Fuzja aneutroniczna - Aneutronic fusion

Lithium-6 – reakcja syntezy deuteru : reakcja syntezy aneutronowej, w której energia uwalniana jest przez cząstki alfa , a nie neutrony.

Fuzja aneutronowa to dowolna forma energii termojądrowej, w której bardzo mało uwolnionej energii jest przenoszone przez neutrony. Podczas gdy reakcje syntezy jądrowej o najniższym progu uwalniają do 80% swojej energii w postaci neutronów , reakcje aneutronowe uwalniają energię w postaci naładowanych cząstek, zazwyczaj protonów lub cząstek alfa . Pomyślna fuzja aneutronowa znacznie zmniejszyłaby problemy związane z promieniowaniem neutronowym, takie jak szkodliwe promieniowanie jonizujące , aktywacja neutronów oraz wymagania dotyczące osłon biologicznych, zdalnej obsługi i bezpieczeństwa.

Ponieważ przekształcenie energii naładowanych cząstek w energię elektryczną jest prostsze niż przekształcenie energii z cząstek nienaładowanych, reakcja aneutronowa byłaby atrakcyjna dla systemów elektroenergetycznych. Niektórzy zwolennicy dostrzegają możliwość radykalnego obniżenia kosztów poprzez konwersję energii bezpośrednio na energię elektryczną, a także eliminację promieniowania neutronów, przed którymi trudno jest osłonić. Jednak warunki wymagane do wykorzystania fuzji aneutronowej są znacznie bardziej ekstremalne niż te wymagane do fuzji deuter-tryt badanej w ITER lub Wendelstein 7-X .

Reakcje kandydatów

Kilka reakcji jądrowych nie wytwarza neutronów na żadnej ze swoich gałęzi. Te o największych przekrojach to:

Definicja

Reakcje syntezy można podzielić na kategorie według neutronowości reakcji, ułamka energii syntezy uwolnionej jako neutrony. Jest to ważny wskaźnik skali problemów związanych z neutronami, takich jak uszkodzenie radiacyjne, osłona biologiczna, zdalna obsługa i bezpieczeństwo. Stan New Jersey zdefiniował reakcję aneutronową jako taką, w której neutrony przenoszą nie więcej niż 1% całkowitej uwolnionej energii, chociaż wiele artykułów dotyczących fuzji aneutronowej obejmuje reakcje, które nie spełniają tego kryterium.

Wskaźniki reakcji

Trudność reakcji syntezy jądrowej charakteryzuje się energią wymaganą do pokonania przez jądra wzajemnego odpychania elektrostatycznego, tzw. bariery kulombowskiej . Jest to funkcja całkowitego ładunku elektrycznego jonów paliwa, a zatem jest zminimalizowana dla jonów o najmniejszej liczbie protonów . Przeciwdziałaniu odpychaniu elektrostatycznemu jest siła jądrowa , która wzrasta wraz z liczbą nukleonów.

W większości koncepcji reaktorów termojądrowych energia potrzebna do pokonania bariery kulombowskiej jest dostarczana przez zderzenia z innymi jonami paliwa. W termalizowanym płynie, takim jak plazma, temperatura odpowiada widmu energii zgodnie z rozkładem Maxwella-Boltzmanna . Gazy w tym stanie będą miały populację cząstek o bardzo wysokiej energii, nawet jeśli masa gazu ma znacznie niższą średnią energię. Urządzenia Fusion polegają na tej dystrybucji; nawet w temperaturze masowej znacznie poniżej energii bariery kulombowskiej energia uwalniana przez reakcje jest tak duża, że ​​wychwycenie jej części z powrotem w paliwie spowoduje, że populacja jonów wysokoenergetycznych w nim będzie wystarczająco wysoka, aby utrzymać reakcję.

Zatem stabilna praca reaktora opiera się na równowadze między szybkością dodawania energii do paliwa w reakcjach syntezy a szybkością strat energii do otoczenia w wyniku wielu różnych procesów. Ta koncepcja jest najlepiej wyrażana jako potrójny produkt fuzji , iloczyn temperatury, gęstości i „czasu utrzymywania”, czyli ilość czasu, przez jaki energia pozostaje w paliwie przed ucieczką do środowiska. Iloczyn temperatury i gęstości daje szybkość reakcji dla dowolnego paliwa. Szybkość reakcji jest proporcjonalna do przekroju jądra ("σ").

Każde urządzenie do syntezy jądrowej ma maksymalne ciśnienie plazmy, jakie może wytrzymać, a ekonomiczne urządzenie zawsze działałoby w pobliżu tego maksimum. Biorąc pod uwagę to ciśnienie, największą moc fuzyjne uzyskuje się, gdy temperatura jest tak dobrana, że <σv> / T ² jest maksymalna. Jest to również temperatura, w której wartość potrójnego iloczynu nT τ wymagana do zapłonu jest minimalna, ponieważ ta wymagana wartość jest odwrotnie proporcjonalna do <σv>/T ² (patrz kryterium Lawsona ). Plazma jest „zapalana”, jeśli reakcje fuzji wytwarzają moc wystarczającą do utrzymania temperatury bez zewnętrznego ogrzewania.

Ponieważ bariera kulombowska jest iloczynem liczby nukleonów w jonach paliwa, odmiany ciężkiego wodoru, deuteru i trytu (DT), dają paliwo o najniższej całkowitej barierze kulombowskiej. Wszystkie inne potencjalne paliwa będą miały wyższą barierę Coulomba, a zatem będą wymagały wyższych temperatur roboczych. Dodatkowo paliwa DT mają najwyższe przekroje jądrowe, co oznacza, że ​​szybkości reakcji będą wyższe niż w przypadku jakiegokolwiek innego paliwa. Oznacza to, że fuzja DT jest najłatwiejsza do osiągnięcia i można porównać potencjał innych paliw porównując go z reakcją DT. Poniższa tabela przedstawia temperaturę zapłonu i przekrój dla trzech potencjalnych reakcji aneutronowych w porównaniu z DT:

Jak można zauważyć, najłatwiej się zapalić z aneutronic reakcji, D- ^3, He, ma temperaturę zapłonu ponad czterokrotnie wyższa niż reakcji DT i odpowiednio dolnej belki poprzeczne, a p ¹¹ reakcji B prawie dziesięć razy trudniej się zapalić.

Wyzwania techniczne

Przed komercjalizacją procesów aneutronicznych pozostaje wiele wyzwań.

Temperatura

Zdecydowana większość badań nad syntezą jądrową poszła w kierunku fuzji DT, która jest najłatwiejsza do osiągnięcia. Chociaż pierwsze eksperymenty w tej dziedzinie rozpoczęły się w 1939 r., a poważne wysiłki są kontynuowane od wczesnych lat pięćdziesiątych, od 2020 r. wciąż dzieli nas wiele lat od osiągnięcia progu rentowności nawet przy użyciu tego paliwa. Eksperymenty z fuzją zazwyczaj wykorzystują fuzję deuteru z deuterem (DD), ponieważ deuter jest tani i łatwy w obsłudze, ponieważ jest nieradioaktywny. Przeprowadzanie eksperymentów nad syntezą DT jest trudniejsze, ponieważ tryt jest kosztowny i radioaktywny, z dodatkowymi środkami ochrony środowiska i bezpieczeństwa.

Połączenie mniejszego przekroju i wyższych współczynników strat w fuzji D-He3 jest w pewnym stopniu równoważone przez reagenty będące głównie naładowanymi cząstkami, które odkładają swoją energię z powrotem w plazmie. Ta kombinacja funkcji kompensacji wymaga temperatury roboczej około czterokrotnie wyższej niż w systemie DT. Jednak ze względu na wysokie współczynniki strat i wynikające z tego szybkie cykle energii, czas zamknięcia działającego reaktora musi być około pięćdziesiąt razy wyższy niż DT, a gęstość energii około 80 razy wyższa. Wymaga to znacznych postępów w fizyce plazmy.

Fuzja protonowo-borowa wymaga energii jonów, a tym samym temperatur plazmy, prawie dziesięciokrotnie wyższych niż w przypadku fuzji DT. Dla dowolnej gęstości reagujących jąder szybkość reakcji dla protonu-boru osiąga szczytową szybkość przy około 600 keV (6,6 miliarda stopni Celsjusza lub 6,6 gigakelwinów ), podczas gdy DT ma szczyt przy około 66 keV (765 milionów stopni Celsjusza lub 0,765). gigakelwin). W przypadku koncepcji ograniczania ciśnienia optymalne temperatury robocze są około 5 razy niższe, ale stosunek ten nadal wynosi mniej więcej dziesięć do jednego.

Równowaga sił

Szczytowa szybkość reakcji p- ¹¹ B wynosi tylko jedną trzecią niż dla DT, co wymaga lepszego zamknięcia w osoczu. Uwięzienie zwykle charakteryzuje się czasem τ, w którym energia musi być zatrzymana, aby uwolniona moc syntezy jądrowej przewyższała moc wymaganą do podgrzania plazmy. Można wyprowadzić różne wymagania, najczęściej iloczyn gęstości, n τ, oraz iloczyn o ciśnieniu nT τ, z których oba nazywane są kryterium Lawsona . N τ wymagane dla p- ¹¹ B jest 45 razy większa niż w przypadku DT. Wymagane nT τ jest 500 razy wyższe. (Patrz także neutronika, wymagania dotyczące utrzymywania i gęstość mocy .) Ponieważ właściwości utrzymywania konwencjonalnych metod syntezy jądrowej, takich jak tokamak i fuzja pastylek laserowych, są marginalne, większość propozycji aneutronicznych wykorzystuje radykalnie różne koncepcje utrzymywania.

W większości plazm do syntezy jądrowej promieniowanie bremsstrahlung jest głównym kanałem utraty energii. (Patrz także straty hamowania w quasi-neutralnej, izotropowej plazmie .) W przypadku reakcji p- ¹¹ B niektóre obliczenia wskazują, że moc hamowania hamowania będzie co najmniej 1,74 razy większa niż moc syntezy jądrowej. Odpowiedni stosunek do ³ He- ³ reakcji że jest tylko nieznacznie bardziej korzystne przy 1,39. Nie dotyczy to plazmy nieobojętnej, a inaczej plazmy anizotropowej.

W konwencjonalnych konstrukcjach reaktorów, czy to opartych na magnetycznym, czy inercyjnym uwięzieniu , bremsstrahlung może łatwo uciec z plazmy i jest uważany za pojęcie czystej utraty energii. Perspektywy byłyby korzystniejsze, gdyby plazma mogła ponownie wchłonąć promieniowanie. Absorpcja zachodzi głównie poprzez rozpraszanie Thomsona na elektronach , które ma całkowity przekrój σ _T = 6,65×10 ⁻²⁹ m². W mieszaninie 50-50 DT odpowiada to zakresowi 6,3 g/cm². Jest to znacznie wyższe niż kryterium Lawsona dla ρ R > 1 g/cm², które jest już trudne do osiągnięcia, ale może być osiągalne w bezwładnościowych systemach ograniczania.

W polach magnetycznych megatesli efekt mechaniki kwantowej może tłumić transfer energii z jonów do elektronów. Według jednej kalkulacji, straty bremsstrahlung można zmniejszyć do połowy mocy syntezy jądrowej lub mniej. W silnym polu magnetycznym promieniowanie cyklotronu jest nawet większe niż bremsstrahlung. W polu megatesli elektron straciłby swoją energię na skutek promieniowania cyklotronowego w ciągu kilku pikosekund, gdyby promieniowanie mogło uciec. Jednakże, w odpowiednio zwartej w osoczu ( n _e > 2,5 x 10 ³⁰ m ^-3 , większą gęstość niż w postaci stałej), przy czym częstotliwość cyklotron jest mniejsza od dwukrotnej częstotliwości plazmy . W tym dobrze znanym przypadku promieniowanie cyklotronowe jest uwięzione wewnątrz plazmoidu i nie może uciec, z wyjątkiem bardzo cienkiej warstwy powierzchniowej.

Chociaż nie osiągnięto jeszcze pól megatesli, pola o wartości 0,3 megatesli zostały wytworzone za pomocą laserów o wysokiej intensywności, a pola o wartości 0,02–0,04 megatesli zaobserwowano za pomocą urządzenia do gęstej plazmy .

Przy znacznie większej gęstości ( n _e > 6,7 x 10 ³⁴ m ^-3 ), elektrony będą Fermiego zdegenerowany , które hamuje Bremsstrahlung straty zarówno bezpośrednio, jak i przez ograniczenie przenoszenia energii z jonów elektronów. Jeśli zostaną spełnione niezbędne warunki, możliwa będzie produkcja energii netto z paliwa p– ¹¹ B lub D– ³ He. Jednak prawdopodobieństwo istnienia reaktora wykonalnego opartego wyłącznie na tym efekcie pozostaje niskie, ponieważ przewiduje się , że wzmocnienie będzie mniejsze niż 20, podczas gdy ponad 200 jest zwykle uważane za konieczne.

Gęstość mocy

W każdym opublikowanym projekcie elektrowni termojądrowej część elektrowni, która wytwarza reakcje syntezy termojądrowej, jest znacznie droższa niż część, która przekształca energię jądrową w energię elektryczną. W takim przypadku, podobnie jak w większości systemów elektroenergetycznych, gęstość mocy jest ważną cechą. Podwojenie gęstości mocy co najmniej o połowę zmniejsza koszt energii elektrycznej. Ponadto wymagany czas zamknięcia zależy od gęstości mocy.

Porównanie gęstości mocy wytwarzanej w różnych cyklach paliwowych syntezy jądrowej nie jest jednak trywialne. Najbardziej korzystnym przypadkiem dla p- ¹¹ B w stosunku do paliwa DT jest (hipotetyczne) urządzenie ograniczające, które działa dobrze tylko w temperaturach jonów powyżej około 400 keV, w których parametr szybkości reakcji < σ v > jest równy dla obu paliw, oraz który działa z niską temperaturą elektronów. p– ¹¹ B nie wymaga tak długiego czasu uwięzienia, ponieważ energia jego naładowanych produktów jest dwa i pół razy większa niż energia DT. Jednak rozluźnienie tych założeń, na przykład przez uwzględnienie gorących elektronów, umożliwienie przebiegu reakcji DT w niższej temperaturze lub uwzględnienie energii neutronów w obliczeniach, przesuwa przewagę gęstości mocy na DT.

Najczęstszym założeniem jest porównanie gęstości mocy przy tym samym ciśnieniu, wybór temperatury jonów dla każdej reakcji w celu zmaksymalizowania gęstości mocy, a temperatura elektronów jest równa temperaturze jonów. Chociaż programy odosobnienia mogą być i czasami są ograniczane przez inne czynniki, większość dobrze zbadanych programów ma pewien rodzaj ograniczenia ciśnienia. Przy tych założeniach gęstość mocy dla p- ¹¹ B jest około 2100 razy mniejsza niż dla DT. Użycie zimnych elektronów obniża ten stosunek do około 700. Liczby te są kolejną wskazówką, że aneutroniczna energia termojądrowa nie jest możliwa przy głównych koncepcjach utrzymywania.

Badania

• Lawrenceville Plasma Physics opublikował wstępne wyniki i przedstawił teorię i program eksperymentalny dla fuzji aneutronowej z ogniskiem Dense Plasma Focus (DPF). Prywatny wysiłek był początkowo finansowany przez Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA . Wsparcie dla innych badań nad syntezą aneutronową DPF pochodziło z Laboratorium Badawczego Sił Powietrznych .
• Fuzja Polywell została zapoczątkowana przez nieżyjącego już Roberta W. Bussarda i sfinansowana przez US Navy , wykorzystuje bezwładnościowe elektrostatyczne ograniczenie . Badania są kontynuowane w założonej przez niego firmie EMC2.
• Tri Alpha Energy, Inc. realizuje fuzję aneutronową w reaktorze termojądrowym z wiązką zderzającą (CBFR) w oparciu o ogrzewanie elektromagnetyczne, przyspieszanie, zderzenia i łączenie dwóch kompaktowych toroidów w konfiguracji z odwróconym polem przy prędkościach naddźwiękowych.
• Maszyna Z w Sandia National Laboratory , urządzenie ze skurczem-z , może wytwarzać energie jonów interesujące dla reakcji wodorowo-borowych, do 300 keV. Plazmy nierównowagowe zwykle mają temperaturę elektronów wyższą niż ich temperatura jonów, ale plazma w maszynie Z ma specjalny, odwrócony stan nierównowagi, w którym temperatura jonów jest 100 razy wyższa niż temperatura elektronów . Dane te reprezentują nową dziedzinę badań i wskazują, że straty Bremsstrahlung mogą być w rzeczywistości niższe niż wcześniej oczekiwano w takim projekcie.
• HB11 Energy , australijska firma spin-off utworzona we wrześniu 2017 r. Opracowuje technikę podwójnego wzmocnienia impulsowego, napędzaną laserem protonowo-borowym z reakcją lawinową, oferującą miliard razy większą poprawę wydajności syntezy w porównaniu z innymi wcześniejszymi inercyjnymi systemami fuzji termojądrowej . Posiada patenty fizyka teoretycznego UNSW Heinricha Hory .

Żadne z tych wysiłków nie przetestowało jeszcze urządzenia z paliwem wodorowo-borowym, więc przewidywane działanie opiera się na ekstrapolacji teorii, wyników eksperymentalnych z innymi paliwami oraz symulacji.

• Pikosekundowy impuls 10-terawatowego lasera wytworzył aneutroniczne fuzje wodorowo-borowe dla rosyjskiego zespołu w 2005 roku. Jednak liczba powstałych cząstek α ​​(około 10 ³ na impuls laserowy) była niska.
• Francuski zespół badawczy dokonał fuzji protonów i jąder boru-11 za pomocą przyspieszonej laserowo wiązki protonów i impulsu laserowego o dużej intensywności . W październiku 2013 r. zgłosili około 80 milionów reakcji fuzji podczas 1,5 nanosekundowego impulsu laserowego.
• W 2016 r. zespół z Chińskiej Akademii Nauk w Szanghaju wyprodukował impuls laserowy o mocy 5,3 petawata za pomocą Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF) i był w stanie osiągnąć 10 petawatów przy użyciu tego samego sprzętu. Zespół buduje obecnie laser o mocy 100 petawatów. Stacja Ekstremalnego Światła (SEL) ma zacząć działać do 2023 roku. Będzie on w stanie wytwarzać antycząstki ( pary elektron-pozyton ) z próżni . Podobny projekt europejski istnieje również w tym samym czasie, laser o mocy 200 PW, znany jako Extreme Light Infrastructure (ELI). Chociaż te dwa projekty nie obejmują obecnie badań nad syntezą aneutroniczną, pokazują one, w jaki sposób aneutroniczna energia jądrowa może skorzystać na wyścigu w kierunku laserów o mocy eksawatów ( 10 ¹⁸ W), a nawet zettawatów ( 10 ²¹ W).
• W 2021 roku rosyjski zespół przedstawił wyniki eksperymentów miniaturowego urządzenia z elektrodynamicznym (oscylacyjnym) ograniczeniem plazmy . Zastosowano w nim wyładowanie próżniowe 1–2 J nanosekundowe z wirtualną katodą. Jego pole przyspiesza jony do ~100-300 keV w zderzeniach oscylujących jonów. Cząstki α o wielkości około 5×104/4π (∼10α cząstek/ns) uzyskano w ciągu łącznie 4μs aplikacji napięciowych.

Paliwa kandydujące

Hel-3

³ He-D reakcji badano jako alternatywne plazmy termojądrowej, ponieważ jest to paliwo o najniższym progu energii dla reakcji termojądrowej aneutronic.

Szybkości reakcji p– ⁶ Li, ³ He– ⁷ Li i ³ He– ³ He nie są szczególnie wysokie w plazmie termicznej. Traktowane jako łańcuch dają jednak możliwość zwiększonej reaktywności ze względu na nietermiczną dystrybucję . Produkt ³ He z reakcji p– ⁶ Li mógłby brać udział w drugiej reakcji przed termalizacją, a produkt p z ³ He– ⁷ Li mógłby brać udział w pierwszej przed termalizacją. Jednak szczegółowe analizy nie wykazują wystarczającego zwiększenia reaktywności, aby przezwyciężyć z natury niski przekrój.

³ On reakcja cierpi na hel-3 problemu dostępności. Hel-3 występuje naturalnie na Ziemi w niewielkich ilościach, więc musiałby być hodowany w reakcjach neutronowych (przeciwdziałanie potencjalnej przewadze fuzji aneutronowej) lub wydobywany ze źródeł pozaziemskich.

Ilość paliwa hel-3 potrzebnego do zastosowań na dużą skalę można również opisać w kategoriach całkowitego zużycia: według amerykańskiej Agencji Informacji Energetycznej „Zużycie energii elektrycznej przez 107 milionów amerykańskich gospodarstw domowych w 2001 roku wyniosło 1140 miliardów kW·h” (1,14 × 10 ¹⁵  Wh ). Ponownie zakładając 100% sprawność konwersji, 6,7 ton rocznie helu-3 byłoby wymagane dla tego segmentu zapotrzebowania na energię w Stanach Zjednoczonych, 15 do 20 ton rocznie, biorąc pod uwagę bardziej realistyczną sprawność konwersji od końca do końca. Wydobycie takiej ilości czystego helu-3 wiązałoby się z przetwarzaniem 2 miliardów ton materiału księżycowego rocznie, nawet przy założeniu 100% odzysku.

Deuter

Chociaż reakcje deuteru (deuter + hel-3 i deuter + lit-6) same w sobie nie uwalniają neutronów, w reaktorze termojądrowym plazma również wytworzyłaby reakcje uboczne DD, w wyniku których powstałby produkt reakcji helu-3 plus neutron. Chociaż wytwarzanie neutronów można zminimalizować, przeprowadzając reakcję plazmy na gorąco i ubogą w deuter, część energii uwalnianej w postaci neutronów wynosi prawdopodobnie kilka procent, więc te cykle paliwowe, chociaż ubogie w neutrony, nie osiągają progu 1%. Zobacz Hel-3 . D- ³ reakcji Cierpi także z ³ problemu dostępności paliwa, który, jak opisano powyżej.

Lit

Reakcje fuzji z udziałem litu są dobrze zbadane dzięki zastosowaniu litu do hodowli trytu w broni termojądrowej . Są pośredni trudności zapłonu między reakcji obejmujących gatunki niższy atomowej numerycznych, wodoru i helu i ¹¹ reakcji B.

Reakcja p- ⁷ Li, chociaż bardzo energetyczna, uwalnia neutrony ze względu na duży przekrój poprzeczny dla alternatywnej reakcji wytwarzającej neutrony ¹ p + ⁷ Li → ⁷ Be + n

Bor

Wiele badań nad fuzją aneutronową koncentruje się na reakcji p– ¹¹ B, w której wykorzystuje się stosunkowo łatwo dostępne paliwo. W wyniku fuzji jądra boru z protonem powstają energetyczne cząstki alfa (jądra helu).

Ponieważ zapłon p ¹¹ reakcji B jest o wiele trudniejsze niż reakcja DT studiował w większości programów fuzyjnych alternatywy dla zwykłych tokamakach reaktorów fuzyjnych są zazwyczaj proponowane, jak laserowej inercyjnej fuzji porodzie . Jedna z proponowanych metod wykorzystuje jeden laser do wytworzenia plazmy boru-11, a drugi do wytworzenia strumienia protonów, które uderzają w plazmę. Wiązka protonów powoduje dziesięciokrotny wzrost fuzji boru, ponieważ protony i jądra boru zderzają się bezpośrednio. Wcześniejsze metody wykorzystywały stałą tarczę borową, „chronioną” przez jej elektrony, co zmniejszało szybkość fuzji. Eksperymenty sugerują, że impuls laserowy o skali petawatów może wywołać „lawinową” reakcję fuzji, choć pozostaje to kontrowersyjne. Plazma trwa około jednej nanosekundy , co wymaga precyzyjnej synchronizacji pikosekundowego impulsu protonów. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod, to podejście nie wymaga magnetycznie ograniczonej plazmy. Wiązka protonów jest poprzedzona wiązką elektronów, generowaną przez ten sam laser, która wypycha elektrony z plazmy borowej, co daje większą szansę protonom na zderzenie się z jądrami boru i fuzję.

Promieniowanie szczątkowe

Obliczenia pokazują, że co najmniej 0,1% reakcji w termicznej plazmie p- ¹¹ B wytwarza neutrony, a energia tych neutronów stanowi mniej niż 0,2% całkowitej uwolnionej energii.

Te neutrony pochodzą głównie z reakcji:

¹¹ B + α → ¹⁴ N + n + 157 keV

Sama reakcja wytwarza tylko 157 keV, ale neutron przenosi dużą część energii alfa, bliskiej _fuzji E /3 = 2,9 MeV . Innym ważnym źródłem neutronów jest:

¹¹ B + p → ¹¹ C + n − 2,8 MeV.

Neutrony te są mniej energetyczne, a ich energia jest porównywalna z temperaturą paliwa. Ponadto sam ¹¹ C jest radioaktywny, ale szybko rozpada się do ¹¹ B z okresem półtrwania wynoszącym zaledwie 20 minut.

Ponieważ reakcje te obejmują reagenty i produkty pierwotnej reakcji syntezy jądrowej, trudno byłoby dalej obniżyć produkcję neutronów o znaczną część. Sprytny schemat magnetycznego zamknięcia mógłby w zasadzie stłumić pierwszą reakcję poprzez ekstrakcję alfa zaraz po ich utworzeniu, ale wtedy ich energia nie byłaby dostępna do utrzymywania gorącej plazmy. Druga reakcja mogłaby w zasadzie zostać stłumiona w stosunku do pożądanej fuzji przez usunięcie ogona o wysokiej energii rozkładu jonów, ale byłoby to prawdopodobnie zabronione przez moc wymaganą do zapobieżenia termicznej dystrybucji.

Oprócz neutronów, duże ilości twardego promieniowania rentgenowskiego są wytwarzane przez bremsstrahlung , a promieniowanie gamma o energii 4, 12 i 16 MeV jest wytwarzane w reakcji fuzji

¹¹ B + p → ¹² C + γ + 16,0 MeV

z prawdopodobieństwem rozgałęzienia w stosunku do pierwotnej reakcji syntezy około ^10-4 .

Wodór musi być izotopowo czysty, a dopływ zanieczyszczeń do plazmy musi być kontrolowany, aby zapobiec reakcjom ubocznym wytwarzającym neutrony, takim jak:

¹¹ B + d → ¹² C + n + 13,7 MeV

d + d → ³ He + n + 3,27 MeV

Konstrukcja ekranująca zmniejsza zawodową dawkę zarówno promieniowania neutronowego, jak i gamma do znikomego poziomu. Podstawowymi składnikami byłaby woda do moderowania szybkich neutronów, bor do pochłaniania moderowanych neutronów i metal do pochłaniania promieni rentgenowskich. Szacuje się, że całkowita grubość wynosi około jednego metra, głównie wody.

Przechwytywanie energii

Fuzja aneutronowa wytwarza energię w postaci naładowanych cząstek zamiast neutronów . Oznacza to, że energia z syntezy aneutronowej może być przechwytywana przy użyciu bezpośredniej konwersji zamiast cyklu parowego . Techniki bezpośredniej konwersji mogą być albo indukcyjne, oparte na zmianach pól magnetycznych, elektrostatyczne, oparte na wżerach naładowanych cząstek przeciwko polu elektrycznym, albo fotoelektryczne, w których wychwytywana jest energia świetlna. W trybie pulsacyjnym.

Bezpośrednia konwersja elektrostatyczna wykorzystuje ruch naładowanych cząstek do wytworzenia napięcia . To napięcie napędza elektryczność w przewodzie. To staje się energią elektryczną, odwrotnością większości zjawisk, które wykorzystują napięcie do wprawiania cząstki w ruch. Bezpośrednia konwersja energii działa odwrotnie, wykorzystując ruch cząstek do wytworzenia napięcia. Został opisany jako akcelerator liniowy biegnący wstecz. Pierwszym zwolennikiem tej metody był Richard F. Post z Lawrence Livermore . Zaproponował wychwytywanie energii kinetycznej naładowanych cząstek, gdy są one wyładowywane z reaktora syntezy jądrowej, i przekształcanie jej w napięcie w celu napędzania prądu. Post pomógł opracować teoretyczne podstawy bezpośredniego nawrócenia, które później zademonstrowali Barr i Moir. Zademonstrowali 48-procentową wydajność wychwytywania energii w eksperymencie zwierciadła tandemowego w 1981 roku.

Fuzja aneutronowa traci większość swojej energii w postaci światła. Energia ta wynika z przyspieszania i zwalniania naładowanych cząstek. Te zmiany prędkości mogą być spowodowane w wyniku hamowania promieniowania lub promieniowania cyklotronu lub synchrotronowej promieniowania lub oddziaływania pól elektrycznych. Promieniowanie można oszacować za pomocą wzoru Larmora i występuje w widmach rentgenowskich, IR, UV i widzialnych. Część energii wypromieniowanej w postaci promieni rentgenowskich może zostać bezpośrednio przekształcona w energię elektryczną. Ze względu na efekt fotoelektryczny , promienie rentgenowskie przechodzące przez szereg folii przewodzących przekazują część swojej energii elektronom, które mogą być następnie wychwycone elektrostatycznie. Ponieważ promienie rentgenowskie mogą przechodzić przez materiał o znacznie większej grubości niż elektrony, do ich pochłaniania potrzeba setek lub tysięcy warstw.

Zobacz też

• Historia syntezy jądrowej

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Stowarzyszenie Focus Fusion
• Prototyp syntezy protonowo-borowej
• Fuzja aneutronowa w zdegenerowanej plazmie
• Lasery wyzwalają fuzję czyszczenia (news@nature.com, 26 sierpnia 2005)
• Obserwacja reakcji fuzji bezneutronowej w pikosekundowej plazmie laserowej (Physical Review E 72, 2005)
• Nowe możliwości dla syntezy jądrowej w XXI wieku – paliwa zaawansowane , GL Kulcinski i JFSantarius, 14. Spotkanie Tematyczne na temat Technologii Energii Fuzyjnej, 15-19 października 2000 r.,