Анейтронный синтез

Литий-6 – реакция синтеза дейтерия : реакция анейтронного синтеза, в которой выделяющаяся энергия переносится альфа-частицами , а не нейтронами.

Анейтронный синтез — это любая форма термоядерной энергии , при которой очень небольшая часть выделяемой энергии переносится нейтронами . с самым низким порогом В то время как реакции ядерного синтеза выделяют до 80% своей энергии в виде нейтронов , анейтронные реакции выделяют энергию в виде заряженных частиц , обычно протонов или альфа-частиц . Успешный анейтронный синтез значительно уменьшит проблемы, связанные с нейтронным излучением , такие как разрушительное ионизирующее излучение , нейтронная активация , техническое обслуживание реактора и требования к биологической защите, дистанционному обращению и безопасности.

Поскольку преобразовать энергию заряженных частиц в электрическую энергию проще, чем преобразовать энергию незаряженных частиц, анейтронная реакция была бы привлекательна для энергосистем. Некоторые сторонники видят потенциал значительного снижения затрат за счет преобразования энергии непосредственно в электричество, а также за счет устранения излучения нейтронов, от которого трудно защититься. Однако условия, необходимые для использования анейтронного синтеза, гораздо более экстремальные, чем те, которые необходимы для термоядерного синтеза дейтерия-трития (D-T), например, в ИТЭР .

История

Первые эксперименты в этой области начались в 1939 году, а серьезные усилия продолжались с начала 1950-х годов.

Одним из первых сторонников был Ричард Ф. Пост из Лоуренса Ливермора . Он предложил улавливать кинетическую энергию заряженных частиц, выходящих из термоядерного реактора, и преобразовывать ее в напряжение для создания тока. Пост помог разработать теоретические основы прямого преобразования, которые позже продемонстрировали Барр и Мойр. в 1981 году они продемонстрировали эффективность улавливания энергии на уровне 48 процентов В ходе эксперимента с тандемным зеркалом .

Технология Polywell была впервые предложена покойным Робертом Бассардом в 1995 году и финансировалась ВМС США . Polywell использует инерционное электростатическое удержание . Он основал EMC2, чтобы продолжить исследования Polywell.

Пикосекундный импульс лазера мощностью 10 тераватт произвел анейтронный синтез водорода и бора для российской команды в 2005 году. Однако количество образующихся α-частиц (около 10 ³ за лазерный импульс) была низкой.

В 2006 году Z-машина в Сандианской национальной лаборатории , устройство z-пинча , достигла 2 миллиардов кельвинов и 300 кэВ.

В 2011 году организация Lawrenceville Plasma Physics опубликовала первоначальные результаты и изложила теорию и экспериментальную программу анейтронного синтеза с фокусом плотной плазмы (DPF). Первоначально проект финансировался Лабораторией реактивного движения НАСА . Поддержка других исследований анейтронного термоядерного синтеза DPF исходила от Исследовательской лаборатории ВВС .

Французская исследовательская группа синтезировала протоны и ядра бора-11, используя протонный пучок с лазерным ускорением и высокоинтенсивный лазерный импульс. В октябре 2013 года они сообщили о 80 миллионах реакций синтеза во время лазерного импульса длительностью 1,5 наносекунды.

В 2016 году команда Шанхайской академии наук Китая произвела лазерный импульс мощностью 5,3 петаватта с помощью сверхинтенсивной сверхбыстрой лазерной установки (SULF) и, как ожидается, достигнет мощности 10 петаватт с тем же оборудованием.

В 2021 году компания TAE Technologies с обращенной полем конфигурации объявила, что ее устройство Norman регулярно производит стабильную плазму при температуре более 50 миллионов градусов.

В 2021 году российская группа сообщила об экспериментальных результатах миниатюрного устройства с электродинамическим (колебательным) удержанием плазмы . В нем использовался наносекундный вакуумный разряд ~1–2 Дж с виртуальным катодом. Его поле ускоряет ионы и протоны бора до ~ 100–300 кэВ при столкновениях колеблющихся ионов. α-частицы размером около 5 × 10 ⁴ /4π (~ 10 α-частиц/нс) были получены в течение 4 мкс приложенного напряжения.

австралийская Дочерняя компания HB11 Energy была создана в сентябре 2019 года. В 2022 году они заявили, что стали первой коммерческой компанией, продемонстрировавшей термоядерный синтез.

Определение

Реакции синтеза можно разделить на категории в зависимости от их нейтронности: доли энергии термоядерного синтеза, выделяемой в виде энергичных нейтронов. В штате Нью-Джерси анейтронная реакция определяется как реакция, в которой нейтроны несут не более 1% общей выделяемой энергии. хотя много статей на эту тему включают реакции, не соответствующие этому критерию.

Кулоновский барьер

Кулоновский барьер — это минимальная энергия, необходимая ядрам в реакции синтеза для преодоления взаимного электростатического отталкивания . Сила отталкивания между частицей с зарядом Z ₁ и частицей с Z ₂ пропорциональна ( Z ₁ × Z ₂ )/ r ² , где r — расстояние между ними. Кулоновский барьер, стоящий перед парой реагирующих заряженных частиц, зависит как от общего заряда, так и от того, насколько равномерно эти заряды распределены; барьер является самым низким, когда частица с низким Z реагирует с частицей с высоким Z , и самым высоким, когда реагенты имеют примерно одинаковый заряд. Таким образом, энергия барьера минимизируется для ионов с наименьшим количеством протонов .

Как только ямы ядерного потенциала двух реагирующих частиц окажутся в пределах двух протонных радиусов друг от друга, они могут начать притягивать друг друга посредством ядерной силы . Поскольку это взаимодействие намного сильнее электромагнитного, частицы будут притягиваться друг к другу, несмотря на продолжающееся электрическое отталкивание, высвобождая ядерную энергию. Однако ядерная сила — это сила очень ближнего действия, поэтому было бы несколько упрощенно говорить, что она увеличивается с увеличением числа нуклонов . Это утверждение верно при описании объемной энергии или поверхностной энергии ядра, менее верно при рассмотрении кулоновской энергии и вообще не говорит о балансе протонов и нейтронов. Как только реагенты преодолевают кулоновский барьер, они попадают в мир, где доминирует сила, которая не ведет себя как электромагнетизм.

В большинстве концепций термоядерного синтеза 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 содержат частицы с высокой энергией, даже если средняя энергия намного ниже. Устройства Fusion полагаются на это распределение; даже при объемных температурах, намного ниже энергии кулоновского барьера, энергия, выделяемая в результате реакций, достаточно велика, и захват некоторой ее части может обеспечить достаточное количество высокоэнергетических ионов для продолжения реакции.

Таким образом, устойчивая работа реактора основана на балансе между скоростью добавления энергии к топливу в результате реакций синтеза и скоростью потери энергии в окружающую среду. Эту концепцию лучше всего выразить как тройное произведение термоядерного синтеза , произведение температуры, плотности и «времени удержания», количества времени, в течение которого энергия остается в топливе, прежде чем уйти в окружающую среду. Произведение температуры и плотности дает скорость реакции для любого данного топлива. Скорость реакции пропорциональна ядерному сечению ( σ ).

Любое устройство может выдерживать некоторое максимальное давление плазмы. Эффективное устройство будет постоянно работать вблизи этого максимума. Учитывая это давление, наибольшая мощность термоядерного синтеза достигается, когда температура такова, что σv / T ² это максимум. Это также температура, при которой значение тройного произведения nTτ, необходимое для воспламенения, является минимальным, поскольку это необходимое значение обратно пропорционально σv / T. ² . Плазма «зажигается», если реакции термоядерного синтеза производят достаточно энергии для поддержания температуры без внешнего нагрева.

Поскольку кулоновский барьер пропорционален произведению количества протонов ( Z ₁ × Z ₂ ) двух реагентов, разновидности тяжелого водорода, дейтерия и трития (D–T), дают топливо с самым низким общим кулоновским барьером. Все другие потенциальные виды топлива имеют более высокие кулоновские барьеры и, следовательно, требуют более высоких рабочих температур. Кроме того, топливо D–T имеет самое высокое ядерное сечение, а это означает, что скорость реакции выше, чем у любого другого топлива. Это делает слияние D–T наиболее простым в достижении.

Сравнение потенциала других видов топлива с реакцией D-T: В таблице ниже показаны температура воспламенения и сечение трех возможных анейтронных реакций по сравнению с D-T:

Реакции кандидатов

Реакция	Зажигание Т [кэВ]	Поперечное сечение σv / T 2 [м 3 /с/кэВ 2 ]
2 1 Д – 3 1 Т	13.6	1.24 × 10 −24
2 1 Д – 3 2 Он	58	2.24 × 10 −26
п + – 6 3 Ли	66	1.46 × 10 −27
п + – 11 5 Б	123	3.01 × 10 −27

Из анейтронных реакций легче всего зажечься D– ³ He имеет температуру воспламенения более чем в четыре раза выше, чем у реакции D–T, и соответственно меньшие сечения, тогда как p– ¹¹ Реакцию B почти в десять раз труднее зажечь.

Реакции кандидатов

Некоторые реакции синтеза не производят нейтронов ни на одной из своих ветвей. Наибольшее поперечное сечение имеют:

Анейтронные реакции с высоким ядерным сечением

изотопы	Реакция
2 1 Д – 3 2 Он	2 Д	+	3 Он	→		4 Он	+	1 п	+ 18,3 МэВ
2 1 Д – 6 3 Ли	2 Д	+	6 Что	→	2	4 Он			+ 22,4 МэВ
п– 6 3 Ли	1 п	+	6 Что	→		4 Он	+	3 Он	+ 4,0 МэВ
3 2 Он – 6 3 Ли	3 Он	+	6 Что	→	2	4 Он	+	1 п	+ 16,9 МэВ
3 2 Он – 3 2 Он	3 Он	+	3 Он	→		4 Он	+	2 1 п	+ 12,86 МэВ
п– 7 3 Ли	1 п	+	7 Что	→	2	4 Он			+ 17,2 МэВ
п– 11 5 Б	1 п	+	11 Б	→	3	4 Он			+ 8,7 МэВ
п– 15 7 Н	1 п	+	15 Н	→		12 С	+	4 Он	+ 5,0 МэВ

Кандидаты на топливо

³ Он

См. Также: Гелий-3.

The ³ Реакция He-D изучалась как альтернативная термоядерная плазма, поскольку она имеет самый низкий энергетический порог.

р- ⁶ Что, ³ Он- ⁶ Ли и ³ Он- ³ Скорость реакции He в термической плазме не особенно высока. Однако если рассматривать их как цепочку, они открывают возможность повышения реакционной способности за счет нетеплового распределения . Продукт ³ Он из р– ⁶ Реакция Li могла участвовать во второй реакции до термализации, а продукт p из ³ Он- ⁶ Ли мог бы участвовать в первом до термализации. Однако детальный анализ не показывает достаточного повышения реактивности, чтобы преодолеть изначально низкое поперечное сечение.

The ³ Его реакция страдает от ³ У него проблема с доступностью. ³ На Земле он встречается лишь в мизерных количествах, поэтому его придется либо выводить из нейтронных реакций (что противодействует потенциальному преимуществу анейтронного синтеза) или добыты из внеземных источников.

Сумма ³ Он необходим для крупномасштабных применений и может быть описан с точки зрения общего потребления: по данным Управления энергетической информации США , «Потребление электроэнергии 107 миллионами домохозяйств США в 2001 году составило 1140 миллиардов кВт·ч» ( 1,14 × 10 ¹⁵ Вт·ч ). Опять же, принимая 100% эффективность преобразования, 6,7 тонны в год ³ Для этого сегмента энергетических потребностей США он потребуется от 15 до 20 тонн в год, учитывая более реалистичную эффективность сквозного преобразования. Извлечение такого количества чистого ³ Он повлечет за собой переработку 2 миллиардов тонн лунного материала в год, даже если предположить, что степень извлечения составит 100%.

В 2022 году компания Helion Energy заявила, что их седьмой термоядерный прототип (Polaris; полностью профинансирован и находится в стадии строительства по состоянию на сентябрь 2022 года) продемонстрирует «чистую электроэнергию в результате термоядерного синтеза» и продемонстрирует «производство гелия-3 посредством синтеза дейтерия-дейтерия» с помощью «запатентованный высокоэффективный замкнутый топливный цикл».

Дейтерий

Хотя дейтериевые реакции (дейтерий + ³ Он и дейтерий + ⁶ литий) сами по себе не выделяют нейтроны, в термоядерном реакторе плазма также будет вызывать побочные реакции DD, которые приводят к образованию продукта реакции ³ Он плюс нейтрон. Хотя производство нейтронов можно свести к минимуму, проводя горячую и обедненную дейтерием плазменную реакцию, доля энергии, выделяемой в виде нейтронов, вероятно, составляет несколько процентов, так что эти топливные циклы, хотя и бедны нейтронами, не соответствуют порогу в 1%. Видеть ³ Он . Д- ³ Его реакция также страдает от ³ Проблема с наличием топлива, 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 частиц с более низкими атомными номерами, H и He, и ¹¹ Реакция Б.

р- ⁷ Реакция Li, хотя и очень энергичная, высвобождает нейтроны из-за большого сечения альтернативной реакции с образованием нейтронов. ¹ р + ⁷ Это → ⁷ Они + н

Бор

Многие исследования анейтронного синтеза концентрируются на p– ¹¹ реакция Б, который использует легкодоступное топливо. В результате слияния ядра бора с протоном образуются энергичные альфа-частицы (ядра гелия).

С момента зажигания p– ¹¹ альтернативы обычным термоядерным реакторам токамака Реакция B намного сложнее, чем реакция D–T, обычно предлагаются , такие как термоядерный синтез с инерционным ограничением . бора-11 Один предложенный метод использует один лазер для создания плазмы , а другой — для создания потока протонов, которые врезаются в плазму. Пучок протонов обеспечивает десятикратное увеличение термоядерного синтеза, поскольку протоны и ядра бора сталкиваются напрямую. В более ранних методах использовалась твердая мишень из бора, «защищенная» своими электронами, что снижало скорость термоядерного синтеза. Эксперименты показывают, что лазерный импульс петаваттной мощности может запустить «лавинную» реакцию термоядерного синтеза. хотя это остается спорным. Плазма существует около одной наносекунды , что требует пикосекундного точной синхронизации импульса протонов. В отличие от традиционных методов, этот подход не требует наличия магнитно-удерживаемой плазмы. Протонному лучу предшествует электронный луч, генерируемый тем же лазером, который отрывает электроны в плазме бора, увеличивая вероятность того, что протоны столкнутся с ядрами бора и слиться.

Остаточная радиация

Расчеты показывают, что не менее 0,1% реакций в термическом p– ¹¹ Плазма B производит нейтроны, хотя их энергия составляет менее 0,2% от общей выделяемой энергии.

Эти нейтроны возникают в основном в результате реакции:

¹¹ Б + а → ¹⁴ N + n + 157 кэВ

Сама реакция производит всего 157 кэВ, но нейтрон несет большую долю альфа-энергии, близкую к E- _{синтезу} /3 = 2,9 МэВ . Другим важным источником нейтронов является:

¹¹ Б + р → ¹¹ C + n − 2,8 МэВ.

Эти нейтроны менее энергичны, их энергия сравнима с температурой топлива. Кроме того, ¹¹ C сам по себе радиоактивн, но быстро распадается на ¹¹ B с периодом полураспада всего 20 минут.

Поскольку в этих реакциях участвуют реагенты и продукты первичной реакции, существенно снизить производство нейтронов сложно. Умная схема магнитного удержания могла бы в принципе подавить первую реакцию, извлекая альфа-частицы по мере их образования, но тогда их энергия не будет доступна для поддержания плазмы в горячем состоянии. Вторую реакцию в принципе можно было бы подавить относительно желаемого синтеза, удалив высокоэнергетический хвост распределения ионов, но это, вероятно, было бы запрещено из-за мощности, необходимой для предотвращения термализации распределения.

Помимо нейтронов, большое количество жесткого рентгеновского излучения производится тормозным излучением с энергией 4, 12 и 16 МэВ , а гамма-лучи производятся в результате реакции термоядерного синтеза.

¹¹ Б + р → ¹² С + γ + 16,0 МэВ

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

Водород должен быть изотопно чистым , а приток примесей в плазму необходимо контролировать, чтобы предотвратить побочные реакции с образованием нейтронов, такие как:

¹¹ Б + д → ¹² С + n + 13,7 МэВ

д + д → ³ He + n + 3,27 МэВ

Конструкция защиты снижает профессиональную дозу как нейтронного, так и гамма-излучения до незначительного уровня. Основными компонентами являются 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 это вода.

Подходы

HB11 Энергия

HB11 Energy использует тысячи объединенных лазеров с диодной накачкой. Это позволяет массовым и менее дорогим килоджоульным лазерам доставлять к цели мегаджоули. Полученная наносекундная и пикосекундная двухимпульсная лазерная система обеспечивает входные данные нового поколения. В этом подходе используется импульсная мощность (выстрелы). Топливные гранулы сгорают со скоростью около 1 в секунду. Высвобождаемая энергия приводит в действие обычный генератор парового цикла.

Лазерная технология

Мощность лазера увеличилась примерно в 10 раз. ³ x/десятилетие на фоне падения затрат. Достижения включают в себя:

• Твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSL) преобразуют больше входного электрического тока в свет, уменьшая потери тепла.

• Оптическое параметрическое усиление чирпированных импульсов (OPCPA). Эти системы используют нелинейные оптические процессы для снижения тепловой нагрузки и повышения эффективности.

• Сжатие импульсов на основе плазмы. Плазму можно использовать для сжатия лазерных импульсов, обеспечивая высокую пиковую мощность с минимальными потерями энергии.

• Когерентное объединение лучей (CBC) объединяет несколько лучей в один, более мощный, распределяя тепловую нагрузку между несколькими лучами и когерентно объединяя их энергию.

• Эффективные системы газового или криогенного охлаждения необходимы для работы мощных лазеров.

• Усиливающие материалы, такие как кристаллы или керамика, легированные иттербием, обладают лучшими тепловыми свойствами и более высокой способностью аккумулировать энергию.

• Исследователи создали прототип однокристального титан-сапфирового лазера, который составляет 10 ⁴ х меньше и 10 ³ x дешевле, чем предыдущие модели.

Захват энергии

См. Также: Прямое преобразование энергии.

Анейтронный синтез производит энергию в виде заряженных частиц вместо нейтронов . Это означает, что энергию анейтронного термоядерного синтеза можно будет улавливать напрямую, вместо того, чтобы направлять нейтроны на цель, чтобы что-то вскипятить. Прямое преобразование может быть либо индуктивным, основанным на изменении магнитных полей, электростатическим, основанным на столкновении заряженных частиц с электрическим полем, либо фотоэлектрическим, при котором энергия света улавливается в импульсном режиме.

Электростатическое преобразование использует движение заряженных частиц для создания напряжения , которое производит ток – электрическую мощность. Это противоположность явлениям, в которых для приведения частицы в движение используется напряжение. Его описывают как линейный ускоритель, работающий в обратном направлении.

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 , циклотронным излучением , синхротронным излучением или взаимодействием электрического поля. Излучение можно оценить по формуле Лармора и оно представлено в рентгеновском, УФ-, видимом и ИК-спектрах. Некоторая часть энергии, излучаемой в виде рентгеновских лучей, может быть преобразована непосредственно в электричество. Из-за фотоэлектрического эффекта рентгеновские лучи, проходя через массив проводящих фольг, передают часть своей энергии электронам, которые затем могут быть захвачены электростатически. Поскольку рентгеновские лучи могут проходить сквозь материал гораздо большей толщины, чем электроны, для их поглощения необходимы сотни или тысячи слоев.

Технические проблемы

С коммерциализацией анейтронного синтеза сталкивается множество проблем.

Температура

Подавляющее большинство исследований в области термоядерного синтеза было направлено на слияние D-T, которого достичь легче всего. В экспериментах по термоядерному синтезу обычно используется дейтерий-дейтериевый синтез (DD), поскольку дейтерий дешев, с ним легко обращаться и он нерадиоактивен. Экспериментировать с DT-синтезом сложнее, поскольку тритий дорог и радиоактивен, что требует дополнительных мер защиты окружающей среды и безопасности.

Сочетание меньшего сечения и более высоких скоростей потерь в D– ³ Термоядерный синтез в некоторой степени компенсируется тем, что реагенты представляют собой в основном заряженные частицы, которые отдают свою энергию в плазме. Такое сочетание функций компенсации требует рабочей температуры примерно в четыре раза выше, чем у системы D–T. Однако из-за высоких скоростей потерь и, как следствие, быстрого круговорота энергии, время удержания работающего реактора должно быть примерно в пятьдесят раз выше, чем D – T, а плотность энергии примерно в 80 раз выше. Это требует значительных успехов в физике плазмы.

Для синтеза протона и бора требуется энергия ионов и, следовательно, температура плазмы, примерно в девять раз выше, чем для термоядерного синтеза D-T. При любой заданной плотности реагирующих ядер скорость реакции протон-бор достигает максимальной скорости около 600 кэВ (6,6 миллиардов градусов Цельсия или 6,6 гигакельвинов ). в то время как D – T имеет пик около 66 кэВ (765 миллионов градусов Цельсия, или 0,765 гигакельвина). Для концепций ограничения давления оптимальные рабочие температуры примерно в 5 раз ниже, но соотношение по-прежнему составляет примерно десять к одному.

Баланс мощности

Пиковая скорость реакции p– ¹¹ B составляет всего лишь одну треть от D – T, что требует лучшего удержания плазмы. Удержание обычно характеризуется временем τ, в течение которого энергия сохраняется так, что выделяемая мощность превышает мощность, необходимую для нагрева плазмы. Могут быть выведены различные требования, чаще всего критерий Лоусона, произведение плотности nτ и произведение давления nTτ . nτ , необходимый для p– ¹¹ B в 45 раз выше, чем для D–T. в Требуемое nTτ 500 раз выше. Поскольку свойства удержания традиционных подходов к термоядерному синтезу, таких как токамак и синтез лазерных гранул, являются маргинальными, в большинстве анейтронных предложений используются радикально разные концепции удержания.

В большинстве термоядерных плазм тормозное излучение является основным каналом потери энергии. (См. также потери на тормозное излучение в квазинейтральной изотропной плазме .) Для p– ¹¹ В реакции B некоторые расчеты показывают, что мощность тормозного излучения будет как минимум в 1,74 раза больше мощности термоядерного синтеза. Соответствующее соотношение для ³ Он- ³ Его реакция лишь немного более благоприятна – 1,39. Это неприменимо к ненейтральной плазме и отличается от анизотропной плазмы.

В традиционных конструкциях реакторов, независимо от того, основаны ли они на магнитном или инерционном удержании , тормозное излучение может легко покинуть плазму и считается чистой потерей энергии. Перспективы были бы более благоприятными, если бы плазма могла повторно поглощать излучение. Поглощение происходит в основном за счет томсоновского рассеяния на электронах . которое имеет полное сечение σ _T = 6,65 × 10 ⁻²⁹ м ² . В смеси Д–Т 50–50 это соответствует диапазону 6,3 г/см. ² . Это значительно выше критерия Лоусона ρR > 1 г/см. ² , что уже труднодостижимо, но может быть достижимо в системах инерционного удержания.

В мегатесла магнитных полях квантово-механический эффект может подавлять передачу энергии от ионов к электронам. Согласно одному из расчетов, Потери на тормозное излучение можно было бы уменьшить до половины мощности термоядерного синтеза или даже меньше. В сильном магнитном поле циклотронное излучение даже больше тормозного. В поле мегатеслы 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 плазменной частоты более чем в два раза . В этом хорошо известном случае циклотронное излучение задерживается внутри плазмоида и не может выйти, кроме как из очень тонкого поверхностного слоя.

Хотя поля мегатеслы еще не были созданы, поля в 0,3 мегатесла были созданы с помощью лазеров высокой интенсивности. поля силой 0,02–0,04 мегатесла наблюдались с помощью устройства фокусировки плотной плазмы .

При гораздо более высоких плотностях ( n _e > 6,7 × 10 ⁻³⁴ м ⁻³ ), электроны будут ферми-вырождены , что подавляет потери тормозного излучения как напрямую, так и за счет уменьшения передачи энергии от ионов к электронам. Если необходимые условия могут быть достигнуты, чистое производство энергии из p– ¹¹ B или D– ³ Топливо может быть возможным. Однако вероятность создания реактора, основанного исключительно на этом эффекте, остается низкой, поскольку прогнозируется, что коэффициент усиления будет менее 20, тогда как обычно считается необходимым более 200.

Плотность мощности

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

Однако не так-то просто сравнить плотность мощности, вырабатываемую различными термоядерными топливными циклами. Случай, наиболее благоприятный для p– ¹¹ B относительно топлива D-T представляет собой (гипотетическое) удерживающее устройство, которое хорошо работает только при температуре ионов выше примерно 400 кэВ, в котором параметр скорости реакции σv равен для двух видов топлива и работает при низкой температуре электронов. п– ¹¹ B не требует такого длительного времени удержания, поскольку энергия его заряженных продуктов в два с половиной раза выше, чем у D–T. Однако ослабление этих предположений, например, путем рассмотрения горячих электронов, позволяя реакции D-T протекать при более низкой температуре или путем включения энергии нейтронов в расчет, смещает преимущество плотности мощности в сторону D-T.

Наиболее распространенным предположением является сравнение плотностей мощности при одном и том же давлении, выбирая температуру ионов для каждой реакции, чтобы максимизировать плотность мощности, и при этом температура электронов равна температуре ионов. Хотя схемы изоляции могут быть ограничены, а иногда и ограничены другими факторами, большинство хорошо изученных схем имеют тот или иной предел давления. В этих предположениях плотность мощности для p– ¹¹ B примерно в 2100 раз меньше, чем для D–T. Использование холодных электронов снижает это соотношение примерно до 700. Эти цифры являются еще одним показателем того, что энергия анейтронного термоядерного синтеза невозможна при использовании концепций удержания на основной линии.

См. также

• цикл CNO
• Холодный синтез
• История ядерного синтеза

Внешние ссылки

• Общество Фокус Фьюжн
• Прототип протонно-борного синтеза
• Анейтронный синтез в вырожденной плазме
• Лазеры вызывают более чистый синтез ( [электронная почта защищена] , 26 августа 2005 г.)
• Наблюдение реакций безнейтронного синтеза в пикосекундной лазерной плазме (Physical Review E 72, 2005)
• Новые возможности для термоядерного синтеза в 21 веке - передовые виды топлива. Архивировано 15 апреля 2016 г. в Wayback Machine , Г.Л. Кульчински и Дж.Ф.Сантариус, 14-е тематическое совещание по технологии термоядерной энергии, 15–19 октября 2000 г.,