stringtranslate.com

Анейтронный синтез

Литий-6 – реакция синтеза дейтерия : реакция анейтронного синтеза, в которой выделяющаяся энергия переносится альфа-частицами , а не нейтронами.

Анейтронный синтез — это любая форма термоядерной энергии , при которой очень небольшая часть выделяемой энергии переносится нейтронами . В то время как реакции ядерного синтеза с самым низким порогом выделяют до 80% своей энергии в виде нейтронов , анейтронные реакции выделяют энергию в виде заряженных частиц , обычно протонов или альфа-частиц . Успешный анейтронный синтез значительно уменьшит проблемы, связанные с нейтронным излучением, такие как разрушительное ионизирующее излучение , активация нейтронов , техническое обслуживание реактора и требования к биологической защите, дистанционному обращению и безопасности.

Поскольку преобразовать энергию заряженных частиц в электрическую энергию проще, чем преобразовать энергию незаряженных частиц, анейтронная реакция была бы привлекательна для энергосистем. Некоторые сторонники видят потенциал значительного снижения затрат за счет преобразования энергии непосредственно в электричество, а также за счет устранения излучения нейтронов, от которого трудно защититься. [1] [2] Однако условия, необходимые для использования анейтронного синтеза, гораздо более экстремальные, чем те, которые необходимы для термоядерного синтеза дейтерия-трития (DT), такого как в ИТЭР .

История

Первые эксперименты в этой области начались в 1939 году, а серьезные усилия продолжались с начала 1950-х годов.

Одним из первых сторонников был Ричард Ф. Пост из Лоуренса Ливермора . Он предложил улавливать кинетическую энергию заряженных частиц, выходящих из термоядерного реактора, и преобразовывать ее в напряжение для возбуждения тока. [3] Пост помог разработать теоретические основы прямого преобразования, позже продемонстрированные Барром и Мойром. В ходе эксперимента с тандемным зеркалом в 1981 году они продемонстрировали эффективность улавливания энергии на уровне 48 процентов. [4]

Технология Polywell была впервые предложена покойным Робертом Бассардом в 1995 году и финансировалась ВМС США . Polywell использует инерционное электростатическое удержание . Он основал EMC2, чтобы продолжить исследования Polywell. [5] [6]

Пикосекундный импульс 10-тераваттного лазера произвел анейтронный синтез водорода и бора для российской команды в 2005 году. [7] Однако количество образующихся α-частиц (около 10 3 на лазерный импульс) было небольшим.

В 2006 году Z-машина в Сандианской национальной лаборатории , устройство z-пинча , достигла 2 миллиардов кельвинов и 300 кэВ. [8]

В 2011 году организация Lawrenceville Plasma Physics опубликовала первоначальные результаты и изложила теорию и экспериментальную программу анейтронного синтеза с фокусом плотной плазмы (DPF). [9] [10] Первоначально проект финансировался Лабораторией реактивного движения НАСА . [11] Поддержка других исследований анейтронного термоядерного синтеза DPF исходила от Исследовательской лаборатории ВВС . [12]

Французская исследовательская группа синтезировала протоны и ядра бора-11, используя ускоренный лазером протонный пучок и лазерный импульс высокой интенсивности. [13] В октябре 2013 года они сообщили о примерно 80 миллионах термоядерных реакций во время лазерного импульса длительностью 1,5 наносекунды. [13]

В 2016 году команда Шанхайской академии наук Китая произвела лазерный импульс мощностью 5,3 петаватта с помощью сверхинтенсивной сверхбыстрой лазерной установки (SULF) и, как ожидается, достигнет мощности 10 петаватт с тем же оборудованием. [14]

В 2021 году компания TAE Technologies объявила, что ее устройство Norman регулярно производит стабильную плазму при температуре более 50 миллионов градусов. [15]

В 2021 году российская группа сообщила об экспериментальных результатах миниатюрного устройства с электродинамическим (колебательным) удержанием плазмы . В нем использовался наносекундный вакуумный разряд ~1–2 Дж с виртуальным катодом. Его поле ускоряет ионы и протоны бора до ~100–300 кэВ при столкновениях осциллирующих ионов. α-частицы размером около5 × 10 4 /4π (~10 α-частиц/нс) были получены в течение 4 мкс приложенного напряжения. [16]

Австралийская дочерняя компания HB11 Energy была создана в сентябре 2019 года. [17] В 2022 году они заявили, что являются первой коммерческой компанией, продемонстрировавшей термоядерный синтез. [18] [19]

Определение

Реакции синтеза можно разделить на категории в зависимости от их нейтронности: доли энергии термоядерного синтеза, выделяемой в виде энергичных нейтронов. В штате Нью-Джерси анейтронная реакция определяется как реакция, в которой нейтроны переносят не более 1% от общей выделяемой энергии, [20], хотя во многих статьях на эту тему [21] встречаются реакции, не отвечающие этому критерию.

Кулоновский барьер

Кулоновский барьер — это минимальная энергия, необходимая ядрам в реакции синтеза для преодоления взаимного электростатического отталкивания . Сила отталкивания между частицей с зарядом +Z 1 и частицей с +Z 2 пропорциональна (Z 1 ×Z 2 )/r 2 , где r — расстояние между ними. Кулоновский барьер, стоящий перед парой реагирующих заряженных частиц, зависит как от общего заряда, так и от того, насколько равномерно эти заряды распределены; Барьер является самым низким, когда частица с низким Z реагирует с частицей с высоким Z, и самым высоким, когда реагенты имеют примерно одинаковый заряд. Таким образом, энергия барьера минимизируется для тех ионов с наименьшим количеством протонов .

Как только ядерные потенциальные ямы двух реагирующих частиц окажутся в пределах двух протонных радиусов друг от друга, они могут начать притягивать друг друга посредством ядерной силы . Поскольку это взаимодействие намного сильнее, чем электромагнитное, частицы будут притягиваться друг к другу, несмотря на продолжающееся электрическое отталкивание, высвобождая ядерную энергию. Однако ядерная сила — это сила очень ближнего действия, поэтому было бы несколько упрощенно говорить, что она увеличивается с увеличением числа нуклонов . Это утверждение верно при описании объемной энергии или поверхностной энергии ядра, менее верно при рассмотрении кулоновской энергии и вообще не говорит о балансе протонов и нейтронов. Как только реагенты преодолевают кулоновский барьер, они попадают в мир, где доминирует сила, которая не ведет себя как электромагнетизм.

В большинстве концепций термоядерного синтеза энергия, необходимая для преодоления кулоновского барьера, обеспечивается столкновениями с другими ионами топлива. В термализованной жидкости, такой как плазма, температура соответствует энергетическому спектру согласно распределению Максвелла-Больцмана . Газы в этом состоянии содержат частицы с высокой энергией, даже если средняя энергия намного ниже. Устройства Fusion полагаются на это распределение; даже при объемных температурах, намного ниже энергии кулоновского барьера, энергия, выделяемая в результате реакций, достаточно велика, и захват некоторой ее части может обеспечить достаточное количество высокоэнергетических ионов для продолжения реакции.

Таким образом, устойчивая работа реактора основана на балансе между скоростью добавления энергии к топливу в результате реакций синтеза и скоростью потери энергии в окружающую среду. Эту концепцию лучше всего выразить как тройное произведение термоядерного синтеза , произведение температуры, плотности и «времени удержания», количества времени, в течение которого энергия остается в топливе, прежде чем уйти в окружающую среду. Произведение температуры и плотности дает скорость реакции для любого данного топлива. Скорость реакции пропорциональна ядерному сечению (σ). [1] [22]

Любое устройство может выдерживать некоторое максимальное давление плазмы. Эффективное устройство будет постоянно работать вблизи этого максимума. При таком давлении наибольшая мощность термоядерного синтеза достигается, когда температура такова, что <σv>/T 2 является максимальным. Это также температура, при которой значение тройного произведения nT τ, необходимое для воспламенения, является минимальным, поскольку это требуемое значение обратно пропорционально <σv>/T 2 . Плазма «зажигается», если реакции термоядерного синтеза производят достаточно энергии для поддержания температуры без внешнего нагрева.

Поскольку кулоновский барьер пропорционален произведению количества протонов (Z 1 ×Z 2 ) двух реагентов, разновидности тяжелого водорода, дейтерия и трития (D–T), дают топливо с самым низким общим кулоновским барьером. Все другие потенциальные виды топлива имеют более высокие кулоновские барьеры и, следовательно, требуют более высоких рабочих температур. Кроме того, топливо D–T имеет самое высокое ядерное сечение, а это означает, что скорость реакции выше, чем у любого другого топлива. Это делает слияние D–T наиболее простым в достижении. Сравнение потенциала других видов топлива с реакцией D – T. В таблице ниже показаны температура воспламенения и сечение трех возможных анейтронных реакций по сравнению с D – T:

Самая легковоспламеняющаяся из анейтронных реакций, D– 3 He, имеет температуру воспламенения более чем в четыре раза выше, чем у реакции D–T, и соответственно меньшие сечения, тогда как реакция p– 11 B почти в десять раз выше, чем у реакции D–T, и, соответственно, более низкие сечения. сложнее зажечь.

Реакции кандидатов

Некоторые реакции синтеза не производят нейтронов ни на одной из своих ветвей. Наибольшее поперечное сечение имеют:

Кандидаты на топливо

3 Он

Реакция 3 He–D изучалась как альтернативная термоядерная плазма, поскольку она имеет самый низкий энергетический порог.

Скорости реакций p– 6 Li, 3 He– 6 Li и 3 He– 3 He в термической плазме не особенно высоки. Однако, если рассматривать их как цепочку, они открывают возможность повышения реакционной способности за счет нетеплового распределения . Продукт 3 He реакции p– 6 Li мог участвовать во второй реакции до термализации, а продукт p из 3 He– 6 Li – в первой до термализации. Однако детальный анализ не показывает достаточного повышения реактивности, чтобы преодолеть изначально низкое поперечное сечение. [ нужна цитата ]

Реакция 3 He страдает от проблемы доступности 3 He. 3 Он встречается на Земле лишь в ничтожных количествах, поэтому его придется либо получать в результате нейтронных реакций (что противодействует потенциальному преимуществу анейтронного синтеза) [ необходимы разъяснения ] или добывать из внеземных источников.

Количество 3 He, необходимое для крупномасштабных применений, также можно описать с точки зрения общего потребления: по данным Управления энергетической информации США , «потребление электроэнергии 107 миллионами домашних хозяйств США в 2001 году составило 1140 миллиардов кВт·ч» (1,14 × 10 15  Вт·ч ). Опять же, принимая 100% эффективность преобразования, для этого сегмента энергетических потребностей Соединенных Штатов потребуется 6,7 тонны 3 He в год, от 15 до 20 тонн в год, учитывая более реалистичную сквозную эффективность преобразования. Извлечение такого количества чистого 3 He повлечет за собой переработку 2 миллиардов тонн лунного материала в год, даже если предположить, что степень извлечения равна 100%. [ нужна цитата ]

В 2022 году компания Helion Energy заявила, что их седьмой термоядерный прототип (Polaris; полностью профинансирован и находится в стадии строительства по состоянию на сентябрь 2022 года) продемонстрирует «чистую электроэнергию в результате термоядерного синтеза» и продемонстрирует «производство гелия-3 посредством синтеза дейтерия-дейтерия» с помощью «запатентованный высокоэффективный замкнутый топливный цикл». [23]

Дейтерий

Хотя дейтериевые реакции (дейтерий + 3 He и дейтерий + 6 литий) сами по себе не выделяют нейтронов, в термоядерном реакторе плазма также будет вызывать побочные реакции DD, в результате которых образуется продукт реакции 3 He плюс нейтрон. Хотя производство нейтронов можно свести к минимуму за счет проведения горячей и обедненной дейтерием плазменной реакции, доля энергии, выделяемой в виде нейтронов, вероятно, составляет несколько процентов, так что эти топливные циклы, хотя и бедны нейтронами, не соответствуют порогу в 1%. См. 3 Он . Реакция D- 3He также страдает от проблемы доступности топлива 3He , как обсуждалось выше.

Литий

Реакции синтеза с участием лития хорошо изучены благодаря использованию лития для воспроизводства трития в термоядерном оружии . По сложности воспламенения они занимают промежуточное положение между реакциями с участием частиц с меньшим атомным номером, H и He, и реакцией 11 B.

Реакция p– 7 Li, хотя и обладает высокой энергией, но выделяет нейтроны из-за большого сечения альтернативной реакции образования нейтронов 1 p + 7 Li → 7 Be + n [24]

Бор

Многие исследования анейтронного синтеза концентрируются на реакции p– 11 B, [25] [26] , в которой используется легкодоступное топливо. В результате слияния ядра бора с протоном образуются энергичные альфа-частицы (ядра гелия).

Поскольку зажечь реакцию p– 11 B гораздо сложнее, чем DT, обычно предлагаются альтернативы обычным термоядерным реакторам токамака , такие как термоядерный синтез с инерционным ограничением . [27] Один предложенный метод использует один лазер для создания плазмы бора-11 , а другой — для создания потока протонов, которые врезаются в плазму. Пучок протонов обеспечивает десятикратное увеличение термоядерного синтеза, поскольку протоны и ядра бора сталкиваются напрямую. В более ранних методах использовалась твердая мишень из бора, «защищенная» своими электронами, что снижало скорость термоядерного синтеза. [28] Эксперименты показывают, что лазерный импульс петаваттного масштаба может запустить «лавинную» реакцию термоядерного синтеза, [27] [29] , хотя это остается спорным. [30] Плазма существует около одной наносекунды , поэтому пикосекундный импульс протонов должен быть точно синхронизирован. В отличие от традиционных методов, этот подход не требует наличия магнитно-удерживаемой плазмы. Протонному лучу предшествует электронный луч, генерируемый тем же лазером, который отрывает электроны в плазме бора, увеличивая вероятность того, что протоны столкнутся с ядрами бора и сольются. [28]

Остаточная радиация

Расчеты показывают, что не менее 0,1% реакций в тепловой плазме p– 11 B производят нейтроны, хотя их энергия составляет менее 0,2% от общей выделяемой энергии. [31]

Эти нейтроны возникают в основном в результате реакции: [32]

11 B + α → 14 N + n + 157 кэВ

Сама реакция производит всего 157 кэВ, но нейтрон несет большую долю альфа-энергии, близкую к E- синтезу /3 = 2,9 МэВ . Другим важным источником нейтронов является:

11 B + p → 11 C + n − 2,8 МэВ.

Эти нейтроны менее энергичны, их энергия сравнима с температурой топлива. Кроме того, 11 C сам по себе радиоактивен, но быстро распадается до 11 B с периодом полураспада всего 20 минут.

Поскольку в этих реакциях участвуют реагенты и продукты первичной реакции, существенно снизить производство нейтронов сложно. Умная схема магнитного удержания могла бы в принципе подавить первую реакцию, извлекая альфа-частицы по мере их образования, но тогда их энергия не будет доступна для поддержания температуры плазмы. Вторую реакцию в принципе можно было бы подавить относительно желаемого синтеза, удалив высокоэнергетический хвост распределения ионов, но это, вероятно, было бы запрещено из-за мощности, необходимой для предотвращения термализации распределения.

Помимо нейтронов, большое количество жесткого рентгеновского излучения производится тормозным излучением , а гамма-лучи с энергией 4, 12 и 16 МэВ производятся в результате реакции термоядерного синтеза.

11 B + p → 12 C + γ + 16,0 МэВ

с вероятностью ветвления относительно первичной реакции синтеза около 10 -4 . [примечание 1]

Водород должен быть изотопно чистым , а приток примесей в плазму необходимо контролировать, чтобы предотвратить побочные реакции с образованием нейтронов, такие как:

11 B + d → 12 C + n + 13,7 МэВ
d + d → 3 He + n + 3,27 МэВ

Конструкция защиты снижает профессиональную дозу как нейтронного, так и гамма-излучения до незначительного уровня. Основными компонентами являются вода (для замедления быстрых нейтронов), бор (для поглощения замедленных нейтронов) и металл (для поглощения рентгеновских лучей). Общая толщина оценивается примерно в один метр, в основном это вода. [33]

Подходы

Используя патенты физика-теоретика Университета Нового Южного Уэльса Генриха Хора , [34] [35] [36] HB11 Energy использует два чирпированных импульсных лазера петаваттного класса [37] для запуска низкотемпературного синтеза протонов и бора с использованием «внутримишени» " подход. Один лазер направляет атомы водорода посредством ускорения нормальной оболочки мишени в направлении борной плазмы, удерживаемой магнитным полем в килотесла, питаемым другим лазером. Образующиеся ионы He + напрямую преобразуются в электричество. Пикосекундный лазер вызывает лавинную реакцию, которая обеспечивает увеличение выхода термоядерного синтеза в 10 9 раз по сравнению с другими системами ICF. Компания заявляет, что поток альфа-частиц составляет 10 10 / ср , что на 4 порядка ниже чистого прироста энергии. [18] [19]

Захват энергии

Анейтронный синтез производит энергию в виде заряженных частиц вместо нейтронов . Это означает, что энергия анейтронного синтеза может быть получена с помощью прямого преобразования, а не термического. Прямое преобразование может быть либо индуктивным, основанным на изменении магнитных полей, электростатическим, основанным на столкновении заряженных частиц с электрическим полем, либо фотоэлектрическим, при котором энергия света улавливается в импульсном режиме. [38]

Электростатическое прямое преобразование использует движение заряженных частиц для создания напряжения . Это напряжение приводит в движение электричество по проводу, которое становится электрической энергией. Это противоположность явлениям, в которых для приведения частицы в движение используется напряжение. Его описывают как линейный ускоритель, работающий в обратном направлении. [39]

Анейтронный синтез теряет большую часть своей энергии в виде света. Эта энергия возникает в результате ускорения и замедления заряженных частиц. Эти изменения скорости могут быть вызваны тормозным излучением, циклотронным излучением , синхротронным излучением или взаимодействием электрического поля. Излучение можно оценить по формуле Лармора и оно представлено в рентгеновском, УФ-, видимом и ИК-спектрах. Некоторая часть энергии, излучаемой в виде рентгеновских лучей, может быть преобразована непосредственно в электричество. Из-за фотоэлектрического эффекта рентгеновские лучи, проходя через массив проводящих фольг, передают часть своей энергии электронам, которые затем могут быть захвачены электростатически. Поскольку рентгеновские лучи могут проходить сквозь материал гораздо большей толщины, чем электроны, для их поглощения необходимы многие сотни или тысячи слоев. [40]

Технические проблемы

С коммерциализацией анейтронного синтеза сталкивается множество проблем.

Температура

Подавляющее большинство исследований в области термоядерного синтеза было направлено на DT-синтез, которого достичь проще всего. В экспериментах по термоядерному синтезу обычно используется дейтерий-дейтериевый синтез (DD), поскольку дейтерий дешев, с ним легко обращаться и он нерадиоактивен. Экспериментировать с DT-синтезом сложнее, поскольку тритий дорог и радиоактивен, что требует дополнительных мер защиты окружающей среды и безопасности.

Сочетание более низкого поперечного сечения и более высоких скоростей потерь при синтезе D- 3 He в некоторой степени компенсируется тем, что реагенты представляют собой в основном заряженные частицы, которые отдают свою энергию в плазме. Такое сочетание компенсационных функций требует рабочей температуры, примерно в четыре раза превышающей температуру системы DT. Однако из-за высоких скоростей потерь и, как следствие, быстрого круговорота энергии, время удержания работающего реактора должно быть примерно в пятьдесят раз выше, чем DT, а плотность энергии примерно в 80 раз выше. Это требует значительных успехов в физике плазмы. [41]

Для синтеза протона и бора требуется энергия ионов и, следовательно, температура плазмы, примерно в девять раз выше, чем для DT-синтеза. При любой заданной плотности реагирующих ядер скорость реакции протон-бор достигает своего пика при температуре около 600  кэВ (6,6 миллиардов градусов Цельсия или 6,6 гигакельвинов ) [42], в то время как DT имеет пик около 66 кэВ (765 миллионов градусов Цельсия). или 0,765 гигакельвина). Для концепций ограниченного давления оптимальные рабочие температуры примерно в 5 раз ниже, но соотношение по-прежнему составляет примерно десять к одному.

Баланс сил

Пиковая скорость реакции p– 11 B составляет лишь одну треть от скорости реакции DT, что требует лучшего удержания плазмы. Удержание обычно характеризуется временем τ, в течение которого энергия сохраняется так, что выделяемая мощность превышает мощность, необходимую для нагрева плазмы. Могут быть выведены различные требования, чаще всего критерий Лоусона, произведение плотности n τ и произведение давления nT τ. Требуемое n τ для p– 11 B в 45 раз выше , чем для DT. Требуемое значение nT τ в 500 раз выше. [примечание 2] Поскольку свойства удержания традиционных подходов к термоядерному синтезу, таких как токамак и синтез лазерных гранул, являются маргинальными, большинство анейтронных предложений используют радикально разные концепции удержания.

В большинстве термоядерных плазм тормозное излучение является основным каналом потери энергии. (См. также потери на тормозное излучение в квазинейтральной изотропной плазме .) Для реакции p– 11 B некоторые расчеты показывают, что мощность тормозного излучения будет как минимум в 1,74 раза больше мощности термоядерного синтеза. Соответствующее соотношение для реакции 3 He- 3 He лишь немного более благоприятно и составляет 1,39. Это неприменимо к ненейтральной плазме и отличается от анизотропной плазмы.

В традиционных конструкциях реакторов, независимо от того, основаны ли они на магнитном или инерционном удержании , тормозное излучение может легко покинуть плазму и считается чистой потерей энергии. Перспективы были бы более благоприятными, если бы плазма могла повторно поглощать излучение. Поглощение происходит в основном за счет томсоновского рассеяния на электронах , [43] которое имеет полное сечение σ T  = 6,65 × 10 −29  м 2 . В смеси 50–50 DT это соответствует диапазону6,3 г/см 2 . [44] Это значительно выше, чем критерий Лоусона ρ R > 1 г/см 2 , которого уже трудно достичь, но который может быть достижим в системах инерционного удержания. [45]

В магнитных полях мегатесла квантово-механический эффект может подавлять передачу энергии от ионов к электронам. [46] Согласно одному расчету, [47] потери на тормозное излучение могут быть уменьшены до половины термоядерной мощности или меньше. В сильном магнитном поле циклотронное излучение даже больше тормозного. В поле мегатесла электрон потерял бы свою энергию из-за циклотронного излучения за несколько пикосекунд, если бы излучение могло уйти. Однако в достаточно плотной плазме ( n e >2,5 × 10 30  м -3 , плотность больше, чем у твердого тела [48] ), циклотронная частота меньше плазменной частоты более чем в два раза . В этом хорошо известном случае циклотронное излучение задерживается внутри плазмоида и не может выйти, кроме как из очень тонкого поверхностного слоя.

Хотя поля мегатесла еще не были достигнуты, поля мощностью 0,3 мегатесла были созданы с помощью лазеров высокой интенсивности [49] , а поля 0,02–0,04 мегатесла наблюдались с помощью устройства фокусировки плотной плазмы . [50] [51]

При гораздо более высоких плотностях ( n e >6,7 × 10 -34  м -3 ), электроны будут ферми-вырождены , что подавляет потери тормозного излучения как напрямую, так и за счет уменьшения передачи энергии от ионов к электронам. [52] Если необходимые условия могут быть достигнуты, производство чистой энергии из топлива p- 11 B или D- 3 He может быть возможным. Однако вероятность создания реактора, основанного исключительно на этом эффекте, остается низкой, поскольку прогнозируется, что коэффициент усиления будет менее 20, тогда как обычно считается необходимым более 200.

Удельная мощность

В каждом опубликованном проекте термоядерной электростанции часть установки, производящая термоядерные реакции, намного дороже, чем часть, преобразующая ядерную энергию в электричество. В этом случае, как и в большинстве энергосистем, важной характеристикой является плотность мощности. [примечание 3] Удвоение удельной мощности снижает стоимость электроэнергии как минимум вдвое. Кроме того, необходимое время удержания зависит от плотности мощности.

Однако сравнивать плотность мощности, вырабатываемую различными термоядерными циклами, непросто. Наиболее благоприятным случаем для p– 11 B по отношению к DT-топливу является (гипотетическое) удерживающее устройство, которое хорошо работает только при температурах ионов выше примерно 400 кэВ, в котором параметр скорости реакции <σ v > одинаков для двух топлив, и который работает с низкой температурой электронов. p– 11 B не требует такого длительного времени удержания, поскольку энергия его заряженных продуктов в два с половиной раза выше, чем у DT. Однако ослабление этих предположений, например, путем рассмотрения горячих электронов, позволяя реакции DT протекать при более низкой температуре или путем включения энергии нейтронов в расчет, смещает преимущество плотности мощности в сторону DT.

Наиболее распространенным предположением является сравнение плотностей мощности при одном и том же давлении, выбирая температуру ионов для каждой реакции, чтобы максимизировать плотность мощности, и при этом температура электронов равна температуре ионов. Хотя схемы изоляции могут быть ограничены, а иногда и ограничены другими факторами, большинство хорошо изученных схем имеют тот или иной предел давления. В этих предположениях плотность мощности для p– 11 B примерно в 2100 раз меньше, чем для DT. Использование холодных электронов снижает это соотношение примерно до 700. Эти цифры являются еще одним показателем того, что энергия анейтронного термоядерного синтеза невозможна при использовании концепций удержания на основной линии.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Как и в случае с нейтронной дозой, при таком уровне гамма-излучения необходима защита. Нейтронный расчет, приведенный в предыдущей заметке, применим, если производительность уменьшить в десять раз, а коэффициент качества уменьшить с 20 до 1. Без защиты профессиональная доза от небольшого (30 кВт) реактора все равно будет достигнута примерно за час.
  2. ^ На обоих рисунках предполагается, что электроны имеют ту же температуру, что и ионы. Если бы работа с холодными электронами была возможна, как обсуждается ниже, относительный недостаток p– 11 B был бы в три раза меньше, как рассчитано здесь .
  3. ^ Сравнение двух разных типов энергосистем включает в себя множество факторов, помимо плотности мощности. Двумя наиболее важными из них являются объем, в котором производится энергия по сравнению с общим объемом устройства, а также стоимость и сложность устройства. Напротив, сравнение двух разных топливных циклов в машинах одного и того же типа, как правило, гораздо более достоверно.

Рекомендации

  1. ^ abc Хармс, А.А.; Шепф, Клаус Ф.; Кингдон, Дэвид Росс (2000). Принципы термоядерной энергии: введение в термоядерную энергию для студентов, изучающих естественные и инженерные науки. Всемирная научная. стр. 8–11. ISBN 978-981-238-033-3.
  2. ^ Ларри Т. Кокс-младший, Франклин Б. Мид-младший и Чан К. Чой-младший (1990). «Список термоядерных реакций с данными поперечного сечения для четырех продвинутых реакций»], Fusion Technology, Volume 18 , no. 2. Проверено 7 мая 2019 г.
  3. ^ «Зеркальные системы: топливные циклы, снижение потерь и восстановление энергии» RF Post, Конференция по термоядерным реакторам BNES в Culham Labs, сентябрь 1969 г.
  4. ^ «Результаты экспериментов с прямым преобразователем луча при напряжении 100 кВ» У. Л. Барр, Р. В. Мойр и Дж. Гамильтон, 3 декабря 1981 г., Journal of Fusion Energy, том 2, № 2, 1982 г.
  5. ^ Бассард, Р.В. и Джеймсон Л.В., Спектр движения инерционно-электростатического синтеза: от воздушного дыхания до межзвездного полета. Архивировано 30 сентября 2007 г. в Wayback Machine , Journal of Propulsion and Power Vol. 11, № 2, март – апрель 1995 г.
  6. ^ «Должен ли Google перейти на ядерную энергию? Чистая, дешевая ядерная энергия (нет, правда)» . YouTube . 9 ноября 2006 года . Проверено 3 апреля 2022 г.
  7. ^ Беляев, В.С.; и другие. (2005). «Наблюдение реакций безнейтронного синтеза в пикосекундной лазерной плазме» (PDF) . Физический обзор E . 72 (2): 026406. Бибкод : 2005PhRvE..72b6406B. doi : 10.1103/physreve.72.026406. ПМИД  16196717., упомянуто в [email protected] 26 августа 2005 г.: Лазеры вызывают более чистый синтез.
  8. ^ Малкольм Хейнс и др., Вязкий нагрев ионов за счет насыщенных мелкомасштабных МГД-нестабильностей в Z-пинче при температуре 200–300 кэВ; Физ. Преподобный Летт. 96, 075003 (2006)
  9. ↑ Лернер, Эрик Дж. (28 января 2011 г.). «Теория и экспериментальная программа синтеза p-B11 с фокусом плотной плазмы». Журнал термоядерной энергетики . 30 (5): 367–376. Бибкод : 2011JFuE...30..367L. дои : 10.1007/s10894-011-9385-4. S2CID  122230379.
  10. ^ «Focus Fusion: самый быстрый путь к дешевой и чистой энергии» .
  11. ^ Контракт JPL 959962, Контракт JPL 959962
  12. ^ "Университет космических двигателей Иллинойса" . Архивировано из оригинала 26 января 2011 года.
  13. ^ ab «Достигнута рекордная скорость синтеза протона и бора | FuseNet» . 2014-12-02. Архивировано из оригинала 2 декабря 2014 г. Проверено 29 марта 2022 г.
  14. ↑ Биран Ван (2 февраля 2018 г.). «Лазеры мощностью 100 петаватт могут генерировать антиматерию из вакуума и создавать коммерческий ядерный синтез». Следующее Большое Будущее .
  15. ^ «Заявляя о вехе в области термоядерной энергетики, TAE Technologies планирует коммерциализацию к 2030 году» . ТехКранч . 8 апреля 2021 г. Проверено 10 апреля 2021 г.
  16. ^ Куриленков, Ю. К.; Огинов А.В.; Тараканов, вице-президент; Гуськов С. Ю.; Самойлов И.С. (22 апреля 2021 г.). «Протон-борный синтез в компактной схеме колебательного удержания плазмы». Физический обзор E . 103 (4): 043208. Бибкод : 2021PhRvE.103d3208K. doi : 10.1103/PhysRevE.103.043208. PMID  34005891. S2CID  234780631.
  17. ^ "hb11.energy". Веб-сайт HB11 Energy .
  18. ^ аб Маргароне, Даниэле; Бонвале, Жюльен; Джуффрида, Лоренцо; Морас, Алессио; Кантарелоу, Василики; Тоска, Марко; Раффестин, Дидье; Николай, Филипп; Пиччотто, Антонино; Абэ, Юки; Арикава, Ясунобу (январь 2022 г.). «Ядерный синтез протона и бора в мишени с использованием лазера PW-класса». Прикладные науки . 12 (3): 1444. doi : 10.3390/app12031444 . ISSN  2076-3417.
  19. ^ Аб Блейн, Лоз (29 марта 2022 г.). «Испытание HB11 на лазерный синтез водорода и бора дает революционные результаты». Новый Атлас . Проверено 29 марта 2022 г.
  20. ^ «Ассамблея, № 2731, штат Нью-Джерси, 212-й законодательный орган» . Njleg.state.nj.us. 2 марта 2006 года . Проверено 1 апреля 2012 г.
  21. ^ Дж. Рис Рот (1989). «Космическое применение энергии термоядерного синтеза», Технология термоядерного синтеза, Том 15 , вып. 3. Проверено 7 мая 2019 г.
  22. ↑ Райнер Фельдбахер и Манфред Хайндлер (1 августа 1988 г.). «Основные данные сечения анейтронного реактора», Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование, том 271, № 1, стр. 55-64. DOI: 10.1016/0168-9002(88)91125-4.
  23. ^ "Часто задаваемые вопросы по Гелиону" . Проверено 29 сентября 2022 г.
  24. ^ С.Г. Машник, М.Б. Чедвик, Х.Г. Хьюз, Р.С. Литтл, Р.Э. Макфарлейн, Л.С. Уотерс и П.Г. Янг, «БИБЛИОТЕКА ЯДЕРНЫХ ДАННЫХ 7Li(p,n) ДЛЯ ЭНЕРГИИ ПРОТОНОВ ДО 150 МЭВ», 8 февраля 2008 г. ArXiv ( получено 17 января 2017 г.)
  25. ^ Невинс, WM (1998). «Обзор требований к локализации современных видов топлива». Журнал термоядерной энергетики . 17 (1): 25–32. Бибкод : 1998JFuE...17...25N. дои : 10.1023/А: 1022513215080. S2CID  118229833.
  26. ^ Пилчер, Пэт (11 января 2010 г.). «Прорыв в термоядерном синтезе — волшебное средство от энергетического кризиса?» . Независимый . Лондон. Архивировано из оригинала 7 мая 2022 г. Проверено 25 апреля 2010 г.
  27. ^ ab «Функциональный синтез водорода и бора может быть здесь «в течение следующего десятилетия» при помощи огромных лазеров». ЗМЭ Наука . 15 декабря 2017 г. Проверено 16 декабря 2017 г.
  28. ^ аб Коуэн, Р.. (2013). «Двухлазерный синтез бора открывает путь к безрадиационной энергетике». Природа . дои : 10.1038/nature.2013.13914. S2CID  137981473.
  29. ^ Хора, Х.; Элиезер, С.; Кирхгоф, Г.Дж.; Ниссим, Н.; Ван, JX; Лалузис, П.; Сюй, YX; Майли, GH; Мартинес-Валь, Ж.М. (декабрь 2017 г.). «Дорожная карта по чистой энергетике с использованием лазерного зажигания термоядерного синтеза бора и водорода». Лазерные лучи и пучки частиц . 35 (4): 730–740. Бибкод : 2017LPB....35..730H. дои : 10.1017/s0263034617000799 . ISSN  0263-0346.
  30. ^ Беллони, Ф.; Маргароне, Д.; Пиччиотто, А.; Скиллачи, Ф.; Джуффрида, Л. (февраль 2018 г.). «Об увеличении скорости реакции синтеза p-11B в лазерной плазме за счет столкновительной передачи энергии α → p». Физика плазмы . 25 (2): 020701. Бибкод : 2018PhPl...25b0701B. дои : 10.1063/1.5007923.
  31. ^ Хайндлер и Кернбихлер, Proc. 5-й международный Конф. «Новые ядерно-энергетические системы», 1989, стр. 177–82. Несмотря на то, что 0,1% — это небольшая доля, мощность дозы все же достаточно высока, чтобы потребовать очень хорошей защиты, как показано в следующем расчете. Предположим, у нас есть очень маленький реактор, производящий 30 кВт общей термоядерной мощности (полномасштабный энергетический реактор может производить в 100 000 раз больше этой мощности) и 30 Вт в виде нейтронов. При отсутствии значительной защиты рабочий в соседнем помещении, на расстоянии 10 м, может перехватить (0,5 м 2 )/(4 пи (10 м) 2 ) = 4×10 -4 этой мощности, т. е. 0,012 Вт. При массе тела 70 кг и определении 1 грей = 1 Дж/кг мы находим мощность дозы 0,00017 Гр/с. Используя добротность 20 для быстрых нейтронов, это эквивалентно 3,4 миллизивертам . Максимальная годовая профессиональная доза 50 мЗв будет достигнута за 15 с, смертельная ( ЛД 50 ) доза 5 Зв будет достигнута за полчаса. Если не будут приняты очень эффективные меры предосторожности, нейтроны также активируют конструкцию, так что потребуется дистанционное обслуживание и утилизация радиоактивных отходов .
  32. ^ В. Кернбихлер, Р. Фельдбахер, М. Хайндлер. «Параметрический анализ p– 11 B в качестве топлива для усовершенствованных реакторов» в области физики плазмы и исследований в области управляемого ядерного синтеза (Труды 10-й Международной конференции, Лондон, 1984 г.) IAEA-CN-44/II-6. Том. 3 (МАГАТЭ, Вена, 1987).
  33. ^ Эль Гебали, Лайал, А., Варианты конструкции защиты и влияние на размер и стоимость реактора усовершенствованного топливного реактора Aploo, Труды симпозиума по термоядерной инженерии, т. 1, 1989, стр. 388–391. Эта конструкция относится к D–He3, который фактически производит больше нейтронов, чем топливо p– 11 B.
  34. ^ Хора, Х.; Элиезер, С.; Кирхгоф, Г.Дж.; и другие. (12 декабря 2017 г.). «Дорожная карта по чистой энергетике с использованием лазерного зажигания термоядерного синтеза бора и водорода». Лазерные лучи и пучки частиц . 35 (4): 730–740. Бибкод : 2017LPB....35..730H. дои : 10.1017/S0263034617000799 .
  35. ↑ Брайан Ван (13 декабря 2017 г.). «Прорывы могут сделать коммерческий лазерный ядерный синтез за счет увеличения мощности в миллиард раз». Следующее Большое Будущее .
  36. ↑ Уилсон Да Силва (14 декабря 2017 г.). «Лазерный синтез бора теперь« главный претендент »на энергию». Отдел новостей UNSW .
  37. ↑ Блейн, Лоз (21 февраля 2020 г.). «Радикальный водородно-борный реактор превосходит современные технологии ядерного синтеза». Новый Атлас . Проверено 22 февраля 2020 г.
  38. ^ Майли, Г.Х. и др., Концептуальный проект пилотной установки B- 3 He IEC, Труды Симпозиума по термоядерной технике, т. 1, 1993, стр. 161–164; Л. Дж. Перкинс и др., Новые методы преобразования энергии термоядерного синтеза, ядерные инструменты и методы физических исследований, A271, 1988, стр. 188–96.
  39. ^ Мойр, Ральф В. «Прямое преобразование энергии в термоядерных реакторах». Справочник по энергетическим технологиям 5 (1977): 150–54. Веб. 16 апреля 2013 г.
  40. ^ Куимби, округ Колумбия, Схема преобразования энергии рентгеновского излучения с высоким термическим КПД для усовершенствованных термоядерных реакторов, Специальная техническая публикация ASTM, т.2, 1977, стр. 1161–1165.
  41. ^ Мотевалли, Сейед Мохаммад; Фадаи, Ферештех (7 февраля 2015 г.). «Сравнение условий горения реакций дейтерия-трития и дейтерия-гелия-3 и пределов стабильности». Zeitschrift für Naturforschung . 70 (2): 79–84. Бибкод :2015ЗНатА..70...79М. дои : 10.1515/zna-2014-0134 . S2CID  102245369.
  42. ^ Лернер, Эрик Дж.; Терри, Роберт Э. (16 октября 2007 г.). «Прогресс в направлении синтеза pB11 с фокусом плотной плазмы». arXiv : 0710.3149 [физика.плазма-ph].
  43. ^ Лекция 3: Ускоренные заряды и тормозное излучение, конспекты лекций по астрофизике Криса Флинна, Обсерватория Туорла.
  44. ^ м я /σ Т  = 2,5×1,67 × 10-24 г / ​6,65 × 10-25  см 2  = ​6,28 г/см 2
  45. ^ Роберт ВБ Бест. «Усовершенствованные термоядерные топливные циклы». Технология термоядерного синтеза, Том. 17 (июль 1990 г.), стр. 661–5.
  46. ^ Г.С. Миллер, Э.Э. Солпитер и И. Вассерман, Замедление падающей плазмы в атмосферах аккрецирующих нейтронных звезд. I. Изотермические атмосферы, Astrophysical Journal , 314 : 215–233, 1987, 1 марта. В одном случае они сообщают об увеличении длины остановки в 12 раз.
  47. ↑ Лернер, Эрик Дж. (26 января 2004 г.). «Перспективы синтеза P11B с фокусом плотной плазмы: новые результаты». arXiv : физика/0401126 .
  48. ^ Предполагая напряженность поля 1 МТ. Это в несколько раз превышает плотность твердого тела.
  49. ^ «Измерения поляризации рентгеновских лучей при релятивистской интенсивности лазера». Архивировано 21 июля 2007 г., в Wayback Machine , П. Байерсдорфер и др.
  50. ^ Бостик, WH и др., Ann. Н-Й акад. наук. , 251, 2 (1975)
  51. ^ Магнитное давление при 1 МТ будет4 × 10 11  МПа . Для сравнения, предел прочности нержавеющей стали обычно составляет 600 МПа.
  52. ^ Сын, С.; Фиш, Нью-Джерси (2004). «Анейтронный синтез в вырожденной плазме» (PDF) . Буквы по физике А. 329 (1–2): 76–82. Бибкод : 2004PhLA..329...76S. doi :10.1016/j.physleta.2004.06.054.

Внешние ссылки