Fuzja zderzających się wiązek

Fuzja z wiązką zderzającą ( CBF ) lub reaktor syntezy z wiązką zderzającą ( CBFR ) to klasa koncepcji energii syntezy jądrowej , które są oparte na dwóch lub więcej przecinających się wiązkach jonów paliwa fuzyjnego , które są niezależnie przyspieszane do energii syntezy jądrowej przy użyciu różnych projektów akceleratorów cząstek lub inne środki. Jedna z wiązek może zostać zastąpiona statycznym celem, w którym to przypadku podejście nazywa się fuzją opartą na akceleratorze lub fuzją wiązka-cel , ale fizyka jest taka sama jak zderzających się wiązek.

CBFR borykają się z kilkoma problemami, które ograniczają ich możliwość poważnego rozważenia jako kandydatów do energii termojądrowej . Gdy zderzają się dwa jony, istnieje większe prawdopodobieństwo ich rozproszenia niż fuzji. Reaktory termojądrowe z uwięzieniem magnetycznym rozwiązują ten problem, stosując plazmę masową i ograniczając ją przez pewien czas, tak aby jony miały wiele tysięcy szans na zderzenie. Zderzenie dwóch wiązek daje jonom niewiele czasu na interakcję, zanim wiązki się rozlecą. Ogranicza to moc syntezy jądrowej, jaką może wytworzyć maszyna wiązkowa.

CBFR oferuje bardziej wydajne sposoby dostarczania energii aktywacji do syntezy jądrowej, poprzez bezpośrednie przyspieszanie poszczególnych cząstek zamiast podgrzewania paliwa masowego. Reagenty CBFR są naturalnie nietermiczne, co daje im zalety, zwłaszcza że mogą bezpośrednio przenosić energię wystarczającą do pokonania bariery kulombowskiej aneutronicznych paliw fuzyjnych . Kilka projektów miało na celu zaradzenie niedociągnięciom wcześniejszych CBFR, w tym Migma , MARBLE, MIX i inne koncepcje oparte na wiązkach. Próbują one przezwyciężyć podstawowe wyzwania związane z CBFR poprzez zastosowanie fal radiowych , łączenie wiązek, zwiększenie recyrkulacji lub zastosowanie niektórych efektów kwantowych. Żadne z tych podejść jeszcze się nie powiodło.

Konwencjonalna fuzja

Dalsze informacje: Fuzja jądrowa

Fuzja ma miejsce, gdy atomy zbliżają się do siebie, a siła jądrowa przyciąga ich jądra, tworząc jedno większe jądro. Przeciwdziałanie temu procesowi to dodatni ładunek jąder, które odpychają się siłą elektrostatyczną . Aby doszło do fuzji, jądra muszą mieć wystarczającą energię, aby pokonać tę barierę kulombowską . Bariera jest niższa dla atomów o mniejszym ładunku dodatnim: tych z najmniejszą liczbą protonów . Siła jądrowa wzrasta wraz z większą liczbą nukleonów: całkowitą liczbą protonów i neutronów . Oznacza to, że połączenie deuteru i trytu ma najniższą barierę kulombowską, przy około 100 keV (patrz wymagania dotyczące syntezy jądrowej ).

Kiedy paliwo jest podgrzewane do wysokich energii, elektrony oddzielają się od jąder, które pozostają jako pojedyncze jony i elektrony zmieszane w gazopodobnej plazmie . Cząstki w gazie są rozłożone w szerokim zakresie energii w widmie znanym jako rozkład Maxwella-Boltzmanna . W dowolnej temperaturze większość cząstek ma niższe energie, a „ długi ogon ” zawiera mniejszą liczbę cząstek o znacznie wyższych energiach. Tak więc, podczas gdy 100 keV reprezentuje temperaturę ponad miliarda stopni, aby doszło do syntezy jądrowej, paliwo nie musi być podgrzewane do tej temperatury jako całości: niektóre reakcje zajdą nawet w niższych temperaturach ze względu na niewielką liczbę wysokoenergetycznych cząstki w mieszance.

Ponieważ reakcje syntezy jądrowej wydzielają duże ilości energii, a część tej energii zostanie ponownie osadzona w paliwie, reakcje te podgrzewają paliwo. Istnieje temperatura krytyczna, w której szybkość reakcji, a tym samym zdeponowana energia, równoważy straty do środowiska. W tym momencie reakcja staje się samopodtrzymująca, punkt znany jako zapłon . Dla paliwa DT temperatura ta wynosi od 50 do 100 milionów stopni. Ogólna szybkość syntezy i uwalniania energii netto zależy od kombinacji temperatury, gęstości i czasu utrzymywania energii, znanej jako potrójny produkt syntezy jądrowej .

Opracowano dwa podstawowe podejścia do problemu energii termojądrowej . W z uwięzieniem bezwładnościowym paliwo jest szybko ściskane do bardzo dużej gęstości, co również zwiększa temperaturę wewnętrzną w procesie adiabatycznym . Nie ma próby utrzymania tych warunków przez jakikolwiek okres czasu, paliwo eksploduje na zewnątrz, gdy tylko siła zostanie zwolniona. Czas uwięzienia jest rzędu mikrosekund, więc temperatury i gęstość muszą być bardzo wysokie, aby jakakolwiek znaczna ilość paliwa mogła ulec stopieniu. Takie podejście okazało się skuteczne w wytwarzaniu reakcji syntezy jądrowej, ale do tej pory urządzenia, które mogą zapewnić kompresję, zazwyczaj lasery , wymagają znacznie więcej energii niż produkują reakcje.

Szerzej zbadanym podejściem jest uwięzienie magnetyczne . Ponieważ plazma jest naładowana elektrycznie, będzie podążać za liniami sił magnetycznych, a odpowiednie ustawienie pól może utrzymać paliwo z dala od ścian pojemnika. Paliwo jest następnie podgrzewane przez dłuższy czas, aż część paliwa w ogonie zacznie się topić. W temperaturach i gęstościach, które są możliwe przy użyciu magnesów, proces syntezy jest dość powolny, więc to podejście wymaga długich czasów uwięzienia, rzędu dziesiątek sekund lub minut. Ograniczenie gazu do milionów stopni w takiej skali czasowej okazało się trudne, chociaż nowoczesne maszyny eksperymentalne zbliżają się do warunków potrzebnych do produkcji energii netto lub „ próg rentowności ”.

Bezpośrednie przyspieszenie

Poziom energii potrzebny do pokonania bariery kulombowskiej, około 100 keV dla paliwa DT, odpowiada milionom stopni, ale mieści się w zakresie energii, który mogą zapewnić nawet najmniejsze akceleratory cząstek . Na przykład pierwszy cyklotron , zbudowany w 1932 r., był w stanie wytworzyć 4,8 MeV w urządzeniu, które mieściło się na blacie stołu.

Oryginalne reakcje syntezy jądrowej na Ziemi zostały stworzone przez takie urządzenie w Cavendish Laboratory na Uniwersytecie Cambridge . W 1934 roku Mark Oliphant , Paul Harteck i Ernest Rutherford użyli nowego typu zasilacza do zasilania urządzenia podobnego do działa elektronowego, które strzelało jądrami deuteru do metalowej folii nasyconej deuterem , litem lub innymi lekkimi pierwiastkami. Aparatura ta pozwoliła im zbadać jądrowy przekrój poprzeczny różnych reakcji i to ich praca dała wynik 100 keV.

Szansa, że ​​jakikolwiek dany deuteron uderzy w jeden z atomów deuteru w metalowej folii, jest znikoma. Eksperyment powiódł się tylko dlatego, że trwał przez dłuższy czas, a rzadkie reakcje, które miały miejsce, były tak silne, że nie można ich było przegapić. Ale jako podstawa systemu produkcji energii po prostu by się nie sprawdziła; zdecydowana większość przyspieszonych deuteronów przechodzi przez folię bez zderzenia, a cała energia włożona w przyspieszenie jest tracona. Niewielka liczba zachodzących reakcji wydziela znacznie mniej energii niż ta, która jest dostarczana do akceleratora.

Nieco pokrewną koncepcję zbadali Stanislaw Ulam i Jim Tuck w Los Alamos krótko po drugiej wojnie światowej . W tym systemie deuter był wprowadzany do metalu, jak w eksperymentach Cavendisha, ale następnie formowany w stożek i umieszczany w z ładunkiem kształtowym . Dwie takie głowice zostały wycelowane w siebie i wystrzelone, tworząc szybko poruszające się strumienie deuteryzowanego metalu, które zderzyły się. Eksperymenty te przeprowadzono w 1946 roku, ale nie znaleziono żadnych dowodów na reakcje syntezy jądrowej.

Systemy wiązek docelowych

Aby zilustrować trudność zbudowania systemu syntezy jądrowej wiązka-cel, rozważymy jedno obiecujące paliwo fuzyjne, cykl protonowo-borowy lub p-B11.

Bor można formować w wysoce oczyszczone bloki stałe, a protony łatwo wytwarzać przez jonizację gazowego wodoru . Protony można przyspieszyć i wystrzelić w blok boru, a reakcje spowodują uwolnienie kilku cząstek alfa . Można je gromadzić w systemie elektrostatycznym w celu bezpośredniego wytwarzania energii elektrycznej bez konieczności stosowania cyklu Rankine'a lub podobnego systemu napędzanego ciepłem. Ponieważ w reakcjach nie powstają neutrony , mają one również wiele praktycznych zalet z punktu widzenia bezpieczeństwa.

Prawdopodobieństwo zderzenia jest największe, gdy protony mają energię około 675 keV. Kiedy się łączą, alfa przenoszą łącznie 8,7 MeV. Część tej energii, 0,675 MeV, musi zostać zawrócona do akceleratora, aby wytworzyć nowe protony, aby kontynuować proces, a proces generowania i przyspieszania jest mało prawdopodobny, aby był znacznie bardziej wydajny niż 50%. To wciąż pozostawia wystarczającą ilość energii netto do zamknięcia cyklu. Zakłada to jednak, że każdy proton powoduje fuzję, która nie występuje. Biorąc pod uwagę prawdopodobieństwo wystąpienia reakcji, wypadkowy cykl to:

E netto = 8,7 MeVζ p ζ B - 0,675 MeV

gdzie ζ p i ζ B to prawdopodobieństwo, że dany proton lub bor ulegnie reakcji. Układając ponownie, możemy pokazać, że:

ζ p ζ B = 0,67 MeV / 8,6 MeV = 1 / 13

1/13 , że aby wyjść na zero, system potrzebuje co najmniej cząstek, aby uległy fuzji. Aby proton miał szansę zderzyć się z borem, musi pokonać wiele atomów boru. Współczynnik kolizji wynosi:

n zdarzeń = σ ρ re

gdzie σ to przekrój poprzeczny jądra między protonem a borem, ρ to gęstość boru, a d to średnia odległość, jaką proton pokonuje przez bor, zanim przejdzie reakcję syntezy jądrowej. Dla p-B11, σ wynosi 0,9 x 10-24 cm -2 , ρ wynosi 2,535 g/cm3 , a więc d ~ 8 cm. Jednak podróż przez blok powoduje, że proton jonizuje atomy boru, które mija, co spowalnia proton. Przy 0,675 MeV proces ten spowalnia proton do energii sub-keV o około 10-4 cm , czyli o wiele rzędów wielkości mniej niż jest to wymagane.

Zderzające się belki

Sprawę można nieco poprawić, używając dwóch akceleratorów strzelających do siebie zamiast jednego akceleratora i nieruchomego celu. W tym przypadku drugie paliwo, bor w powyższym przykładzie, jest już zjonizowane, więc „opór jonizacji” widziany przez protony wchodzące do bloku stałego jest wyeliminowany.

W tym przypadku jednak pojęcie charakterystycznej długości oddziaływania nie ma żadnego znaczenia, ponieważ nie ma stałego celu. Zamiast tego, w przypadku tego typu systemów, typową miarą jest użycie jasności wiązki , L, terminu, który łączy przekrój poprzeczny reakcji z liczbą zdarzeń. Termin ten jest zwykle definiowany jako:

L = 1 / σ re N / re t

Na potrzeby tej dyskusji zmienimy to, aby wyodrębnić częstotliwość kolizji:

re N / re t = σ L

Każde z tych zderzeń wytworzy 8,7 MeV, więc pomnożenie przez d N / d t daje moc. Do wygenerowania N zderzeń potrzebna jest jasność L, wygenerowanie L wymaga mocy, więc ilość energii potrzebnej do wytworzenia danego L można obliczyć poprzez:

L = P / σ 8,76 MeV

Jeśli ustawimy P na 1 MW, co odpowiada małej turbinie wiatrowej , wymaga to L równego 10 42 cm −2 s −1 . Dla porównania, światowy rekord jasności ustanowiony przez Wielki Zderzacz Hadronów w 2017 r. wyniósł 2,06 x 10 34 cm -2 s -1 , czyli o dziesięć rzędów wielkości za mało.

Przecinające się belki

Biorąc pod uwagę wyjątkowo małe przekroje poprzeczne interakcji, liczba cząstek wymaganych w obszarze reakcji jest ogromna, daleko poza jakąkolwiek istniejącą technologią. Ale zakłada to, że cząstki, o których mowa, przechodzą przez układ tylko raz. Jeśli cząstki, które ominęły zderzenia, można poddać recyklingowi w taki sposób, aby ich energia mogła zostać zatrzymana, a cząstki miały wiele szans na zderzenie, można zmniejszyć nierównowagę energii.

Jednym z takich rozwiązań byłoby umieszczenie obszaru reakcji układu dwuwiązkowego między biegunami silnego magnesu. Pole spowoduje, że naładowane elektrycznie cząstki wyginają się po kołowych ścieżkach i ponownie wracają do obszaru reakcji. Jednak takie systemy w naturalny sposób powodują rozogniskowanie cząstek, więc nie doprowadzi ich to z powrotem do ich pierwotnych trajektorii wystarczająco dokładnie, aby uzyskać pożądane gęstości.

Lepszym rozwiązaniem jest użycie dedykowanego pierścienia do przechowywania , który zawiera systemy ogniskowania w celu zachowania dokładności wiązki. Jednak akceptują one tylko cząstki w stosunkowo wąskim zakresie oryginalnych trajektorii. Jeśli dwie cząsteczki zbliżą się do siebie i rozproszą pod kątem, nie będą już zawracać do obszaru przechowywania. Łatwo jest wykazać, że współczynnik utraty z powodu takiego rozproszenia jest znacznie większy niż współczynnik fuzji.

Podejmowano wiele prób rozwiązania tego problemu rozpraszania.

Migma

Dalsze informacje: Migma

Urządzenie Migma jest być może pierwszą znaczącą próbą rozwiązania problemu recyrkulacji. Wykorzystuje system przechowywania, który w rzeczywistości składał się z nieskończonej liczby pierścieni do przechowywania rozmieszczonych w różnych miejscach i pod różnymi kątami. Nie odbywa się to poprzez dodatkowe komponenty lub konfiguracje sprzętowe, ale poprzez staranne rozmieszczenie pól magnetycznych w szerokiej, ale płaskiej cylindrycznej komorze próżniowej. Tylko jony przechodzące zdarzenia rozpraszania pod bardzo dużym kątem byłyby tracone, a obliczenia sugerują, że szybkość tych zdarzeń była taka, że ​​dowolny dany jon przeszedłby przez obszar reakcji 10 8 razy przed rozproszeniem. To wystarczyłoby do utrzymania dodatniej produkcji energii.

Zbudowano kilka urządzeń Migma, które okazały się obiecujące, ale nie wykroczyły poza urządzenia średniej wielkości. Podniesiono kilka teoretycznych obaw w oparciu o ładunku kosmicznego , które sugerowały, że zwiększenie gęstości paliwa do użytecznych poziomów wymagałoby ogromnych magnesów, aby je ograniczyć. Podczas rund finansowania system pogrążył się w zaciekłej debacie z różnymi agencjami energetycznymi, a dalszy rozwój zakończył się w latach 80.

Tri-alfa

Dalsze informacje: TAE Technologies

Podobną koncepcję podejmuje firma TAE Technologies , dawniej Tri-Alpha Energy (TAE), oparta w dużej mierze na pomysłach Normana Rostokera, profesora Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine . Wczesne publikacje z początku lat 90. przedstawiają urządzenia wykorzystujące konwencjonalne przecinające się pierścienie magazynujące i układy ponownego ogniskowania, ale późniejsze dokumenty z 1996 r. Dotyczą zupełnie innego systemu wystrzeliwującego jony paliwa w konfigurację odwróconego pola (FRC).

FRC to samostabilny układ plazmy, którego geometria wygląda jak połączenie pierścienia wirowego i grubościennej rurki. Pola magnetyczne utrzymują cząsteczki uwięzione między ściankami rury, szybko krążąc. TAE zamierza najpierw wytworzyć stabilny FRC, a następnie użyć akceleratorów do wystrzelenia w niego dodatkowych jonów paliwa, aby zostały uwięzione. Jony kompensują wszelkie straty promieniowania z FRC i wprowadzają więcej helikalności magnetycznej do FRC, aby zachować jego kształt. Jony z akceleratorów zderzają się, powodując syntezę jądrową.

Kiedy koncepcja została ujawniona po raz pierwszy, zebrała kilka negatywnych recenzji w czasopismach. Kwestie te zostały wyjaśnione, a następnie zbudowano kilka małych urządzeń eksperymentalnych. Od 2018 r. najlepiej zgłaszana wydajność systemu jest oddalona o około 10–12 od progu rentowności. Na początku 2019 roku ogłoszono, że zamiast tego system będzie rozwijany przy użyciu konwencjonalnych paliw DT, a firma zmieniła nazwę na TAE.

Bezwładnościowe uwięzienie elektrostatyczne

Jako dławiki zaproponowano kilka typów urządzeń bezwładnościowego utrzymywania elektrostatycznego (IEC).

Fuzor

Dalsze informacje: Fuzor

Klasycznym przykładem urządzenia IEC jest fuzor . Typowy Fusor ma dwie kuliste metalowe klatki, jedną w drugiej, w próżni. Pomiędzy dwiema klatkami umieszcza się wysokie napięcie . Wtrysk paliwa gazowego. Paliwo jonizuje i jest przyspieszane w kierunku klatki wewnętrznej. Jony, które ominą wewnętrzną klatkę, mogą się ze sobą łączyć.

Fuzory nie są uważane za część rodziny CBFR, ponieważ tradycyjnie nie używają wiązek.

Istnieje wiele problemów z fuzorem jako reaktorem termojądrowym . Jednym z nich jest to, że sieci elektryczne są naładowane do punktu, w którym istnieje silna siła mechaniczna ciągnąca je razem, co ogranicza, jak małe mogą być materiały siatki. Skutkuje to minimalną szybkością kolizji między jonami a siatkami, usuwając energię z układu. Dodatkowo zderzenia te powodują odpryski metalu w paliwie, co powoduje, że paliwo szybko traci energię poprzez promieniowanie. Może się zdarzyć, że najmniejszy możliwy materiał siatki jest nadal wystarczająco duży, aby zderzenia z jonami usunęły energię z układu szybciej niż szybkość syntezy jądrowej. Poza tym istnieje kilka mechanizmów utraty, które sugerują, że promieniowanie rentgenowskie z takiego układu również usunie energię szybciej, niż może ją dostarczyć fuzja.

N-ciało

W 2017 roku University of Maryland przeprowadził symulację systemu wiązek N-Body, aby określić, czy recyrkulujące wiązki jonów mogą osiągnąć warunki syntezy jądrowej. Modele pokazały, że koncepcja była zasadniczo ograniczona, ponieważ nie mogła osiągnąć wystarczającej gęstości potrzebnej do uzyskania energii termojądrowej.

Polywell

Dalsze informacje: Polywell sp

Próbę uniknięcia problemów z kolizją siatki podjął Robert Bussard w swoim projekcie Polywell . Wykorzystuje to wierzchołkowe układy pola magnetycznego do wytwarzania „wirtualnych elektrod” składających się z uwięzionych elektronów. Rezultatem jest wytworzenie pola przyspieszającego podobnego do wytwarzanego przez druty siatki w fuzorze, ale bez drutów. Zderzenia z elektronami w wirtualnych elektrodach są możliwe, ale w przeciwieństwie do fuzora nie powodują one strat poprzez odpryski jonów metali.

Największą wadą Polywell jest zdolność do utrzymywania ujemnej plazmy przez dłuższy czas. W praktyce każda znacząca ilość ładunku ujemnego szybko znika. Co więcej, analiza przeprowadzona przez Todda Ridera w 1995 roku sugeruje, że każdy system, który ma plazmę nierównowagową, będzie cierpiał z powodu szybkiej utraty energii przez bremsstrahlung . Bremsstrahlung występuje, gdy naładowana cząstka jest gwałtownie przyspieszana, powodując, że emituje promieniowanie rentgenowskie, a tym samym traci energię. W przypadku urządzeń IEC, w tym zarówno fuzora, jak i polywell, zderzenia między ostatnio przyspieszonymi jonami wchodzącymi do obszaru reakcji a jonami i elektronami o niskiej energii tworzą dolną granicę bremsstrahlung, która wydaje się być znacznie wyższa niż jakakolwiek możliwa szybkość fuzji.

Notatki

Cytaty

Bibliografia

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Colliding_beam_fusion&oldid=1127331003 ”