra magnetycznego. Wspólne z lustrami magnetycznymi jest minimum pola w centralnym obszarze, uwięzienie (częściowo) przy użyciu efektu lustra magnetycznego, oraz (przynajmniej do pewnego stopnia) nietermiczny rozkład energii elektronów. W niektórych konfiguracjach lustra, pole w centrum stanowi minimum w każdym kierunku – tak, jak w centralnym obszarze polywell. W takim przypadku mówi się, że pole magnetyczne posiada "dobrą krzywiznę", ponieważ pewna klasa fluktuacji jest stabilna w plazmie uwięzionej przez takie pole. W przeciwieństwie do maszyn lustrzanych, polywell nie tylko posiada minimum natężenia pola w centrum – pole całkowicie tam zanika. Polywell nie posiada również osi magnetycznej, ale wielościanową symetrię.
Obecnie najbardziej aktywnie rozwijaną koncepcją uwięzienia plazmy jest tokamak, koncepcja stojąca za projektem ITER. Reaktor fuzyjny z pozytywnym bilansem energetycznym oparty na tokamaku byłby z pewnością olbrzymią i złożoną maszyną. W przeciwieństwie do tego, reaktor polywell o porównywalnej mocy, jeśli jest możliwy do zbudowania, byłby znacznie mniejszy, prostszy i bardziej opłacalny. Tokamak posiada kształt toroidalny z zagnieżdżonymi powierzchniami strumienia, tak więc zarówno jony, jak i elektrony mogą być utracone jedynie przez transport w poprzek linii pola magnetycznego. (głównie jako wynik niestabilności z bardzo krótką długością fali). Uwięzienie cząstek w reaktorze polywell jest bardziej złożone, dotyczy zarówno pól magnetycznych, jak i elektrycznych, transportu cząstek zarówno w poprzek jak i wzdłuż linii pola magnetycznego oraz innych procesów dla jonów niż dla elektronów.
Możliwość uzyskania dodatniego bilansu energetycznego Bussard twierdził, że to urządzenie może działać produkując więcej energii niż pochłaniając, na fuzji aneutronowej opartej na paliwie z boru-11 i protonów. Pozostaje tematem kontrowersji czy jony i elektrony ulegną termalizacji i czy straty na promieniowaniu hamowania wyemitują więcej energii w nieodzyskiwalnej formie niż może być wytworzone przez reakcję syntezy.
Todd Rider oblicza, że straty na promieniowaniu hamowania z tym paliwem w odniesieniu do produkcji energii z syntezy wyniosą 1,20:1,00.Fundamental limitations on fusion systems not in equilibrium p161 Bussard twierdził, że według jego obliczeń straty stanowią około 5% tej wartości, a zatem uzyski większe od jedności są możliwe, R.W. Bussard and K.E. King, EMC2, Technical Report EMC2-0891-04, July, 1991.
Według Bussarda wysoka prędkość jonów w rdzeniu, a zatem ich mały przekrój dla kolizji Coulomba czyni termalizujące kolizje bardzo mało prawdopodobnymi, a niska prędkość na obrzeżu oznacza, że termalizacja tam prawie nie wywiera wpływu na prędkość jonów w rdzeniu.
Inna publikacja na temat wykonalności syntezy IEC, używająca w pełni odbiciowo uśrednionego operatora równania Fokkera-Plancka, zakończona jest wnioskiem, że systemy IEC mogłyby uzyskać wysokie współczynniki uzysku energii z syntezy jądrowej (wartości Q). Jednakowoż, reakcja deuter-tryt byłaby konieczna dla zminimalizowania potencjału operacyjnego oraz strat na promieniowaniu hamowania, aby uzyskać wysokie Q. "Energy gain calculations in Penning fusion systems using a bounce-averaged Fokker–Planck model", Chacon, Barnes, Miley and Knoll, Phys. Plasmas 7, 4547 (2000); DOI:10.1063/1.1310199
Historia Podstawowa idea reaktora polywell została opracowana w roku 1983.
Badania były finansowane przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych od roku 1987, a United States Navy zaczęła dostarczać finansowania dla projektu na niskim poziomie w roku 1992.
Bussard, który wcześniej był zwolennikiem badań nad tokamakami, w 1995 roku wysłał list do Kongresu Stanów Zjednoczonych deklarując, że wspierał tokamaki jedynie po to, aby skłonić rząd do sponsorowania badań nad syntezą jądrową, ale że obecnie wierzy w istnienie lepszych alternatyw niż tokamaki.