Анейтронный синтез - Aneutronic fusion

Литий-6 - реакция синтеза дейтерия : анейтронная реакция синтеза, при которой выделяемая 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 высвобождают до 80% своей энергии в форме нейтронов , анейтронные реакции выделяют энергию в виде заряженных частиц, обычно протонов или альфа-частиц . Успешный анейтронный синтез значительно снизит проблемы, связанные с нейтронным излучением, такие как разрушающее ионизирующее излучение , активация нейтронами , а также требования к биологической защите, удаленному обращению и безопасности.

Поскольку преобразовать энергию заряженных частиц в электрическую энергию проще, чем преобразовать энергию незаряженных частиц, анейтронная реакция была бы привлекательной для энергосистем. Некоторые сторонники видят потенциал для резкого снижения затрат за счет прямого преобразования энергии в электричество, а также за счет устранения излучения нейтронов, от которого трудно защитить себя. Однако условия, необходимые для использования анейтронного синтеза, гораздо более экстремальные, чем условия, необходимые для дейтерий-тритиевого синтеза, который исследуется в ITER или Wendelstein 7-X .

Кандидатские реакции

Некоторые ядерные реакции не производят нейтронов ни на одной из своих ветвей. Те, у которых наибольшее поперечное сечение , это:

Анейтронные реакции с высоким ядерным сечением
Изотопы Реакция
Дейтерий - Гелий-3 2 Д + 3 Он   4 Он + 1 шт. + 18,3 МэВ
Дейтерий - Литий-6 2 Д + 6 Ли 2 4 Он     + 22,4 МэВ
Протон - Литий-6 1 шт. + 6 Ли 4 Он + 3 Он + 4,0 МэВ
Гелий-3 - Литий-6 3 Он + 6 Ли 2 4 Он + 1 шт. + 16,9 МэВ
Гелий-3 - Гелий-3 3 Он + 3 Он   4 Он + 2 1 п + 12,86 МэВ
Протон - Литий-7 1 шт. + 7 Ли 2 4 Он     + 17,2 МэВ
Протон - Бор-11 1 шт. + 11 млрд 3 4 Он     + 8,7 МэВ
Протон - Азот 1 шт. + 15 с.ш.   12 С + 4 Он + 5,0 МэВ

Определение

Реакции синтеза можно разделить на категории по нейтронности реакции, то есть доля энергии синтеза, выделяемая в виде нейтронов. Это важный показатель масштабов проблем, связанных с нейтронами, таких как радиационное повреждение, биологическая защита, удаленное обращение и безопасность. Штат Нью-Джерси определил анейтронную реакцию как реакцию, в которой нейтроны несут не более 1% от общей выделенной энергии, хотя многие статьи по анейтронному синтезу включают реакции, которые не соответствуют этому критерию.

Скорость реакции

Сложность реакции синтеза характеризуется энергией, необходимой ядрам для преодоления их взаимного электростатического отталкивания, так называемого кулоновского барьера . Это функция общего электрического заряда топливных ионов и, таким образом, минимизирована для ионов с наименьшим числом протонов . Электростатическому отталкиванию противодействует ядерная сила , которая увеличивается с числом нуклонов.

В большинстве концепций термоядерных реакторов 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 будут иметь совокупность частиц с очень высокой энергией, даже если основная масса газа имеет гораздо более низкую среднюю энергию. Устройства Fusion полагаются на это распределение; даже при объемных температурах, намного ниже энергии кулоновского барьера, энергия, выделяемая в результате реакций, настолько велика, что улавливание ее части обратно в топливо приведет к тому, что популяция высокоэнергетических ионов внутри него будет достаточно высокой, чтобы поддерживать реакцию.

Таким образом, стабильная работа реактора основана на балансе между скоростью, с которой энергия добавляется к топливу в результате реакций термоядерного синтеза, и скоростью потери энергии в окружающую среду в результате широкого разнообразия процессов. Эту концепцию лучше всего можно выразить как тройной продукт плавления , произведение температуры, плотности и «времени удержания», количество времени, в течение которого энергия остается в топливе перед утечкой в ​​окружающую среду. Произведение температуры и плотности дает скорость реакции для любого данного топлива. Скорость реакции пропорциональна ядерному сечению («σ»).

Любое термоядерное устройство имеет максимальное давление плазмы, которое оно может выдержать, и экономичное устройство всегда будет работать около этого максимума. При таком давлении наибольшая мощность плавления достигается, когда температура выбирается так, чтобы <σv> / T 2 было 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 (см. Критерий Лоусона ). Плазма «воспламеняется», если реакции синтеза производят достаточно энергии для поддержания температуры без внешнего нагрева.

Поскольку кулоновский барьер является произведением количества нуклонов в топливных ионах, различные разновидности тяжелого водорода, дейтерия и трития (DT) дают топливо с самым низким общим кулоновским барьером. Все другие потенциальные виды топлива будут иметь более высокий кулоновский барьер и, следовательно, потребуют более высоких рабочих температур. Кроме того, топливо DT имеет самое высокое ядерное сечение, что означает, что скорость реакции будет выше, чем у любого другого топлива. Это означает, что синтез DT легче всего осуществить, и можно сравнить потенциал других видов топлива, сравнивая его с реакцией DT. В таблице ниже показаны температура воспламенения и сечение трех возможных анейтронных реакций по сравнению с DT:

Реакция Зажигание
Т [кэВ]
<σv> / T 23 / с / кэВ 2 ]
2
1
D
-3
1
Т
13,6 1,24 × 10 −24
2
1
D
-3
2
Он
58 2,24 × 10 −26
р + -6
3
Ли
66 1,46 × 10 −27
р + -11
5
B
123 3,01 × 10 −27

Как видно, самая легкая для воспламенения из анейтронных реакций, D- 3 He, имеет температуру воспламенения более чем в четыре раза выше, чем у реакции DT, и, соответственно, более низкие поперечные сечения, в то время как реакция p- 11 B является почти в десять раз труднее воспламенить.

Технические проблемы

Многие проблемы остаются до коммерциализации анейтронных процессов.

Температура

Подавляющее большинство исследований в области термоядерного синтеза было направлено на DT-синтез, который является наиболее простым в реализации. Хотя первые эксперименты в этой области начались в 1939 году, а серьезные усилия продолжаются с начала 1950-х годов, по состоянию на 2020 год нам еще далеко до достижения безубыточности даже при использовании этого топлива. В термоядерных экспериментах обычно используется синтез дейтерия и дейтерия (DD), потому что дейтерий дешев и прост в обращении, поскольку он нерадиоактивен. Провести эксперименты по термоядерному синтезу сложнее, потому что тритий дорог и радиоактивен, что требует дополнительных мер защиты окружающей среды и безопасности.

Комбинация более низкого поперечного сечения и более высоких скоростей потерь при синтезе D-He3 до некоторой степени компенсируется тем, что реагенты представляют собой в основном заряженные частицы, которые передают свою энергию обратно в плазму. Эта комбинация функций компенсации требует рабочей температуры примерно в четыре раза выше, чем у системы DT. Однако из-за высокой скорости потерь и, как следствие, быстрой смены энергии, время удержания рабочего реактора должно быть примерно в пятьдесят раз выше, чем DT, а плотность энергии примерно в 80 раз выше. Это требует значительного прогресса в физике плазмы.

Для синтеза протона с бором требуются энергии ионов и, следовательно, температуры плазмы, которые почти в десять раз выше, чем для DT-синтеза. Для любой заданной плотности реагирующих ядер скорость реакции протон-бор достигает своей максимальной скорости около 600 кэВ (6,6 миллиарда градусов Цельсия или 6,6 гигакельвина ), в то время как DT имеет пик около 66 кэВ (765 миллионов градусов Цельсия, или 0,765 гигакельвин). Для концепций ограничения давления оптимальные рабочие температуры примерно в 5 раз ниже, но соотношение по-прежнему примерно десять к одному.

Баланс сил

Пиковая скорость реакции p– 11 B составляет лишь треть от скорости реакции DT, что требует лучшего удержания плазмы. Удержание обычно характеризуется временем τ, в течение которого энергия должна удерживаться, чтобы выделяемая мощность термоядерного синтеза превышала мощность, необходимую для нагрева плазмы. Могут быть получены различные требования, чаще всего произведение плотности n τ и произведение давления nT τ, оба из которых называются критерием Лоусона . П τ требуется для p - 11 B в 45 раз выше , чем для DT. НТл т требуется в 500 раз выше. (См. Также нейтронность, требования к ограничению и плотность мощности .) Поскольку ограничивающие свойства традиционных подходов к термоядерному соединению, таких как токамак и термоядерный синтез с лазерными гранулами , незначительны, в большинстве аневтронных предложений используются радикально разные концепции ограничения.

В большинстве термоядерной плазмы тормозное излучение является основным каналом потерь энергии. (См. Также потери на тормозное излучение в квазинейтральной изотропной плазме .) Для реакции p– 11 B некоторые расчеты показывают, что мощность тормозного излучения будет по крайней мере в 1,74 раза больше, чем мощность термоядерного синтеза. Соответствующее отношение для 3 Не- 3 реакции он лишь немного более благоприятным при 1,39. Это не применимо к ненейтральной плазме и отличается от анизотропной плазмы.

В обычных конструкциях реакторов, основанных на магнитном или инерционном ограничении , тормозное излучение может легко выходить из плазмы и считается чистым термином потери энергии. Перспектива была бы более благоприятной, если бы плазма могла реабсорбировать излучение. Поглощение происходит в основном за счет томсоновского рассеяния на электронах , которое имеет полное сечение σ T = 6,65 · 10 −29 м². Для смеси 50–50 DT это соответствует диапазону 6,3 г / см². Это значительно превышает критерий Лоусона ρ R > 1 г / см², который уже трудно достичь, но может быть достигнут в системах инерционного удержания.

В магнитных полях мегатесла квантово-механический эффект может подавить передачу энергии от ионов к электронам. Согласно одному расчету, потери на тормозное излучение могут быть уменьшены до половины мощности термоядерного синтеза или менее. 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) циклотронная частота меньше, чем в два раза плазменной частоты . В этом хорошо известном случае циклотронное излучение захватывается внутри плазмоида и не может выйти, кроме как через очень тонкий поверхностный слой.

В то время как поля мегатесла еще не были достигнуты, поля в 0,3 мегатесла были получены с помощью лазеров высокой интенсивности, а поля в 0,02–0,04 мегатесла были получены с помощью устройства фокусировки плотной плазмы .

При гораздо более высоких плотностях ( n e > 6,7 · 10 34 м −3 ) электроны будут ферми-вырожденными , что подавляет тормозные потери как напрямую, так и за счет уменьшения передачи энергии от ионов к электронам. Если необходимые условия могут быть достигнуты, возможно получение чистой энергии из топлива p– 11 B или D– 3 He. Тем не менее, вероятность создания возможного реактора, основанного исключительно на этом эффекте, остается низкой, поскольку прогнозируется , что коэффициент усиления будет меньше 20, в то время как обычно считается необходимым более 200.

Удельная мощность

В каждом опубликованном проекте термоядерной электростанции та часть станции, которая производит термоядерные реакции, намного дороже, чем часть, которая преобразует ядерную энергию в электричество. В этом случае, как и в большинстве энергосистем, важной характеристикой является плотность мощности. Удвоение удельной мощности снижает как минимум вдвое стоимость электроэнергии. Кроме того, необходимое время удержания зависит от плотности мощности.

Однако нетривиально сравнивать удельную мощность, вырабатываемую различными термоядерными топливными циклами. Случай, наиболее благоприятный для p– 11 B по сравнению с DT-топливом, - это (гипотетическое) ограничивающее устройство, которое хорошо работает только при ионных температурах выше примерно 400 кэВ, в котором параметр скорости реакции <σ v > одинаков для двух видов топлива, 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, рассмотрение горячих электронов, разрешение реакции DT протекать при более низкой температуре или включение энергии нейтронов в расчет смещает преимущество плотности мощности в сторону DT.

Наиболее распространенным допущением является сравнение плотностей мощности при одном и том же давлении, выбор температуры ионов для каждой реакции, чтобы максимизировать плотность мощности, и с температурой электронов, равной температуре ионов. Хотя схемы локализации могут быть, а иногда и ограничены другими факторами, большинство хорошо изученных схем имеют какой-то предел давления. В этих предположениях плотность мощности для p– 11 B примерно в 2100 раз меньше, чем для DT. Использование холодных электронов снижает это отношение примерно до 700. Эти числа являются еще одним показателем того, что анейтронная термоядерная энергия невозможна с концепциями ограничения магистральной линии.

Исследовать

Ни одна из этих компаний еще не проверила свое устройство с водородно-борным топливом, поэтому ожидаемые характеристики основаны на экстраполяции теории, экспериментальных результатов с другими видами топлива и моделирования.

  • Пикосекундный импульс 10-тераваттного лазера произвел анейтронные сплавы водорода и бора для российской группы в 2005 году. Однако количество образующихся α-частиц (около 10 3 на лазерный импульс) было небольшим.
  • Французская исследовательская группа объединила протоны и ядра бора-11 с помощью лазерно-ускоренного протонного пучка и высокоинтенсивного лазерного импульса . В октябре 2013 года они сообщили о 80 миллионах термоядерных реакций в течение 1,5 наносекундного лазерного импульса.
  • В 2016 году группа из Шанхайской академии наук Китая произвела лазерный импульс мощностью 5,3 петаватт с помощью сверхинтенсивной сверхбыстрой лазерной установки (SULF) и сможет достичь мощности 10 петаватт с помощью того же оборудования. В настоящее время команда создает 100-петаваттный лазер. Станция экстремального света (SEL), которую планируется запустить к 2023 году, сможет производить античастицы ( электронно-позитронные пары ) из вакуума . Аналогичный европейский проект также существует в те же сроки - лазер мощностью 200 ПВт, известный как Extreme Light Infrastructure (ELI). Хотя эти два проекта в настоящее время не связаны с исследованиями анейтронного термоядерного синтеза, они показывают, как анейтронная ядерная энергия может выиграть от гонки за лазерами эксаваттной ( 10 18 Вт) и даже зеттаваттной ( 10 21 Вт) мощности .
  • В 2021 году российская команда сообщила о результатах экспериментов в миниатюрном устройстве с электродинамическим (колебательным) удержанием плазмы . В нем использовался наносекундный вакуумный разряд ∼1–2 Дж с виртуальным катодом. Его поле ускоряет ионы до ∼100–300 кэВ при столкновениях осциллирующих ионов. α-частицы размером около 5 × 104 / 4π (∼10α частиц / нс) были получены в течение 4 мкс приложений напряжения.

Возможные виды топлива

Гелий-3

Реакция 3 He – D изучалась как альтернативная термоядерная плазма, поскольку это топливо с самым низким энергетическим порогом для анейтронной термоядерной реакции.

Р- 6 Li, 3 Не- 7 Li и 3 Не- 3 скорости реакции Он не особенно высока в термической плазме. Однако, если рассматривать их как цепочку, они предлагают возможность повышенной реакционной способности из -за нетеплового распределения . Продукт 3 He из реакции p– 6 Li мог участвовать во второй реакции до термализации, а продукт p из 3 He– 7 Li мог участвовать в первой реакции до термализации. Однако подробный анализ не показывает достаточного повышения реактивности, чтобы преодолеть изначально низкое поперечное сечение.

Реакция 3 He страдает от проблемы доступности гелия-3. Гелий-3 в естественных условиях встречается на Земле лишь в незначительных количествах, поэтому его придется либо вырабатывать из нейтронных реакций (противодействуя потенциальному преимуществу аневтронного синтеза), либо добывать из внеземных источников.

Количество топлива гелия-3, необходимого 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 1,140 миллиардов кВт · ч» (1,14 × 10 15  Вт · ч ). Снова предполагая 100% эффективность преобразования, для этого сегмента энергопотребления США потребуется 6,7 тонны гелия-3 в год, то есть от 15 до 20 тонн в год, учитывая более реалистичную эффективность сквозного преобразования. Извлечение такого количества чистого гелия-3 повлечет за собой переработку 2 миллиардов тонн лунного материала в год, даже если предположить, что степень извлечения составляет 100%.

Дейтерий

Хотя реакции дейтерия (дейтерий + гелий-3 и дейтерий + литий-6) сами по себе не выделяют нейтронов, в термоядерном реакторе плазма также будет вызывать побочные реакции DD, которые приводят к продукту реакции гелия-3 и нейтрона. Хотя образование нейтронов можно минимизировать, запустив плазменную реакцию в горячей и обедненной дейтерием, доля энергии, выделяемой в виде нейтронов, вероятно, составляет несколько процентов, так что эти топливные циклы, хотя и бедные нейтронами, не соответствуют порогу в 1%. См. Гелий-3 . Реакция D- 3 He также страдает от проблемы доступности топлива 3 He, 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 компонентов с более низким атомным числом, H и He, и реакцией 11 B.

Реакция p– 7 Li, хотя и имеет высокую энергию, выделяет нейтроны из-за высокого сечения альтернативной реакции образования нейтронов 1 p + 7 Li → 7 Be + n

Бор

Многие исследования анейтронного синтеза сосредоточены на реакции p– 11 B, в которой используется относительно легко доступное топливо. При слиянии ядра бора с протоном образуются энергичные альфа-частицы (ядра гелия).

Так как воспламенение p- 11 реакции B является гораздо более сложным , чем реакции DT изученных в большинстве программ синтеза, альтернативы обычным токамака реакторов синтеза, как правило , предложены, например, лазерный термоядерный синтез . В одном из предложенных методов один лазер используется для создания плазмы бора-11, а другой - для создания потока протонов, которые врезаются в плазму. Пучок протонов дает десятикратное увеличение синтеза бора, потому что протоны и ядра бора сталкиваются напрямую. В более ранних методах использовалась твердая боросодержащая мишень, «защищенная» ее электронами, что уменьшало скорость синтеза. Эксперименты предполагают, что лазерный импульс петаваттного масштаба может запустить «лавинную» термоядерную реакцию, хотя это остается спорным. Плазма длится около одной наносекунды , что требует точной синхронизации пикосекундного импульса протонов. В отличие от традиционных методов, этот подход не требует магнитного удержания плазмы. Протонному лучу предшествует электронный луч, генерируемый тем же лазером, который отталкивает электроны в плазме бора, давая протонам больше шансов столкнуться с ядрами бора и слиться.

Остаточная радиация

Расчеты показывают, что не менее 0,1% реакций в тепловой плазме p– 11 B производят нейтроны, а энергия этих нейтронов составляет менее 0,2% от общей выделяющейся энергии.

Эти нейтроны возникают в основном в результате реакции:

11 B + α14 N + n + 157 кэВ

Сама реакция производит всего 157 кэВ, но нейтрон несет большую часть альфа-энергии, близкую к E fusion / 3 = 2,9 МэВ . Еще один значительный источник нейтронов:

11 B + p → 11 C + n - 2,8 МэВ.

Эти нейтроны менее энергичны, их энергия сопоставима 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 синтеза, было бы трудно дополнительно снизить образование нейтронов на значительную долю. Умная схема магнитного удержания могла бы в принципе подавить первую реакцию, извлекая альфы, как только они создаются, но тогда их энергия не будет доступна, чтобы поддерживать плазму горячей. Вторую реакцию можно в принципе подавить относительно желаемого синтеза, удалив высокоэнергетический хвост распределения ионов, но это, вероятно, будет запрещено мощностью, необходимой для предотвращения термализации распределения.

Помимо нейтронов, большое количество жесткого рентгеновского излучения производится тормозным излучением , а гамма-излучение 4, 12 и 16 МэВ производится реакцией синтеза.

11 B + p → 12 C + γ + 16,0 МэВ

с вероятностью ветвления относительно первичной реакции синтеза около 10 -4 .

Водород должен быть изотопно чистым, и приток примесей в плазму должен контролироваться, 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 экранирования снижает профессиональную дозу нейтронного и гамма-излучения до незначительного уровня. Основными компонентами будут 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 вода.

Захват энергии

Анейтронный синтез производит энергию в виде заряженных частиц вместо нейтронов . Это означает, что энергия анейтронного синтеза может быть захвачена с использованием прямого преобразования вместо парового цикла . Методы прямого преобразования могут быть индуктивными, основанными на изменениях магнитных полей, электростатическими, основанными на питтинге заряженных частиц против электрического поля, или фотоэлектрическими, в которых улавливается световая энергия. В импульсном режиме.

Прямое электростатическое преобразование использует движение заряженных частиц для создания напряжения . Это напряжение приводит в движение электричество в проводе. Это превращается в электрическую энергию, противоположную большинству явлений, в которых для приведения частицы в движение используется напряжение. Прямое преобразование энергии делает противоположное, используя движение частиц для создания напряжения. Его описывают как линейный ускоритель, работающий в обратном направлении. Одним из первых сторонников этого метода был Ричард Ф. Пост из Лоуренса Ливермора . Он предложил улавливать кинетическую энергию заряженных частиц, когда они выходят из термоядерного реактора, и преобразовывать ее в напряжение, чтобы управлять током. Пост помог разработать теоретические основы прямого обращения, которые позже продемонстрировали Барр и Мойр. Они продемонстрировали 48-процентную эффективность захвата энергии в эксперименте с тандемными зеркалами в 1981 году.

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 или циклотронного излучения или синхротронного излучения или полевых взаимодействий электрических. Излучение можно оценить с помощью формулы Лармора, и оно поступает в рентгеновском, ИК, УФ и видимом спектрах. Часть энергии, излучаемой в виде рентгеновских лучей, может быть преобразована непосредственно в электричество. Из-за фотоэлектрического эффекта рентгеновские лучи, проходящие через массив проводящих фольг, передают часть своей энергии электронам, которые затем могут быть захвачены электростатически. Поскольку рентгеновские лучи могут проходить через материал гораздо большей толщины, чем электроны, для их поглощения необходимы сотни или тысячи слоев.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки