Анейтронный синтез: перспективы и современные исследования.

Введение

Форма термоядерной энергии

Анейтронный термоядерный синтез – это любая форма термоядерной энергии, при которой очень небольшая часть высвобождаемой энергии переносится нейтронами. В то время как реакции ядерного синтеза с самым низким порогом высвобождают до 80% своей энергии в форме нейтронов, анейтронные реакции высвобождают энергию в форме заряженных частиц, как правило, протонов или альфа-частиц. Успешный анейтронный термоядерный синтез значительно уменьшил бы проблемы, связанные с нейтронным излучением, такие как повреждающее ионизирующее излучение, активация нейтронов, обслуживание реактора и требования к биологической защите, дистанционному управлению и безопасности. Поскольку преобразование энергии заряженных частиц в электрическую энергию проще, чем преобразование энергии незаряженных частиц, анейтронная реакция была бы привлекательна для энергетических систем. Некоторые сторонники видят потенциал для существенного снижения затрат за счет прямого преобразования энергии в электричество, а также за счет устранения излучения от нейтронов, от которых сложно защититься. Однако условия, необходимые для реализации анейтронного термоядерного синтеза, гораздо более экстремальны, чем те, которые требуются для синтеза дейтерия и трития (D-T), например, в ITER.

История

Первые эксперименты в этой области начались в 1939 году, и серьезные усилия продолжаются с начала 1950-х годов. Одним из первых сторонников был Ричард Ф. Пост из Лоуренс Ливерморской национальной лаборатории. Он предложил улавливать кинетическую энергию заряженных частиц при их выходе из термоядерного реактора и преобразовывать ее в напряжение для создания тока. Пост помог разработать теоретические основы прямого преобразования, которые позднее продемонстрировали Барр и Моар. В 1981 году они продемонстрировали 48-процентную эффективность захвата энергии в эксперименте «Тандемное зеркало». Термоядерный синтез Polywell был разработан покойным Робертом В. Буссардом в 1995 году и финансировался ВМС США. Polywell использует инерциальное электростатическое удержание. Он основал компанию EMC2 для продолжения исследований Polywell. В 2005 году российская команда с помощью пикосекундного лазерного импульса мощностью 10 тераватт получила анейтронные реакции синтеза водорода и бора. Однако количество образовавшихся α-частиц (около 10³ на лазерный импульс) было небольшим. В 2006 году установка Z-machine в Национальной лаборатории Сандии, представляющая собой устройство Z-пинч, достигла температуры 2 миллиарда кельвинов и напряжения 300 кэВ. В 2011 году Lawrenceville Plasma Physics опубликовала предварительные результаты и представила теорию и экспериментальную программу для анейтронного синтеза с использованием плотной плазменной фокусировки (DPF). Первоначально проект финансировался Лабораторией реактивного движения NASA. Поддержка других исследований анейтронного синтеза DPF поступала из Исследовательской лаборатории ВВС. Французская исследовательская группа осуществила синтез протонов и ядер бора-11 с использованием пучка протонов, ускоренного лазером, и высокоинтенсивного лазерного импульса. В октябре 2013 года они сообщили о приблизительно 80 миллионах реакций синтеза, произошедших во время 1,5-наносекундного лазерного импульса. В 2021 году компания TAE Technologies, использующая конфигурацию с обращенным магнитным полем, объявила, что ее установка Norman регулярно производит стабильную плазму при температуре более 50 миллионов градусов. В 2021 году российская команда представила экспериментальные результаты, полученные на миниатюрном устройстве с электродинамическим (колебательным) удержанием плазмы. В нем использовался ~1–2 Дж наносекундный вакуумный разряд с виртуальным катодом. Его поле ускоряет ионы бора и протоны до ~100–300 кэВ при столкновениях колеблющихся ионов. В течение 4 мкс приложенного напряжения были получены α-частицы в количестве около 5/4π (~10 α-частиц/нс). Австралийская компания HB11 Energy была создана в сентябре 2019 года. В 2022 году они заявили, что стали первой коммерческой компанией, продемонстрировавшей термоядерный синтез.

The first experiments in the field started in 1939, and serious efforts have been continual since the early 1950s. An early supporter was Richard F. Post at Lawrence Livermore. He proposed to capture the kinetic energy of charged particles as they were exhausted from a fusion reactor and convert this into voltage to drive current. Post helped develop the theoretical underpinnings of direct conversion, later demonstrated by Barr and Moir. They demonstrated a 48 percent energy capture efficiency on the Tandem Mirror Experiment in 1981. Polywell fusion was pioneered by the late Robert W. Bussard in 1995 and funded by the US Navy. Polywell uses inertial electrostatic confinement. He founded EMC2 to continue polywell research. A picosecond pulse of a 10 terawatt laser produced hydrogen–boron aneutronic fusions for a Russian team in 2005. However, the number of the resulting α particles (around 103 per laser pulse) was low. In 2006, the Z machine at Sandia National Laboratory, a z pinch device, reached 2 billion kelvins and 300 keV. In 2011, Lawrenceville Plasma Physics published initial results and outlined a theory and experimental program for aneutronic fusion with the dense plasma focus (DPF). The effort was initially funded by NASA's Jet Propulsion Laboratory. Support for other DPF aneutronic fusion investigations came from the Air Force Research Laboratory. A French research team fused protons and boron 11 nuclei using a laser accelerated proton beam and high intensity laser pulse. In October 2013 they reported an estimated 80 million fusion reactions during a 1.5 nanosecond laser pulse. In 2021, TAE Technologies field reversed configuration announced that its Norman device was regularly producing a stable plasma at temperatures over 50 million degrees. In 2021, a Russian team reported experimental results in a miniature device with electrodynamic (oscillatory) plasma confinement. It used a ~1–2 J nanosecond vacuum discharge with a virtual cathode. Its field accelerates boron ions and protons to ~100–300 keV under oscillating ions' collisions. α particles of about 5/4π (~10 α particles/ns) were obtained during the 4 μs of applied voltage. Australian spin off company HB11 Energy was created in September 2019. In 2022, they claimed to be the first commercial company to demonstrate fusion.

Определение

Реакции термоядерного синтеза можно классифицировать по их нейтроничности – отношению энергии, высвобождаемой в виде энергичных нейтронов, к общей энергии синтеза. Штат Нью-Джерси определил анейтронную реакцию как реакцию, в которой нейтроны переносят не более 1% от общей высвобожденной энергии, хотя многие публикации по этой теме включают реакции, не соответствующие этому критерию.

Деутерий

Хотя реакции с дейтерием (дейтерий + 3He и дейтерий + 6литий) сами по себе не выделяют нейтронов, в термоядерном реакторе плазма также будет производить побочные реакции D-D, в результате которых образуются 3He и нейтрон. Хотя образование нейтронов можно минимизировать, поддерживая высокую температуру плазмы и низкое содержание дейтерия, доля энергии, высвобождаемой в виде нейтронов, вероятно, составит несколько процентов, поэтому эти топливные циклы, несмотря на низкое нейтронное излучение, не соответствуют пороговому значению в 1%. См. 3He. Реакция D-3He также страдает от проблемы доступности топлива 3He, как обсуждалось выше.

Подходы

Используя патенты физика-теоретика UNSW Генриха Горы, HB11 Energy использует два лазера класса петаватт с формированием импульсов для инициирования низкотемпературного протонно-борового синтеза посредством подхода "внутри цели". Один лазер разгоняет атомы водорода посредством ускорения оболочки цели в направлении плазмы бора, удерживаемой килотесловым магнитным полем, создаваемым другим лазером. Образующиеся ионы He+ непосредственно преобразуются в электричество. Пикосекундный лазер вызывает лавинообразную реакцию, обеспечивающую увеличение выхода синтеза в 109 раз по сравнению с другими системами инерционного синтеза. Компания заявляет о потоке альфа-частиц 1010/sr, что на 4 порядка ниже порога получения чистой энергии. Электростатическое прямое преобразование использует движение заряженных частиц для создания напряжения. Это напряжение приводит в движение электрический ток в проводе, который становится электрической мощностью. Это обратный процесс по отношению к явлению, когда напряжение используется для разгона частицы. Его описывают как линейный ускоритель, работающий в обратном направлении. Безнейтронный синтез теряет значительную часть своей энергии в виде излучения. Эта энергия возникает в результате ускорения и замедления заряженных частиц. Эти изменения скорости могут быть вызваны тормозным излучением, циклотронным излучением, синхротронным излучением или взаимодействием с электрическим полем. Интенсивность излучения можно оценить с помощью формулы Лармора, и оно проявляется в рентгеновском, ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном спектрах. Часть энергии, излучаемой в виде рентгеновских лучей, может быть преобразована непосредственно в электричество. Благодаря фотоэлектрическому эффекту, рентгеновские лучи, проходя через массив проводящих фольг, передают часть своей энергии электронам, которые затем могут быть захвачены электростатически. Поскольку рентгеновские лучи могут проникать сквозь гораздо более толстые слои материала, чем электроны, для их поглощения требуются сотни или тысячи слоев.

Технические проблемы

Коммерциализация анейтронного синтеза сталкивается со множеством проблем.

Температура

Большинство исследований в области термоядерного синтеза были посвящены D-T синтезу, который является наиболее простым в реализации. В экспериментах по термоядерному синтезу обычно используется синтез дейтерия с дейтерием (D-D), поскольку дейтерий дешев и удобен в обращении, будучи нерадиоактивным. Эксперименты с D-T синтезом более сложны, так как тритий дорог и радиоактивен, что требует дополнительных мер по защите окружающей среды и обеспечению безопасности. Комбинация меньшего сечения и более высоких потерь в D-³He синтезе частично компенсируется тем, что реагенты в основном состоят из заряженных частиц, которые передают свою энергию плазме. Эта комбинация компенсирующих факторов требует рабочей температуры примерно в четыре раза выше, чем у D-T системы. Однако из-за высоких потерь и, как следствие, быстрого оборота энергии, время удержания рабочего реактора должно быть примерно в пятьдесят раз больше, чем у D-T, а плотность энергии – примерно в 80 раз выше. Это требует значительного прогресса в физике плазмы. Синтез протона и бора требует ионных энергий, а следовательно, и температур плазмы, примерно в девять раз превышающих температуры, необходимые для D-T синтеза. При любой заданной плотности реагирующих ядер скорость реакции для протона-бора достигает максимума при энергии около 600 кэВ (6,6 миллиарда градусов Цельсия или 6,6 гигакельвина), в то время как для D-T пик приходится на около 66 кэВ (765 миллионов градусов Цельсия или 0,765 гигакельвина). Для концепций удержания, ограниченных давлением, оптимальные рабочие температуры примерно в 5 раз ниже, но соотношение все равно остается примерно десять к одному.

Баланс мощности

Пиковая скорость реакции p–11B составляет лишь одну треть от скорости реакции D–T, что требует более эффективного удержания плазмы. Удержание обычно характеризуется временем τ, в течение которого энергия сохраняется, так что выделяемая мощность превышает мощность, необходимую для нагрева плазмы. Можно вывести различные требования, наиболее распространенным из которых является критерий Лоусона – произведение плотности на время удержания, nτ, и произведение давления на время удержания, nTτ. Значение nτ, необходимое для p–11B, в 45 раз выше, чем для D–T. Значение nTτ, необходимое для p–11B, в 500 раз выше. Поскольку свойства удержания в традиционных подходах к термоядерному синтезу, таких как токамак и инерциальный синтез, ограничены, большинство анейтронных предложений используют принципиально иные концепции удержания. В большинстве плазм термоядерного синтеза тормозное излучение является основным каналом потерь энергии. (См. также потери на тормозное излучение в квазинейтральных изотропных плазмах.) Для реакции p–11B некоторые расчеты показывают, что мощность тормозного излучения будет как минимум в 1,74 раза больше мощности синтеза. Соответствующее соотношение для реакции 3He–3He лишь немного благоприятнее – 1,39. Это неприменимо к ненейтральным плазмам и отличается для анизотропных плазм. В традиционных конструкциях реакторов, основанных на магнитном или инерциальном удержании, тормозное излучение может легко покидать плазму и рассматривается как чистая потеря энергии. Перспективы были бы более благоприятными, если бы плазма могла поглощать это излучение. Поглощение происходит главным образом посредством рассеяния Томсона на электронах, которое имеет полное сечение σT = 6,65. Для смеси D–T в соотношении 50:50 это соответствует диапазону 6,3. Это значительно выше критерия Лоусона ρR > 1 г/см2, который уже трудно достичь, но может быть достигнуто в системах инерциального удержания. В магнитных полях порядка мегатесла квантовомеханический эффект может подавлять передачу энергии от ионов к электронам. Согласно одному расчету, потери на тормозное излучение могут быть уменьшены до половины мощности синтеза или меньше. В сильном магнитном поле циклотронное излучение даже превышает тормозное излучение. В поле порядка мегатесла электрон потерял бы свою энергию на циклотронное излучение за несколько пикосекунд, если бы излучение могло покинуть плазму. Однако в достаточно плотной плазме (ne > 2,5, плотность выше плотности твердого тела) циклотронная частота меньше, чем в два раза превышает плазменную частоту. В этом известном случае циклотронное излучение захватывается внутри плазмоида и не может вырваться, за исключением очень тонкого поверхностного слоя. Хотя поля порядка мегатесла пока не достигнуты, поля 0,3 мегатесла были получены с помощью лазеров высокой интенсивности, а поля 0,02–0,04 мегатесла были наблюдаемы на установке с плотным фокусированием плазмы. При гораздо более высоких плотностях (ne > 6,7) электроны становятся вырожденными по Ферми, что подавляет потери на тормозное излучение как напрямую, так и за счет уменьшения передачи энергии от ионов к электронам. Если необходимые условия могут быть достигнуты, может быть возможным получение чистой энергии из топлива p–11B или D–3He. Однако вероятность создания реактора, основанного исключительно на этом эффекте, остается низкой, поскольку прогнозируемый коэффициент усиления менее 20, в то время как обычно считается необходимым значение более 200.

The peak reaction rate of p–11B is only one third that for D T, requiring better plasma confinement. Confinement is usually characterized by the time τ the energy is retained so that the power released exceeds that required to heat the plasma. Various requirements can be derived, most commonly the Lawson criterion, the product of the density, nτ, and the product with the pressure nTτ. The nτ required for p–11B is 45 times higher than that for D T. The nTτ required is 500 times higher. Since the confinement properties of conventional fusion approaches, such as the tokamak and laser pellet fusion are marginal, most aneutronic proposals use radically different confinement concepts. In most fusion plasmas, bremsstrahlung radiation is a major energy loss channel. (See also bremsstrahlung losses in quasineutral, isotropic plasmas.) For the p–11B reaction, some calculations indicate that the bremsstrahlung power will be at least 1.74 times larger than the fusion power. The corresponding ratio for the 3He 3He reaction is only slightly more favorable at 1.39. This is not applicable to non neutral plasmas, and different in anisotropic plasmas. In conventional reactor designs, whether based on magnetic or inertial confinement, the bremsstrahlung can easily escape the plasma and is considered a pure energy loss term. The outlook would be more favorable if the plasma could reabsorb the radiation. Absorption occurs primarily via Thomson scattering on the electrons, which has a total cross section of σT = 6.65. In a 50–50 D T mixture this corresponds to a range of 6.3. This is considerably higher than the Lawson criterion of ρR > 1 g/cm2, which is already difficult to attain, but might be achievable in inertial confinement systems. In megatesla magnetic fields a quantum mechanical effect might suppress energy transfer from the ions to the electrons. According to one calculation, bremsstrahlung losses could be reduced to half the fusion power or less. In a strong magnetic field cyclotron radiation is even larger than the bremsstrahlung. In a megatesla field, an electron would lose its energy to cyclotron radiation in a few picoseconds if the radiation could escape. However, in a sufficiently dense plasma (ne > 2.5, a density greater than that of a solid), the cyclotron frequency is less than twice the plasma frequency. In this well known case, the cyclotron radiation is trapped inside the plasmoid and cannot escape, except from a very thin surface layer. While megatesla fields have not yet been achieved, fields of 0.3 megatesla have been produced with high intensity lasers, and fields of 0.02–0.04 megatesla have been observed with the dense plasma focus device. At much higher densities (ne > 6.7), the electrons will be Fermi degenerate, which suppresses bremsstrahlung losses, both directly and by reducing energy transfer from the ions to the electrons. If necessary conditions can be attained, net energy production from p–11B or D–3He fuel may be possible. The probability of a feasible reactor based solely on this effect remains low, however, because the gain is predicted to be less than 20, while more than 200 is usually considered to be necessary.

Плотность мощности

В каждой опубликованной конструкции термоядерной электростанции часть установки, производящая реакции термоядерного синтеза, значительно дороже, чем часть, преобразующая ядерную энергию в электричество. В этом случае, как и в большинстве энергетических систем, плотность мощности является важной характеристикой. Удвоение плотности мощности как минимум вдвое снижает стоимость электроэнергии. Кроме того, время удержания зависит от плотности мощности. Однако, сравнивать плотность мощности, достигаемую различными циклами термоядерного топлива, – непростая задача. Наиболее благоприятный сценарий для p–11B по сравнению с топливом D–T – это (гипотетическое) устройство удержания, эффективно работающее только при температурах ионов выше примерно 400 кэВ, где параметр скорости реакции <σv> одинаков для обоих топлив, и работающее при низкой температуре электронов. p–11B требует меньшего времени удержания, поскольку энергия его заряженных продуктов в 2,5 раза выше, чем у D–T. Однако, ослабляя эти предположения, например, учитывая горячие электроны, позволяя реакции D–T протекать при более низкой температуре или включая энергию нейтронов в расчет, преимущество в плотности мощности переходит к D–T.

Наиболее распространенный подход – сравнивать плотности мощности при одинаковом давлении, выбирая температуру ионов для каждой реакции, чтобы максимизировать плотность мощности, и приравнивая температуру электронов к температуре ионов. Хотя схемы удержания могут быть и иногда ограничиваются другими факторами, большинство хорошо изученных схем имеют определенный предел давления. При этих предположениях плотность мощности для p–11B примерно в 2100 раз меньше, чем для D–T. Использование холодных электронов снижает это соотношение примерно до 700. Эти цифры – еще одно свидетельство того, что получение энергии от анейтронного термоядерного синтеза невозможно при использовании основных концепций удержания.