用加速器加速宏观轻微带电微粒获取聚变能源的可能性核工业

直接聚变方案及其可行性雷奕安，刘健，管晓寅，王直轩，陈超，张桦森北京大学物理学院，100871摘要本文提出了用加快器加快宏观带电微粒，让微粒能量到达2MJ以上，轰击牢固靶，以引发聚变的方案，即直接聚变方案。由于没有充实的理论和实验支持，我们阐发了方案中可能存在的种种根本物理问题，对一些根本历程和物理量进行了估算，探讨了该方案的可行性，并比力了该方案与主流聚变方案的优势及其可行性问题。要害词：加快器，聚变，离子束一、引言能源是人类生存的条件，是人类生长的动力。人类社会生长到现在，最明显地特征和趋势之一就是无休止的加快的对能源的需求。当前人类社碰面临的重大问题，生长，能源，情况，世界宁静，都与能源直接相关，可是现在传统能源逐渐枯竭，以太阳能，风能，生物质能等为代的绿色新能源虽然理论上能满足人类生存和生长的需要，但是只有它们显然是不敷的。好比如果世界气候产生大范畴的灾害性变革，人类很可能只能束手待毙。而如果掌握了取之不尽用之不竭的聚变能源，我们将有时机逃过这种世界末日之劫。在这种特定条件下，其它任何一种能源都是不可靠的。在现阶段，如果我们能够大范围经济地得到聚变能源，世界面临的许多重大问题将迎刃而解。然而，虽然人类发明聚变已经上百年了，大范围聚变装置的出现也已经过了50多年，但能够有效利用聚变能量的受控核聚变却还相当遥远NewScientisteditorial,3June2006,p.3。二、主流聚变方案及其挑战现行的主流聚变方案分为惯性约束和磁约束两类。作为聚变能源的来源，也是现在世界主要国度和机构的选择，各人更看好磁约束聚变方案。惯性约束，虽然是一个非常重要的底子研究偏向，但作为大范围清洁聚变能量的来源，照旧存在产生能量总量太低（激光，重离子束聚变），重复频率低（激光，Z-pinch），装置被消耗的部门过多(重离子，Z-pinch)等很难克服的缺点。可是，磁约束聚变方案，包罗各人最看好的托卡马克和仿星器方案，除了理论和盘算还没有经过大型装置和长时间稳定燃烧的查验之外，在工程方面有着极其严峻的挑战，这一点可以从ITER项目的巨额用度和漫长工期上看出来。工程的庞大性和巨额用度又带来了严重的维护问题。三、加快器驱动聚变介绍用加快器来实现聚变，早在聚变方才发明的时候，现代核物理之父，卢瑟福爵士，就断言用这种方案来获取能源是不可能的。原因众所周知，核聚变反响截面太小。反响产生的能量远远低于维持加快器运转所需要的能量。尽管如此，照旧有人试图利用精巧的做出简朴的聚变装置，如Migma方案BogdanC.Maglich,TheMigmaprincipleofcontrolledfusion,NuclearInstrumentsandMethodsIII(1973),p213-235，但最后证明是行不通的FundamentalLimitationsonPlasmaFusionSystemsNotinThermodynamicEquilibrium,MITDepartmentofElectricalEngineeringandComputerScience,June1995。另有耗能大于聚变产生能量，但可以用作中子源的fusor装置RobertL.Hirsch,"Inertial-ElectrostaticConfinementofIonizedFusionGases",JournalofAppliedPhysics,v.38,no.7,October1967。对付惯性约束来说，实现聚变的要害在于，要在足够短的时间内以足够的密度对聚变质料注入足够的能量，固然还要能维持一定的约束时间。除了利用大功率激光，高电流(Z-pinch)，加快器也是一个选择，重离子聚变方案（HeavyIonFusion,HIF）就接纳了加快器方案。四、重离子聚变方案及其挑战与别的惯性约束方案相比，HIF有一些很好的特点，好比：总注入能量很高，很容易到达数十MJ；重复频率高，很容易到达每秒5到10次；加快器的能量转换效率高，能到达30%以上，远远大于激光器的效率；可靠性好，现有的加快器已经证明了，加快器能以较高的使用率连续事情10年以上；另有就是不需要非常靠近聚变产生区、容易损耗的庞大部件，这对发电厂的连续性是非常重要的。其实这几点都是激光聚变方案的不敷之处。正因为如此，美国能源部和国会确信，如果要创建大范围的商业聚变电厂，HIF是最有希望的惯性约束方案。然而，在HIF方案中，最大的问题是离子束密度过低。一般加快器中的离子束密度用电流表现只有毫安量级，换算成密度比一般凝聚态低十几个量级，因此虽然离子的能量很高（GeV量级），离子束的总能量也很高，但总的能量密度有限。离子束的照射时间远远大于聚变质料热爆炸开的时间。所以，在HIF方案中，最大的问题在于如何提高离子束的密度FUSIONENERGYSCIENCESADVISORYCOMMITTEEPRIORITIESPANELREPORT,USA,(April,2005).。在这方面虽然已经有了很大的进展S.S.Yu,Heavy-Ion-Fusion-Science:SummaryofU.S.Progress,IAEA-06，但总的密度仍然低于普通凝聚态一百万倍以上。凭据，现在经过种种努力后到达的密度，还需要再提高1000倍（纵向100倍，横向10倍），才气到达聚变点火的要求。这是一项极大的挑战，也是各人更看好磁约束方案的原因。表1HIF实现聚变发电的目标参数http://hif.lbl.gov/tutorial/tutorial.html总离子束能量5MJ聚焦半径3mm离子密度0.1g/cm2脉冲长度10纳秒峰值功率400TW离子能量3-10GeV总离子束电流40kA离子质量200原子单元五、直接聚变方案为此，本文提出了一个绕过HIF这一困难的方案，希望能够解决这个问题。众所周知，在一般的实验室条件下，无论是离子束照旧中性等离子体，密度都远远低于普通的凝聚态。如果我们直接加快普通的凝聚态，就可以到达很高的密度。固然，也是众所周知的，用加快器加快普通凝聚态如固体颗粒的要害困难是，宏观颗粒可以带的电荷太少，荷质比太低，无法用磁场进行控制。纵然不需要控制偏向，因为荷质比非常低，也很难加到很高的能量。经过仔细阐发发明，这并不是一个质的问题，而是一个量的问题。现有的理论和实验结果不敷以排除这种加快方案。下面将进行定性和定量的阐发。第一是控制问题。以较乐观的荷质比（电荷数比核子数）10-8为例，用磁场约束和控制这样一群粒子是不可想象的，但是我们可以只用单个宏观颗粒，这样就可以用电场而不是磁场对它进行控制。由于是宏观颗粒，容易跟踪，就容易控制。第二是加快问题。HIF方案中离子束的能量可以到达每核子数十MeV，考虑到本方案中离子密度超过HIF计划中的点火密度1000倍以上，相应地，我们需要的每核子能量要大大低落，具体要几多，取决于颗粒巨细，颗粒中的原子种类等。考虑到聚变反响的温度要求，我们每个核子的能量在1~100keV之间。以10keV和荷质比10-8为例，要求加快器的加快能力是1TeV，这并不是很难到达的要求。计划中的国际直线对撞机（InternationalLinearCollider,ILC）设计指标就是500GeV到1TeV。一般情况下，加快器内射频电场的强度能到达100MV/m左右，所以10公里的加快器可以将一个电荷加快到1TeV。需要说明的是，虽然环形加快器的能量更高，考虑我们的低荷质比，很难用于这里的方案。1直接聚变方案，用聚变质料制成的子弹加快后射向同样质料的靶，在很大的反响室内产生聚变，聚变能量有室壁吸收，用于发电。下面再以1毫克的氘氚化锂（等比例氘氚）撞击10克同样质料的聚变反响为例，讨论这里牵涉到的种种物理量的数量级。氚化锂的数据很难查到，氘化锂的也不全，但我们可以参考氢化锂的物理化学属性来外推氘氚化锂的性质。氢化锂是离子晶体，密度0.78g/cm3，熔点较高，为689°C，比热为29.73J/(molk)化学活性很强，有毒。考虑氘氚为氢的同位素，化学性质相同，可以知道等比例氘氚的氘氚化锂的密度约莫为0.93g/cm3,熔点为700°C左右,比热35J/(molk)左右。氢化锂分子的结合能为2.54±0.2eVCrawford,F.H.,andJorgensen,jun.,T.,Phys.Rev.,49,745(1936).。氘和氚的密度均为0.05mol/cm3。一毫克锂化氘氚约莫为10-4mol,相当于6×1019个锂化氘氚分子，共有约莫6×1020个核子和2.4×1020个电子。如果我们用激光大概强电场敲掉6×1012个电子，大概往上面溅射上同样数量的电子，这相当于10-6库仑电量。假定电荷均匀漫衍，颗粒为球形，总的静电能约莫是5J。这一颗粒总的化学结合能为50J左右，比静电能大十倍，因此它应该是静电稳定的。考虑到电荷一般会趋向物体外貌，静电能还应该低落。这时颗粒的荷质比为10-8。为了跟其它惯性约束方案比力，我们把该微粒加快到2MJ。这需要一台2TeV的加快器，每个核子能量有20keV，相当于氘的能量为40keV，氚60keV，锂（主要是锂7）140keV，平均每个原子核带有90keV动能，总能量为6×1012×2TeV，即约2MJ。对付这一颗粒，这一能量相当速度约为2000km/s，远低于光速。这时对应的加快器束电流为1毫安。这一颗粒的巨细为1毫米。我们将它射向一个10mm×10mm×100mm，同样质料制成的靶，如图1所示。历程很庞大，由于没有实验，我们只能推测这一碰撞历程是怎么产生的。考虑这里牵涉到的能量范畴内，质料的阻止本事(stoppingpower),也即高能粒子在质料中Forexample,seeICRUReport 49,StoppingPowersandRangesforProtonsandAlphaParticles.，以及随后的高密等离子体中J.Lindhard,K.Dan.Vidensk.Selsk.Mat.Fys.Medd.28(1954);C.Deutschetal.,Nucl.Instrum.Methods.Phys.Res.A278,38(1989).，的能量损失率dE/dx为100MeV/cm量级，数百keV能量的离子在数微米的长度范畴内就会把自己险些所有的能量通报给周围的粒子，因此我们可以假定整个历程是一个平衡历程。图1加快到2000km/s，1毫克巨细的LiD(T)弹丸射向10mm×10mm×100mm，用同样质料制成的靶。两者碰撞后能够产生聚变。聚变产生后，产生的能量能够点燃更多的聚变质料。这里的聚变历程很庞大，没有实验种种模型都难以验证。如果利用平衡等离子体的聚变反响率公式，我们估算出，在弹丸能量到达10MJ左右时，险些可以肯定，低级聚变产生的能量足以点燃大量靶燃料，产生类似链式反响的效果，许多靶燃料将爆裂开，不产生聚变，但是有相当一部门的燃料有时机聚变。只要1毫克的氘氚聚变就能放出10公斤煤炭燃烧的热量。这里的靶中有2.5克左右的氘氚，哪怕只有百分之一的产生反响，每秒钟反响一次，就足以驱动一座350万千瓦的发电厂。六、直接聚变方案的特点这里的聚变历程与通常的惯性约束有较大的差异，一般的激光大概HIF是从外面加热，产生内爆压缩弹丸，让弹丸到达极高的温度和密度，产生聚变。如果接纳单粒弹丸，这里没有内爆历程，只是单纯的纵向挤压，在挤压的前锋将会有很高的粒子密度，这有利于聚变的产生，但可能远远比不上内爆到达的密度。另外一个重大差异，在于这里的聚变质料许多，远远多于激光或HIF方案中毫克量级的小弹丸。激光或HIF方案中正是因为每次弹丸太小，产生的总能量输出太小，而要增加弹丸的巨细，有需要大大提高激光或离子束的能量，而且原则上难以控制的Rayleigh-Taylorinstability会更严重，使每次的能量输出极不稳定。而这里的方案中，因为聚变在质料内部产生，产生的聚变能量可以点燃更多的聚变质料，我们可以凭据需要输出的能量巨细调解聚变质料的几多，这显然是非常理想的。由于大量锂的存在，一方面增强了约束效果，另一方面也可以用来生产氚。与磁约束聚变方案相比，该方案的技能难度小得多。加快器是成熟的技能，这里对加快器的要求也不高，束流强度只有毫安量级，但是如果弹丸的荷质比太低，可能需要数十公里长的直线加快器，以及比通常加快器更强的电场。这里险些不需要磁场，而磁约束需要维持在极低温的超导质料来产生很强的磁场，这是一项难度很大也不经济的摆设。这里的反响室壁可以离反响点很远，因此对室壁的强度和耐损耗要求大大低落，室壁蒙受的能量流强度也可以大大低于磁约束方案。也不存在让聚变科学家们最头疼的种种等离子体稳定性问题。七、可能的问题由于该方案没有实验验证，相关的一些研究也缺乏，因此有很大的不确定性，可能存在原则性的问题。第一个问题是：1毫克巨细宏观颗粒的荷质比究竟可以到多高？10-10？10-9？10-8？10-7？如果低于10-9，该方案的难度将大大增加，可能不得不接纳很长的加快器，加快多个粒子等方案。这方面缺乏研究，我们查到的早期文献中例如：T.ErinandC.D.Hendricks,Rev.ofSci.Instr.39,no9(1968)1269 ，作者研究的既不是单个颗粒，也没有在真空中，目的也不是为了得到高荷质比，他们在7微克的氮化钠颗粒上得到了1×10-4C/kg的荷质比，仅相当于10-12。一般的灰尘等离子体中，一微米巨细灰尘的荷质比能到达10-8左右，但考虑等离子体整体呈电中性，单个颗粒原则上应该能够到达更高。可以接纳一些步伐提高颗粒的荷质比，好比将质料做成空心球状，管状等。子弹可以选择有利于提高荷质比的质料，不需要一定是聚变反响质料，如高强度的碳纳米管小球等。凭据前面化学能与静电能的比力，对付1毫米巨细的LiD(T)颗粒，10-8应该没有问题。对宇宙灰尘静电稳定性的研究中E.J.Opik,IrishAstron.J.A84,1956，给出的上限略大于这个比例。第二个问题：加快器加快离子束时，一个头疼的问题是离子束的扩散，以及扣除质心运动后离子束温度的升高。这一点在我们的方案中不存在。但是，会不会存在类似的，在加快历程中导致颗粒剖析的问题呢？考虑颗粒中的电荷一般会均匀漫衍，以及一般来说，化学键强度要比外部加快电场大许多多少个量级，这一点应该不是问题。实际上，上世纪90年代初，有一个与我们的方案类似的分子团聚变实验R.J.Beuhler,G.Friedlander,andL.Friedman,Phys.Rev.Lett.63,1292(1989)，就是用静电加快器加快(D2O)n分子团簇，n从25到1300，把它射向TiD靶，他们观察到了聚变产生的中子。这些分子团簇只带一个电荷，相当于荷质比为1/500到1/2600。第三个问题是加快器的设计问题。由于从来没有人设计过加快宏观巨细物体的电加快器，也会有不确定性存在。前面我们已经说过，微粒的控制问题可以用电场而不是磁场来解决，但还存在别的问题，如被加快的颗粒速度其实非常低，不到光速的1/100。一方面来说，可能是功德情，因为加快时的辐射问题大大减轻，加快效率提高。另一方面，加快电场与颗粒的同步可能成为问题。加快器中的射频场强在100MV/m的量级，所以1TeV的加快器需要10公里长，如果荷质比低，就需要更长的加快器，显然这会带来工程问题。1毫米巨细的颗粒上带有1微库仑的电量，虽然荷质比仅为10-8，但从静电学的角度来看，是很大的一个电量。如何制备是一个问题，制备后的维持和控制也是一个问题。八、总结本文提出了一个用加快器直接加快低荷质比、宏观巨细颗粒作为高密度粒子束，进行直接聚变的方案。该方案与别的聚变方案相比，易于控制，一次产出能量高，技能相对简朴，但由于没有相关研究和实验，我们只能从已有的文献和根本理论出发，阐发方案牵涉的种种物理量是不是公道，并讨论了方案中可能出现的种种问题。总的说来，目前已有的理论和我们查到的文献，不能定性地排除这一方案。致谢由于本文作者刚进入聚变领域，对聚变种种方案特别是历史了解不敷。本方案提出之后，我们没有足够的信心。我们要特别谢谢陈骝传授的支持与勉励，与林志宏，秦洪传授的有益讨论，以及NormanRostock传授在聚变历史和种种方案方面的指导。本项目受到国度自然科学基金10575004,10675006资助。参考文献