Слияние встречных пучков

Столкновительный лучевой термоядерный синтез ( CBF ) или реактор столкновительного пучка ( CBFR ) — это класс концепций термоядерной энергии , основанных на двух или более пересекающихся пучках ионов термоядерного топлива , которые независимо ускоряются до энергий термоядерного синтеза с использованием различных конструкций ускорителей частиц или других средств. Один из пучков может быть заменен статической мишенью, в этом случае подход называется ускорительным термоядерным синтезом или синтезом пучка-мишени , но физика та же, что и у встречных пучков. ^[1]

CBFR сталкиваются с несколькими проблемами, которые ограничивают их способность серьезно рассматриваться в качестве кандидатов для термоядерной энергетики . Когда сталкиваются два иона, они, скорее всего, рассеются, чем сольются. Реакторы термоядерного синтеза с магнитным удержанием преодолевают эту проблему, используя объемную плазму и удерживая ее в течение некоторого времени, так что у ионов есть много тысяч шансов столкнуться. Два сталкивающихся пучка дают ионам мало времени для взаимодействия, прежде чем пучки разлетятся. Это ограничивает то, сколько термоядерной энергии может выработать машина «луч-луч».

CBFR предлагает более эффективные способы обеспечения энергии активации для синтеза, путем прямого ускорения отдельных частиц, а не нагревания основной массы топлива. Реагенты CBFR по своей природе нетепловые, что дает им преимущества, особенно то, что они могут напрямую переносить достаточно энергии для преодоления кулоновского барьера безнейтронного термоядерного топлива. Несколько проектов пытались устранить недостатки более ранних CBFR, включая Migma , MARBLE, MIX и другие концепции на основе пучков. Они пытаются преодолеть фундаментальные проблемы CBFR, применяя радиоволны , группируя пучки вместе, увеличивая рециркуляцию или применяя некоторые квантовые эффекты. Ни один из этих подходов пока не увенчался успехом.

Синтез происходит, когда атомы оказываются в непосредственной близости, и ядерная сила стягивает их ядра вместе, образуя одно большее ядро. Противодействие этому процессу оказывает положительный заряд ядер, которые отталкиваются друг от друга из-за электростатической силы . Чтобы произошел синтез, ядра должны обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть этот кулоновский барьер . Барьер ниже для атомов с меньшим положительным зарядом: тех, у которых меньше всего протонов . Ядерная сила увеличивается с большим количеством нуклонов: общим числом протонов и нейтронов . Это означает, что комбинация дейтерия и трития имеет самый низкий кулоновский барьер, около 100 кэВ (см. требования для синтеза ). ^[2]

Когда топливо нагревается до высоких энергий, электроны отделяются от ядер, которые остаются в виде отдельных ионов и электронов, смешанных в газообразной плазме . Частицы в газе распределены по широкому диапазону энергий в спектре, известном как распределение Максвелла-Больцмана . При любой заданной температуре большинство частиц находятся при более низких энергиях, с « длинным хвостом », содержащим меньшее количество частиц при гораздо более высоких энергиях. Таким образом, хотя 100 кэВ представляет собой температуру более миллиарда градусов, для осуществления событий синтеза топливо не нужно нагревать до этой температуры в целом: некоторые реакции будут происходить даже при более низких температурах из-за небольшого количества высокоэнергетических частиц в смеси. ^[2]

Поскольку реакции синтеза выделяют большое количество энергии, и часть этой энергии будет возвращена обратно в топливо, эти реакции нагревают топливо. Существует критическая температура, при которой скорость реакций, а значит и выделяемая энергия, уравновешивают потери в окружающую среду. В этой точке реакция становится самоподдерживающейся, точка, известная как воспламенение . Для DT-топлива эта температура составляет от 50 до 100 миллионов градусов. Общая скорость синтеза и чистое высвобождение энергии зависят от комбинации температуры, плотности и времени удержания энергии, известной как тройной продукт синтеза . ^[2]

Для решения проблемы термоядерной энергии были разработаны два основных подхода . В подходе инерционного удержания топливо быстро сжимается до чрезвычайно высоких плотностей, что также увеличивает внутреннюю температуру посредством адиабатического процесса . Нет никаких попыток поддерживать эти условия в течение какого-либо периода времени, топливо взрывается наружу, как только высвобождается сила. Время удержания составляет порядка микросекунд, поэтому температура и плотность должны быть очень высокими для любого заметного количества топлива, чтобы подвергнуться термоядерному синтезу. Этот подход оказался успешным в создании термоядерных реакций, но на сегодняшний день устройства, которые могут обеспечить сжатие, как правило, лазеры , требуют гораздо больше энергии, чем производят реакции. ^[2]

Более широко изученный подход — магнитное удержание . Поскольку плазма электрически заряжена, она будет следовать магнитным силовым линиям, а подходящее расположение полей может удерживать топливо вдали от стенок контейнера. Затем топливо нагревается в течение длительного периода, пока часть топлива в хвосте не начнет подвергаться термоядерному синтезу. При температурах и плотностях, которые возможны при использовании магнитов, процесс термоядерного синтеза довольно медленный, поэтому этот подход требует длительного времени удержания порядка десятков секунд или минут. Удержание газа при миллионах градусов для такого рода временного масштаба оказалось сложным, хотя современные экспериментальные машины приближаются к условиям, необходимым для чистой выработки энергии, или « безубыточности ». ^[2]

Уровни энергии, необходимые для преодоления кулоновского барьера, около 100 кэВ для DT-топлива, соответствуют миллионам градусов, но находятся в диапазоне энергий, которые могут быть обеспечены даже самыми маленькими ускорителями частиц . Например, самый первый циклотрон , построенный в 1932 году, был способен производить 4,8 МэВ в устройстве, которое помещалось на столе. ^[3]

Первоначальные реакции термоядерного синтеза на Земле были созданы таким устройством в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета . В 1934 году Марк Олифант , Пол Хартек и Эрнест Резерфорд использовали новый тип источника питания для питания устройства, похожего на электронную пушку, чтобы стрелять ядрами дейтерия в металлическую фольгу, наполненную дейтерием , литием или другими легкими элементами. Этот аппарат позволил им изучить ядерное поперечное сечение различных реакций, и именно их работа дала цифру в 100 кэВ. ^[4]

Вероятность того, что любой данный дейтрон столкнется с одним из атомов дейтерия в металлической фольге, ничтожно мала. Эксперимент удался только потому, что он длился долгое время, а редкие реакции, которые происходили, были настолько мощными, что их нельзя было пропустить. Но как основа системы для производства энергии он просто не сработал бы; подавляющее большинство ускоренных дейтронов проходят прямо через фольгу, не подвергаясь столкновению, и вся энергия, затраченная на его ускорение, теряется. Небольшое количество реакций, которые происходят, выделяют гораздо меньше энергии, чем та, что подается в ускоритель. ^{[4] [1]}

Несколько схожая концепция была исследована Станиславом Уламом и Джимом Таком в Лос-Аламосе вскоре после Второй мировой войны . В этой системе дейтерий вводился в металл, как в экспериментах Кавендиша, но затем формировался в конус и вставлялся в кумулятивные боеголовки. Две такие боеголовки были нацелены друг на друга и выстрелены, образуя быстро движущиеся струи дейтерированного металла, которые сталкивались. Эти эксперименты были проведены в 1946 году, но не смогли обнаружить никаких доказательств реакций синтеза. ^[5]

Чтобы проиллюстрировать сложность создания системы термоядерного синтеза с пучком и мишенью, мы рассмотрим одно перспективное термоядерное топливо — протонно-борный цикл, или p-B11. ^[6]

Бор может быть сформирован в высокоочищенные твердые блоки, а протоны легко производятся путем ионизации водорода . Протоны могут быть ускорены и запущены в блок бора, и реакции приведут к высвобождению нескольких альфа-частиц . Их можно собрать в электростатической системе для непосредственного производства электроэнергии без необходимости использования цикла Ренкина или аналогичной тепловой системы. Поскольку реакции не создают нейтронов напрямую, они также имеют много практических преимуществ для безопасности. ^[7]

Вероятность столкновения максимальна, когда протоны имеют энергию около 675 кэВ. Когда они сливаются, альфа-частицы уносят в общей сложности 8,7 МэВ. Часть этой энергии, 0,675 МэВ, должна быть повторно использована в ускорителе для производства новых протонов для продолжения процесса, и процесс генерации и ускорения вряд ли будет эффективнее 50%. Это все еще оставляет достаточно чистой энергии для замыкания цикла. Однако это предполагает, что каждый протон вызывает событие слияния, чего не происходит. Учитывая вероятность реакции, результирующий цикл будет следующим:

E _net = 8,7 МэВζ _p ζ _B - 0,675 МэВ ^[8]

где ζ _p и ζ _B — вероятности того, что любой данный протон или бор подвергнется реакции. Перегруппировав, мы можем показать, что:

ζ _p ζ _B = 0,67 МэВ / 8,6 МэВ = 1 ⁄ 13 ^[8]

Это означает, что для выхода на уровень безубыточности системе необходимо, чтобы по крайней мере 1 ⁄ 13 частиц подверглись слиянию. Чтобы гарантировать, что протон имеет шанс столкнуться с бором, он должен пройти мимо многих атомов бора. Частота столкновений составляет:

n _{событий} = σ ρ d ^[8]

где σ — ядерное поперечное сечение между протоном и бором, ρ — плотность бора, а d — среднее расстояние, которое протон проходит через бор, прежде чем подвергнется реакции синтеза. Для p-B11 σ составляет 0,9 x 10−24 ^см  − ² , ρ составляет 2,535 г/см3 ^, и, таким образом, d ~ 8 см. Однако прохождение через блок заставляет протон ионизировать атомы бора, через которые он проходит, что замедляет протон. При 0,675 МэВ этот процесс замедляет протон до энергий ниже кэВ примерно за 10−4 ^см  , что на много порядков меньше требуемого. ^[8]

Вещи можно несколько улучшить, используя два ускорителя, стреляющих друг в друга, вместо одного ускорителя и неподвижной мишени. В этом случае второе топливо, бор в приведенном выше примере, уже ионизировано, поэтому «ионизационное сопротивление», наблюдаемое протонами, входящими в твердый блок, устраняется. ^[9]

Однако в этом случае понятие характерной длины взаимодействия не имеет смысла, поскольку нет твердой цели. Вместо этого для этих типов систем типичной мерой является использование светимости пучка , L, термина, который объединяет сечение реакции с числом событий. Термин обычно определяется как:

Л = ⁠1/σ⁠ ⁠д Н/д т⁠ ^[10]

Для этого обсуждения мы перестроим его так, чтобы извлечь частоту столкновений:

⁠д Н/д т⁠ = σ L ^[10]

Каждое из этих столкновений даст 8,7 МэВ, поэтому умножаем на ⁠д Н/д т⁠ дает мощность. Для генерации N столкновений требуется светимость L, генерация L требует мощности, поэтому можно рассчитать количество мощности, необходимое для создания заданного L, через:

Л = ⁠П/σ 8,76 МэВ⁠ ^[11]

Если мы установим P на уровне 1 МВт, что эквивалентно небольшой ветровой турбине , то для этого потребуется L в размере ¹⁰⁴²  см ⁻² с ⁻¹ . ^[10] Для сравнения, мировой рекорд светимости, установленный Большим адронным коллайдером в 2017 году, составил 2,06 x ¹⁰³⁴  см ⁻² с ⁻¹ , что более чем на семь порядков меньше. ^[12]

Учитывая чрезвычайно низкие сечения взаимодействия, количество частиц, необходимых в зоне реакции, огромно, намного превышает возможности любой существующей технологии. Но это предполагает, что рассматриваемые частицы проходят через систему только один раз. Если частицы, которые пропустили столкновения, могут быть переработаны таким образом, что их энергия может быть сохранена, и частицы имеют несколько шансов столкнуться, энергетический дисбаланс может быть уменьшен. ^[9]

Одним из таких решений было бы размещение области реакции двухлучевой системы между полюсами мощного магнита. Поле заставит электрически заряженные частицы изгибаться по круговым траекториям и снова возвращаться в область реакции. Однако такие системы естественным образом расфокусируют частицы, поэтому это не вернет их к исходным траекториям достаточно точно, чтобы получить желаемые плотности. ^[9]

Лучшим решением является использование специального накопительного кольца , включающего системы фокусировки для поддержания точности пучка. Однако они принимают частицы только в относительно узком наборе исходных траекторий. Если две частицы сблизятся и разлетятся под углом, они больше не будут возвращаться в область хранения. ^[1] Легко показать, что скорость потерь от таких рассеяний намного больше скорости слияния. ^[9]

Было предпринято много попыток решить эту проблему рассеяния.

Устройство Migma , возможно, является первой значительной попыткой решить проблему рециркуляции. Оно использует систему хранения, которая, по сути, представляет собой бесконечное число колец хранения, расположенных в разных местах и ​​под разными углами. Это достигается не добавлением компонентов или конфигураций оборудования, а посредством тщательного расположения магнитных полей внутри широкой, но плоской цилиндрической вакуумной камеры. Только ионы, подвергающиеся событиям рассеяния под очень большим углом, будут потеряны, и расчеты показывают, что скорость этих событий такова, что любой данный ион пройдет через зону реакции 10 ⁸ раз, прежде чем рассеется. Этого будет достаточно для поддержания положительного выхода энергии. ^[13]

Было построено несколько устройств Migma, которые подавали некоторые надежды, но они не продвинулись дальше устройств среднего размера. Было высказано несколько теоретических опасений, основанных на соображениях предела пространственного заряда , которые предполагали, что увеличение плотности топлива до полезных уровней потребует огромных магнитов для его удержания. Во время раундов финансирования система увязла в ожесточенных дебатах с различными энергетическими агентствами, и дальнейшая разработка прекратилась в 1980-х годах. ^[14]

Аналогичную концепцию пытается реализовать компания TAE Technologies , ранее Tri-Alpha Energy (TAE), основанная в основном на идеях Нормана Ростокера, профессора Калифорнийского университета в Ирвайне . Ранние публикации начала 1990-х годов показывают устройства, использующие обычные пересекающиеся накопительные кольца и перефокусирующие устройства, но более поздние документы от 1996 года используют совершенно другую систему, запускающую топливные ионы в конфигурацию с обращенным полем (FRC). ^[15]

FRC — это самоустойчивая структура плазмы, геометрия которой напоминает смесь вихревого кольца и толстостенной трубки. Магнитные поля удерживают частицы, запертые между стенками трубки, быстро циркулируя. TAE намеревается сначала создать устойчивую FRC, а затем использовать ускорители для запуска в нее дополнительных топливных ионов, чтобы они оказались захваченными. Ионы компенсируют любые радиационные потери из FRC и вводят больше магнитной спиральности в FRC, чтобы сохранить его форму. Ионы из ускорителей сталкиваются, производя термоядерный синтез. ^[15]

Когда концепция была впервые представлена, она получила несколько негативных отзывов в журналах. ^{[16] [17]} Эти проблемы были объяснены, и последовало строительство нескольких небольших экспериментальных устройств. По состоянию на 2018 год ^{[обновлять]}, наилучшая сообщаемая производительность системы составляет примерно 10 ⁻¹² от безубыточности. В начале 2019 года было объявлено, что система вместо этого будет разработана с использованием обычного топлива DT, и компания изменила свое название на TAE. ^[18]

В качестве реакторов предлагается использовать несколько типов устройств инерционного электростатического удержания (ИЭУ).

Классический пример устройства IEC — фузор . Типичный фузор имеет две сферические металлические клетки, одна внутри другой, в вакууме. Высокое напряжение подается между двумя клетками. Впрыскивается топливный газ. ^{[19] [20]} Топливо ионизируется и ускоряется по направлению к внутренней клетке. Ионы, которые не попадают во внутреннюю клетку, могут сливаться вместе.

Фузоры не считаются частью семейства CBFR, поскольку они традиционно не используют лучи.

С фьюзором как термоядерным энергетическим реактором связано много проблем. Одна из них заключается в том, что электрические сетки заряжены до такой степени, что их стягивает вместе сильная механическая сила, что ограничивает размер материалов сетки. Это приводит к минимальной скорости столкновений между ионами и сетками, что приводит к потере энергии из системы. Кроме того, эти столкновения приводят к откалыванию металла в топливо, что приводит к быстрой потере энергии из-за излучения. Возможно, что наименьший возможный материал сетки все еще достаточно велик, чтобы столкновения с ионами отнимали энергию из системы быстрее, чем скорость термоядерного синтеза. Помимо этого, существует несколько механизмов потерь, которые предполагают, что рентгеновское излучение от такой системы также будет отнимать энергию быстрее, чем ее может предоставить термоядерный синтез. ^[20]

В 2017 году Мэрилендский университет смоделировал систему пучка N-Body, чтобы определить, могут ли рециркулирующие ионные пучки достичь условий синтеза. Модели показали, что концепция была принципиально ограничена, поскольку она не могла достичь достаточных плотностей, необходимых для термоядерной энергии.

Попытка избежать проблем со столкновением сеток была предпринята Робертом Буссардом в его конструкции Polywell . Она использует расположение магнитного поля каспа для создания «виртуальных электродов», состоящих из захваченных электронов. Результатом является создание ускоряющего поля, похожего на поле, создаваемое проводами сетки в фузоре, но без проводов. Столкновения с электронами в виртуальных электродах возможны, но в отличие от фузора, они не вызывают потерь из-за отколовшихся ионов металла. ^[21]

Самый большой недостаток поливелла — его способность удерживать плазму отрицательной в течение значительного периода времени. На практике любое значительное количество отрицательного заряда быстро исчезает. Кроме того, анализ Тодда Райдера в 1995 году предполагает, что любая система, имеющая неравновесную плазму, будет испытывать быстрые потери энергии через тормозное излучение . Тормозное излучение происходит, когда заряженная частица быстро ускоряется, заставляя ее излучать рентгеновские лучи и, таким образом, терять энергию. В случае устройств IEC, включая как фузор, так и поливелл, столкновения между недавно ускоренными ионами, входящими в зону реакции, и ионами и электронами с низкой энергией образуют нижний предел тормозного излучения, который, по-видимому, намного выше любой возможной скорости синтеза. ^[22]

• Криз, Роберт (27 ноября 1989 г.). «Крестовый поход физика-визионера служит уроком тщетности». The Scientist .
• Маглич, Богдан (1973). «Принцип управляемого термоядерного синтеза Мигмы». Ядерные приборы и методы . 111 (2): 213– 235. Bibcode : 1973NucIM.111..213M. doi : 10.1016/0029-554X(73)90068-2.
• Макмахон, Джефф (14 января 2019 г.). «Энергия из термоядерного синтеза через «пару лет», говорит генеральный директор, коммерциализация через пять». Forbes .
• Nevins, WM; Carlson, A. (17 июля 1998 г.). "Возможность создания реактора термоядерного синтеза на встречных пучках". Science . 281 (5375): 307. Bibcode :1998Sci...281..307C. doi : 10.1126/science.281.5375.307a .
• Райдер, Тодд (июнь 1995 г.). "Общая критика систем термоядерного синтеза с инерционно-электростатическим удержанием" (PDF) . Физика плазмы . 2 (6): 1853– 1872. Bibcode :1995PhPl....2.1853R. doi :10.1063/1.871273. hdl : 1721.1/29869 . S2CID  12336904.
• Ростокер, Норман; Биндербауэр, Михль; Монкхорст, Хендрик (21 ноября 1997 г.). "Colliding Beam Fusion Reactor". Science . 278 (5342): 1419– 1422. Bibcode :1997Sci...278.1419R. doi :10.1126/science.278.5342.1419. PMID  9367946.
• Руджеро, Алессандро (сентябрь 1992 г.). Ядерный синтез протонов с бором (PDF) . Конференция по перспективам инерциального синтеза тяжелых ионов. Агия Пелагия, Крит, Греция.
• Спэнглер, Дэн (1 ноября 2013 г.). «Сделай фузор». Make . Т. 36. С. 90.
• «Fusor: давно известный подход». Эйндховенский технический университет .
• Вонг, Х. Вернон; Брайцман, Б. Н.; Ван Дам, Дж. В. Протонно-боровый (p − B11) встречный пучковый термоядерный реактор (PDF) (Технический отчет). Институт исследований термоядерного синтеза, Техасский университет в Остине.
• «Проект малозатратного термоядерного синтеза выходит из тени и ищет деньги». NBC News . 14 июня 2013 г.
• Олифант, М. Л.; Хартек, П.; Резерфорд, Э. (17 марта 1934 г.). «Эффекты трансмутации, наблюдаемые с тяжелым водородом». Nature . 133 (413): 413. Bibcode :1934Natur.133..413O. doi : 10.1038/133413a0 . S2CID  4078529.
• Tuck, James (1958). Обзор контролируемых термоядерных исследований в Лос-Аламосе за середину 1958 г. (технический отчет). Лос-Аламос. CiteSeerX  10.1.1.455.1581 .
• «Ядерная термоядерная энергетика». Всемирная ядерная ассоциация . Июль 2019 г.