DOW-UAP-D125: היתוך בכליאה אלקטרוסטטית אינרציאלית (IEC) - מקורות נייטרונים, מנועי חלל והדרך לדלק מימן-בור

קובץ: DOW-UAP-D125_AAWSA-DIRD-Inertial-Electrostatic-Confinement-Fusion-March-10-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), המשרד להתרעה ביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSAP סוג מסמך: מסמך עיון מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD), סדרת Acquisition Threat Support; מספר בקרה DIA-08-1003-006 תאריך: 10 במרץ 2010 (ICOD, מועד חיתוך המידע: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY (סימון ה-FOUO מחוק בקו; שוחרר לציבור ב-2026) מספר עמודים: 72 VIRIN: 260918-D-D0360-1114 שחרור PURSUE: 6

תקציר

זהו מסמך העיון המודיעיני (DIRD) הארוך ביותר מבין 37 מסמכי ה-DIRD של תוכנית AAWSAP שפורסמו בשחרור 6: 72 עמודים, מהם שבעה עמודי פתיחה ו-65 עמודי גוף ממוספרים. הוא נושא את התאריך 10 במרץ 2010, את מספר הבקרה DIA-08-1003-006 ואת תווית הסדרה Acquisition Threat Support. עמוד השער מציין שהוכן בידי חטיבת התמיכה ברכש (Acquisition Support Division, DWO-3) של המשרד להתרעה ביטחונית, באגף הניתוח של DIA. שם המחבר הושחר והוחלף בכינוי AAP Person 70. ההערה המנהלית קובעת שזהו "one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009" במסגרת תוכנית AAWSA, ומפנה שאלות אל AAP Person 1, מנהל התוכנית, בבניין 6000 בוושינגטון. אזהרת זכויות יוצרים אוסרת הפצה נוספת של התצלומים.

נושא המסמך הוא היתוך בכליאה אלקטרוסטטית אינרציאלית (Inertial Electrostatic Confinement, IEC): גישה שבה שדה חשמלי, ולא שדה מגנטי או קרני לייזר, מרכז יונים של דלק היתוך בנקודה אחת. הדוח בנוי משישה פרקים: רקע ויסודות, ניסויים נבחרים, גיאומטריות חלופיות, תאוריה, יישומים אפשריים, וניסוי מוצע להשגת נקודת האיזון האנרגטי (breakeven), שבה אנרגיית ההיתוך שווה לאנרגיה המושקעת. הוא כולל 45 איורים וארבע טבלאות, והמחבר מציין בהקדמה שנמנע במכוון ממשוואות "to enhance readability and to stress concepts rather than analysis". הדגש, כך נכתב שם, הוא על עבודה שנעשתה באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין (UIUC).

השורה התחתונה כפולה. מצד אחד, המסמך מודה שהמכשירים הקיימים רחוקים מאוד מהפקת אנרגיה נטו. מצד שני, הוא טוען שה-IEC כבר מועיל כמקור קומפקטי של נייטרונים, פרוטונים וקרני רנטגן, ושהוא אחת הדרכים הבודדות שעשויות לאפשר שריפת דלק מימן-בור (p-11B) כמעט ללא נייטרונים. המסמך אינו מזכיר עב"מים, UAP או תופעות בלתי מזוהות, ואינו כולל הערכת איום של תוכניות זרות.

מאמר מחקר

כדור, רשת ובאר פוטנציאל

הפרק הראשון מתאר את המכשיר הבסיסי (איור 1.1, עמוד 8): רשת תיל כדורית התלויה במרכז כלי ואקום מתכתי. התא נשאב תחילה ללחץ של 10⁻⁷ טור, ואז מוזרם אליו גז דלק, בדרך כלל דאוטריום. המתח השלילי הגבוה על הרשת יוצר פריקת פלזמה בינה לבין הדופן, שולף ממנה יונים ומאיץ אותם אל המרכז. הבעיה, כפי שהמחבר מציין, היא שחתך הפיזור (scattering) גדול מחתך ההיתוך, ולכן רוב היונים חולפים זה על פני זה בלי להתמזג. הפתרון של ה-IEC הוא "באר פוטנציאל" (potential well) שנוצרת מהצטברות מטען חיובי במרכז: היונים אינם יכולים להגיע לדופן, והם נעים הלוך ושוב דרך הליבה. לפי המסמך נדרשים בדרך כלל כאלף מעברים כאלה.

המסמך ממקם את הגישה ביחס לקריטריון לוסון (Lawson criterion), התנאי לכך שכור יחזיר את האנרגיה שהושקעה בו: nτ = 10¹⁴ cm⁻³·s בטמפרטורה מעל 15 קילו-אלקטרון-וולט עבור דאוטריום-טריטיום (עמוד 9). בכליאה מגנטית הצפיפות מוגבלת לכ-10¹⁴ יונים לסמ"ק ולכן נדרש זמן כליאה של כשנייה; בהיתוך בלייזר הדחיסה מגיעה לכ-10²⁴ ומספיקות 10⁻¹⁰ שניות; ב-IEC, לפי המסמך, צפיפות של 10¹⁶ בליבה מחייבת זמן כליאה של 10⁻² שניות בלבד. יתרון נוסף הוא שהיונים מואצים ישירות לכ-80 אחוז ממתח הרשת, כך שכבר כ-25 קילו-וולט מספיקים לאנרגיה הנדרשת, בעוד שטוקמקים נאבקים לחמם את הפלזמה כולה.

ההבחנה שחוזרת לאורך כל הדוח היא בין היתוך "קרן-רקע" (beam-background), שבו יונים מואצים פוגעים בגז הרקע, לבין היתוך "קרן-קרן" (beam-beam), שבו יונים מתנגשים זה בזה בליבה. הראשון מספיק למקורות נייטרונים; השני, שקצבו עולה בריבוע הזרם, הכרחי לכור. המחבר מתאר גם את "מצב הכוכב" (STAR mode), שבו קרני יונים עוברות במרכז פתחי הרשת ומפחיתות את שחיקתה, ומזהיר ש"physical grids are subject to damage at high power levels" (עמוד 19). כור אמיתי, לדבריו, יזדקק לאלקטרודות וירטואליות במקום רשת.

מפרנסוורת' ועד יוטיוב: היסטוריה ומימון

לפי המסמך, את הרעיון הגה ב-1955 פילו פרנסוורת' (Philo Farnsworth), "the inventor of electronic television", בתקופה שבה רוב המדענים פסלו כליאה אלקטרוסטטית בגלל משפט ארנשו (Earnshaw's theorem). רוברט הירש (Robert L. Hirsch), שעבד עם פרנסוורת', הפעיל ניסוי עם שישה "תותחי יונים" שהגיע ליותר מ-10⁹ נייטרונים של דאוטריום-טריטיום בשנייה ב-150 קילו-וולט (איור 2.2, עמוד 21). המסמך מציין שתוצאה זו "never been fully explained", ושחוקרים מאוניברסיטת בריגהאם יאנג, ששאלו את המכשיר המקורי, לא הצליחו לשחזר אותה למרות חודשים של עבודה.

את התחייה המאוחרת מייחס המסמך לר"ו בוסארד (R. W. Bussard) ולמכשיר ה-Polywell שלו, שבו שדה מגנטי כולא אלקטרונים והם יוצרים את הבאר ליונים. לפי הדוח, עבודתו נמשכה "with strong funding from the military", אך מעט פורסם עליה עד 2008, כשפנה בפומבי ביוטיוב כדי לחדש מימון שנעצר. אחרי מותו עברו החברה והעבודה לר' נבל (R. Nebel), ובעמוד 17 נאמר שהגישה נחקרת בחברת EMC2 בסנטה פה "with significant DOD funding". משרד האנרגיה, לעומת זאת, אינו מממן את התחום כלל. המסמך סוקר גם את מלכודת פנינג (Penning trap) ואת מכשיר ה-POPS, שהניסויים בו במעבדת ליברמור צומצמו אחרי שאנשי מפתח עברו ל-EMC2.

המחבר מסייג בעצמו את היקף הסקירה: היא "largely provides details based on the author's work on IECs over the last decade", ולכן, כלשונו, "will not do justice to the ongoing work by others" (עמוד 11).

מן המעבדה לשטח: מקורות נייטרונים ובידוק מטענים

היישום היחיד שהגיע לשטח, לפי המסמך, הוא מקור נייטרונים קטן לניתוח שפעול נייטרונים (neutron activation analysis, NAA). צוות שעבד במעבדה הלאומית של איידהו החליף את משאבות הוואקום בחומר סופח (getter), וכך נוצרה יחידה אטומה ונישאת. דיימלר-קרייזלר רכשה רישיון לטכנולוגיה והשתמשה ביחידות כאלה בגרמניה על מסועי עפרות, במקום מקורות קליפורניום-252 (עמוד 24); תוכניתה למכור יחידות מסחריות לא התממשה בגלל קשיים כספיים של החברה. באוניברסיטת קיוטו פותח מקור IEC שהורכב על מנוף לגילוי מוקשים, והמסמך מציין שנדרשה לו תפוקה של כ-10⁸ נייטרונים; גם פרויקט זה "was terminated prematurely due to financial constraints".

פרק היישומים (עמודים 53 עד 60) מתאר בפירוט תחנת בידוק משולבת: מקורות IEC גליליים של נייטרונים באנרגיות 2.45 ו-14.1 מגה-אלקטרון-וולט, לצד מקור רנטגן מאותה משפחה, שבו מתח של כ-120 קילו-וולט מפיק קרני רנטגן של כ-80 קילו-וולט. מערך גלאים ומערכת "לוגיקה עמומה" (fuzzy logic) אמורים להחליט אוטומטית אם לשחרר מזוודה או מכולה. רשימת פריטי הבדיקה כוללת את חומרי הנפץ RDX, TNT, PETN, TATB וטטריל, את Semtex ו-C-4, אורניום טבעי, קוקאין והרואין, ואף יין וסכו"ם. המערכת מתוכננת גם לפלטפורמות ניידות: "vans, law enforcement vehicles or light military trucks". חשוב לציין שמדובר בתכנון: המסמך אינו מדווח על ניסוי שדה של התחנה המשולבת.

מנוע סילון, דיפול וחללית היתוך לצדק

פרק הגיאומטריות החלופיות מציג "מנוע סילון IEC" (IEC jet thruster) ללוויינים: הגדלת אחד מפתחי הרשת יוצרת סילון פלזמה צפוף. במכשיר הניסויי, מתוך כ-2 קילוואט הספק כניסה יותר מ-1.5 קילוואט יוצאים בסילון, ולפי הנתונים והסימולציות יותר מ-95 אחוז מהיונים נפלטים באנרגיה מלאה (עמוד 32). טבלה 3.1 (עמוד 35) מעריכה מנוע קסנון עם דחף סגולי (specific impulse) של 3,000 שניות, דחף של 34 מיליניוטון, הספק כניסה של 750 עד 800 וואט ויעילות של 62 עד 68 אחוז. אלא שאלה ערכים "estimated", המבוססים על נתונים חלקיים ועל השלכה ממנועי יונים אחרים, והאנרגיה המושקעת ליון "has not been established experimentally".

בפסקה אחת מופיעה המסגרת הצבאית המפורשת היחידה בדוח: פתיחת סילון שני, בזווית של 180 מעלות, כדי לחקור מטרה בלי לסובב את הפלטפורמה, והפעלה פולסית שעשויה לנטרל "מטרה מתגוננת" (defensive target) לפני שתספיק לתמרן (ראו ציטוט). המחבר מוסיף מיד שעד כה נחקר הסילון רק בהפעלה רציפה.

הפרק מתאר גם את ה-DaIEC, שבו מגנט דיפול במרכז הכדור דוחס את קרני היונים; בניסוי נמדדה עלייה של פי 17 בערך בצפיפות האלקטרונים (עמוד 38), אך הקונפיגורציה "has received little experimental study". בפרק היישומים מופיע השיא הספקולטיבי של הדוח, "Fusion Ship II" (עמודים 61 עד 63): חללית מאוישת באורך 300 מטר ובמסה של 500 טון, עם עשרה כורי IEC של דאוטריום-הליום-3 בשתי שדרות של 175 מטר, ממירי אנרגיה ישירים (TWDEC) ו-750 מגה-ואט חשמל למנועי יונים של ארגון בדחף סגולי של 35,000 שניות. לפי המסמך, הטיסה לצדק תימשך 210 ימים הלוך ו-153 ימים חזור, בשינוי מהירות (ΔV) של 220 קילומטר לשנייה. טבלה 5.2 משווה אותה לחללית מבוססת טוקמק כדורי במסה של 1,690 טון. המחבר עצמו מסכם ש"Space propulsion and related space power seems quite far term", ועל מערך ה-MCSA, שרשרת כורים מצומדים מגנטית, הוא כותב שעקרונותיו טרם הודגמו בניסוי.

ויכוח התאוריה: נווינס, צ'אקון ורייד

פרק התאוריה הוא החלק הביקורתי ביותר. הוא נפתח במחקר של ביל נווינס (W. M. Nevins) מ-1995, שלדברי המסמך "has caused concern in the community" (עמוד 41). נווינס חישב שהיונים יתפזרו להתפלגות תרמית לפני שיתרחשו מספיק תגובות, ושמקדם ההגבר Q (הספק היתוך חלקי ההספק המושקע) של תערובת דאוטריום-טריטיום בבאר ריבועית של 50 קילו-וולט יהיה כ-0.21 בלבד. המחבר טוען שההנחות "subtle" ופסימיות, ומציג את עבודתו של לואיס צ'אקון (L. Chacon), שמודל פוקר-פלאנק שלו מצא ערכי Q של מאות, בתנאי שהבאר עמוקה מ-100 קילו-וולט (עמודים 42 עד 43). המסמך מודה שחישובים אלה "ignore electron Bremsstrahlung loss".

הניתוח של טוד ריידר (Todd Rider) מ-1995 פוגע בדיוק בנקודה הזו: לפי סיכום המסמך, ריידר מצא שאובדני קרינת הבלימה (Bremsstrahlung) יהיו גבוהים באופן בלתי קביל לדלקים מתקדמים כמו מימן-בור. המחבר משיב שריידר השתמש בממוצעים של התפלגות מקסוול, שאינם מתאימים ל-IEC, ושהניתוח צריך להיעשות מחדש, אך מודה שניתוח מתוקן כזה טרם פורסם (עמוד 51). מחקרים נוספים מתוארים כמעודדים, עם הסתייגויות: צוננב (Tzonev) ועמיתיו מצאו בארות כפולות עמוקות בזרמים של 30 עד 60 אמפר, אך רדיוס הליבה, 0.4 עד 0.9 ס"מ, קטן מכדי להפיק הספק שימושי; ומחקר היציבות של ה"ג קים (H. J. Kim) מצא "חלון יציבות", שלדברי המסמך יש לאמת בניסוי. הקורא צריך לזכור שהסקירה נכתבה מנקודת מבטו של מי שמקדם את הגישה, ולא כהכרעה ניטרלית בין הצדדים.

ההצעה: 12 תותחי יונים ודלק מימן-בור

הפרק האחרון (עמודים 67 עד 72) נפתח בהודאה שהמכשירים הטובים ביותר רחוקים "5 or 6 orders of magnitude" מנקודת האיזון. בהקדמה (עמוד 7) נכתב "four to five orders of magnitude", כך שהמסמך אינו עקבי לגבי גודל הפער. הטיעון המרכזי הוא שב-IEC האובדנים מתרחשים "במרחב המהירויות" ולא דרך פני השטח, ולכן אפשר לשפר את ההגבר בלי להגדיל את המכשיר, בניגוד לטוקמקים ענקיים כמו ITER. בהקשר זה מביא המחבר את דבריו של סגן מנהל במעבדת ליברמור: "Fusion is irrelevant- no politicians even mention it in the energy scenario".

היעד הוא דלק מימן-בור, שתגובתו p + ¹¹B מפיקה שלושה חלקיקי אלפא ללא נייטרונים. לשם כך נדרשות אנרגיות של כ-150 קילו-אלקטרון-וולט, מתח של כ-180 קילו-וולט ו-nτ של כ-10¹⁶, פי מאה מהנדרש לדאוטריום-טריטיום, כלומר זמני לכידה של כשנייה (עמוד 68). הניסוי הקיים ב-UIUC, כדור בקוטר 16 אינץ' עם תותח יונים אחד בתדר רדיו (RF), מפיק כ-10⁸ תגובות בשנייה בזרם של כ-50 מיליאמפר, עם כשני מעברים בלבד ליון ו-Q בסדר גודל של 10⁻⁶. ההצעה: 12 תותחים, שאיבה דיפרנציאלית, ופולסים של כמגה-ואט למשך אלפית שנייה בתדירות של 0.01 הרץ. לפי נוסחת ההגבר של המסמך, Q ∝ βI/a², מספר המעברים β יעלה לכאלף, הזרם ל-6,000 מיליאמפר ורדיוס הליבה יקטן פי עשרה; כך יגדל Q בכ-10⁸ ויגיע ל-Q=1 עבור מימן-בור, או בלשון המסמך "Q=100 DT equivalent breakeven!" (עמוד 71). כדי לחסוך בפיתוח ובמיגון, הניסוי יתבצע בפלזמת מימן שתדמה את תנאי המימן-בור.

שני סייגים ראויים לציון. ראשית, הכפלת שלושת השיפורים שהמסמך מונה (פי 500 במעברים, פי 120 בזרם ופי 100 מהקטנת הרדיוס) נותנת כ-6×10⁶, והמסמך אינו מראה כיצד הגיע ל-10⁸. שנית, ההצעה אינה נוקבת בתקציב או בלוח זמנים בשנים; היא מסתפקת בקביעה שאין "show stoppers" ושהאתגר העיקרי הוא מימון.

משמעות

מבין 12 התחומים הטכניים בהצהרת היעדים של AAWSAP (D110), המסמך משרת בעיקר את הפקת האנרגיה (power generation) ואת ההנעה (propulsion), ובמידה פחותה נושאים תומכים של חישה וגילוי. ההיגיון ברור: מקור אנרגיה קומפקטי, כמעט ללא נייטרונים, הוא מה שכל מערכת הנעה מתקדמת זקוקה לו. אבל המסמך אינו מזכיר עב"מים, UAP או כלי טיס חריגים, אינו עוסק בפלטפורמות תעופה, ואינו כולל הערכת איום של תוכניות זרות, למרות תווית Acquisition Threat Support שעל שערו. זו סקירה מדעית-הנדסית של תחום שולי, מנקודת מבטו של חוקר שמקדם אותו.

ערכו הארכיוני הוא בכך שהוא מראה מה הזמינה תוכנית AAWSAP: לא רק נושאים ספקולטיביים, אלא גם סקירה של מחקר מעבדתי קיים, עם מספרים מדידים ועם הודאות גלויות בפער בין המעבדה לכור. הוא גם מתעד, מנקודת מבטו, את מפת המימון של התחום ב-2009: מימון צבאי ל-Polywell, אפס מימון ממשרד האנרגיה, ופרויקטים יישומיים בגרמניה וביפן שנסגרו מחוסר תקציב. תקציר war.gov תואם את הקריאה הזו: מושג מעניין אך ספקולטיבי, שהיישומים הצדדיים שלו סבירים יותר מחזון הכור והחללית. כמו בכל מסמכי הסדרה, התוכן משקף את מצב הידע בשנים 2009 עד 2010 ואינו מעיד על אימות עכשווי.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"Present experimental devices are four to five orders of magnitude below breakeven (energy out/in = 1) energy gain for p-11B." (המכשירים הניסויים הקיימים נמצאים ארבעה עד חמישה סדרי גודל מתחת לנקודת האיזון (אנרגיה יוצאת חלקי נכנסת = 1) בהגבר האנרגיה עבור p-11B.) -- עמוד 7

"At this point the IEC still receives no funding from DOE which remains focused on the Tokamak route to fusion power." (בשלב זה ה-IEC עדיין אינו מקבל מימון ממשרד האנרגיה, שנותר ממוקד בדרך הטוקמק לאנרגיית היתוך.) -- עמוד 11

"Thus, with little funding, slow progress has been made in answering the key question of whether or not the IEC can be developed for fusion power." (לכן, במימון מועט, התקדמו לאט במענה על שאלת המפתח אם ניתן לפתח את ה-IEC לאנרגיית היתוך.) -- עמוד 11

"The use of an intense pulsed jet could disable the target before it has time to maneuver or apply defensive layers." (שימוש בסילון פולסי עוצמתי עשוי לנטרל את המטרה לפני שתספיק לתמרן או להפעיל שכבות הגנה.) -- עמוד 30

"Certainly reducing radiation losses should be an ongoing study, but his pessimism appears to be overdone." (ודאי שהפחתת אובדני הקרינה צריכה להיות נושא מחקר מתמשך, אך נראה שהפסימיות שלו מוגזמת.) -- עמוד 51

"Fusion Ship II would be one of the largest propelled vehicles ever built, although its mass would be ¼ that of the Space Shuttle at liftoff." (Fusion Ship II תהיה אחד מכלי הרכב המונעים הגדולים ביותר שנבנו אי פעם, אף שמסתה תהיה רבע ממסת מעבורת החלל בהמראה.) -- עמוד 62

"These physical principles have not yet been demonstrated experimentally, but formulated initial tests could be done with a modest size experiment." (עקרונות פיזיקליים אלה טרם הודגמו בניסוי, אך ניסויים ראשוניים מתוכננים יכולים להיעשות בניסוי בגודל צנוע.) -- עמוד 66

"There are no 'show stoppers' however, so the road map to IEC fusion power seems clear. The main challenge is to find funding sources with the 'will' to proceed." (עם זאת אין "מכשולים עוצרים", ולכן מפת הדרכים לאנרגיית היתוך ב-IEC נראית ברורה. האתגר העיקרי הוא למצוא מקורות מימון בעלי "רצון" להתקדם.) -- עמוד 72