충돌 빔 융접

Colliding beam fusion

충돌빔융합(CBF) 또는 충돌빔융합로(CBFR)는 다양한 입자 가속기 설계 또는 기타 수단을 사용하여 핵융합 에너지로 독립적으로 가속되는 두 개 이상의 교차하는 핵융합 연료 이온 빔에 기초한 핵융합 에너지 개념의 한 종류이다.빔 중 하나는 정적 타겟으로 대체될 수 있으며, 이 경우 접근법은 가속기 기반 융접 또는 빔-타겟 융접으로 알려져 있지만 물리적으로는 충돌 빔과 동일합니다.

CBFR은 핵융합 에너지 후보로 진지하게 고려될 수 있는 능력을 제한하고 있는 많은 문제에 직면해 있습니다.두 이온이 충돌할 때, 그것들은 융합하기 보다는 흩어질 가능성이 더 높습니다.자기 핵융합 에너지 원자로는 부피 플라즈마를 사용하여 이 문제를 극복하고 이온들이 충돌할 수 있는 수천 번의 기회를 가지도록 일정 기간 가둬둡니다.두 빔이 충돌하면 빔이 흩어지기 전에 이온이 상호작용할 시간이 많지 않습니다.이것은 빔 기계가 만들 수 있는 핵융합 에너지의 양을 제한한다.

CBFR은 대량 연료를 가열하는 대신 개별 입자를 직접 가속함으로써 융합을 위한 활성화 에너지를 제공하는 보다 효율적인 방법을 제공합니다.CBFR 반응물질은 자연적으로 비열성이므로 특히 아뉴에트로닉 연료의 쿨롱 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 직접 전달할 수 있다는 이점이 있습니다.이전 CBFR의 단점을 해결하기 위해 Migma, MARBLE, MIX 및 기타 빔 기반 컨셉을 포함한 많은 설계들이 모색되어 왔습니다.이러한 개념은 전파를 적용하고, 빔을 묶고, 재순환을 증가시키거나 양자 효과를 적용하여 CBFR의 근본적인 과제를 극복하려고 시도합니다. 이러한 접근법 중 어느 것도 아직 성공하지 못했습니다.

재래식 핵융합

주요 기사:핵융합

핵융합은 원자가 가까이 다가오고 핵력이 원자의 핵을 하나로 끌어당겨 하나의 큰 핵을 형성할 때 일어난다.이 과정을 상쇄하는 것은 정전력에 의해 서로 밀어내는 핵의 양전하이다.핵융합이 일어나기 위해서는 핵이 이 쿨롱 장벽을 극복할 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있어야 한다.양성자가 가장 적은 원자와 양의 전하가 적은 원자에 대해서는 장벽이 낮아집니다.핵력은 양성자와 중성자의 총 수인 추가 핵자와 함께 증가한다.이것은 중수소와 삼중수소의 조합이 약 100 keV에서 가장 낮은 쿨롱 장벽을 가지고 있다는 것을 의미한다. [1](융합을 위한 요건 참조)

연료가 높은 에너지로 가열되면 전자는 핵에서 분리되고 핵은 개별 이온과 기체 형태의 플라즈마에서 혼합된 전자로 남습니다.기체의 입자는 맥스웰-볼츠만 분포로 알려진 스펙트럼에서 광범위한 에너지로 분포된다.주어진 온도에서 대부분의 입자는 낮은 에너지이며, "긴 꼬리"는 훨씬 높은 에너지에서 더 적은 수의 입자를 포함합니다.따라서 100 keV는 10억 도 이상의 온도를 나타내지만, 핵융합 이벤트를 생성하기 위해 연료 전체를 이 온도로 가열할 필요는 없습니다. 혼합된 [1]고에너지 입자의 수가 적기 때문에 낮은 온도에서도 일부 반응이 발생합니다.

핵융합 반응은 많은 양의 에너지를 방출하고, 그 에너지의 일부는 연료에 다시 축적되기 때문에, 이러한 반응은 연료를 가열합니다.반응 속도, 따라서 축적된 에너지가 환경에 대한 손실의 균형을 유지하는 임계 온도가 있습니다.이 시점에서 반응은 자급자족하게 되며, 이 지점을 점화라고 합니다.D-T 연료의 경우, 그 온도는 5천만도에서 1억도 사이입니다.융접 및 순 에너지 방출의 전체적인 속도는 융접 [1]삼중곱으로 알려진 온도, 밀도 및 에너지 제한 시간의 조합에 따라 달라집니다.

핵융합 에너지 문제를 해결하기 위해 두 가지 주요 접근법이 개발되었습니다.관성 구속 접근법에서는 연료가 매우 높은 밀도로 빠르게 압축되어 단열 과정을 통해 내부 온도도 상승합니다.어떠한 시간 동안 이러한 상태를 유지하려는 시도는 없으며, 힘이 방출되는 즉시 연료가 외부로 폭발합니다.가두는 시간은 마이크로초 정도이므로, 핵융합을 위해 상당한 양의 연료가 존재하기 위해서는 온도와 밀도가 매우 높아야 합니다.이 접근법은 핵융합 반응을 일으키는 데 성공했지만, 지금까지 압축할 수 있는 장치(일반적으로 레이저)는 [1]반응보다 훨씬 더 많은 에너지를 필요로 합니다.

더 널리 연구된 접근법은 자기 구속이다.플라즈마는 전기적으로 충전되기 때문에 자기력선을 따르며, 적절한 필드 배열은 연료가 용기 벽으로부터 멀리 떨어져 있도록 할 수 있습니다.그런 다음 연료는 테일 내 일부 연료가 융접을 시작할 때까지 장시간 가열됩니다.자석을 사용할 수 있는 온도와 밀도에서는 융접 과정이 상당히 느리기 때문에 이 방법은 수십 초 또는 몇 분 정도의 긴 구속 시간이 필요합니다.최신 실험 기계는 순전력 생산, 즉 "브레이크벤"[1]에 필요한 조건에 근접하고 있지만, 이러한 종류의 시간 척도를 위해 가스를 수백만 도에 가두는 것은 어려운 것으로 입증되었습니다.

직접 가속

쿨롱 장벽을 극복하는 데 필요한 에너지 수준, D-T 연료의 경우 약 100 keV는 수백만 도에 해당하지만, 아무리 작은 입자 가속기라도 제공할 수 있는 에너지 범위 내에 있습니다.예를 들어, 1932년에 만들어진 최초의 사이클로트론은 테이블 [2]상판에 맞는 장치로 4.8MeV를 생산할 수 있었다.

원래의 지구 방향 핵융합 반응은 캠브리지 대학의 캐번디시 연구소의 그러한 장치에 의해 만들어졌다.1934년 마크 올리판트, 폴 하텍, 어니스트 러더포드는 중수소 원자핵을 중수소, 리튬 또는 다른 가벼운 원소가 주입된 금속박에 쏘기 위해 전자총과 다르지 않은 새로운 형태의 전원 공급 장치를 사용했다.이 장치를 통해 그들은 다양한 반응의 핵단면을 연구할 수 있었고, 100 keV [3]수치를 만든 것은 그들의 연구였다.

어떤 주어진 중수소가 금속박에 있는 중수소 원자 중 하나에 부딪힐 가능성은 아주 작다.실험은 오랜 기간 동안 진행되었기 때문에 성공했고, 일어난 희귀한 반응들은 놓칠 수 없을 정도로 강력했다.하지만 전력 생산 시스템의 기초로서 그것은 단순히 작동하지 않을 것이다; 가속된 중수소의 대부분은 충돌을 겪지 않고 바로 박을 통과하고, 가속에 투입된 모든 에너지가 손실된다.발생하는 반응의 수가 적기 때문에 [3]가속기에 공급되는 에너지보다 훨씬 적은 에너지를 방출합니다.

제2차 세계대전 직후 로스앨러모스에서 Stanislaw Ulam과 Jim Tuck에 의해 다소 관련이 있는 개념이 탐구되었다.이 시스템에서 중수소는 캐번디쉬 실험처럼 금속에 주입되었다가 원추형으로 형성되어 형상의 전하 탄두에 삽입되었다.그러한 두 개의 탄두가 서로를 겨냥하여 발사되었고, 충돌한 빠르게 움직이는 중수소화된 금속의 제트를 형성하였다.이 실험들은 1946년에 이루어졌지만 핵융합 [4]반응의 증거를 발견하지 못했다.

빔 타깃 시스템

빔-타겟 핵융합 시스템의 구축의 어려움을 설명하기 위해 하나의 유망한 핵융합 연료인 양성자-붕소 사이클 또는 p-B11을 [5]검토한다.

붕소는 고도로 정제된 고체 블록으로 형성될 수 있으며, 수소 가스를 이온화하면 양성자가 쉽게 생성된다.양성자는 가속되어 붕소 블록으로 발사될 수 있고, 그 반응은 여러 개의 알파 입자를 방출하게 할 것이다.이들은 랭킨 사이클이나 이와 유사한 열 구동 시스템을 사용하지 않고도 정전 시스템에서 직접 전기를 생산할 수 있습니다.이 반응들은 직접적으로 중성자를 생성하지 않기 때문에 안전성 [6]측면에서도 많은 실질적인 이점을 가지고 있다.

양성자가 약 675 keV의 에너지를 가질 때 충돌 가능성은 최대화된다.알파는 퓨즈가 되면 총 8.7 MeV를 운반합니다.이 에너지 중 일부인 0.675 MeV는 프로세스를 계속하기 위해 새로운 양성자를 생성하기 위해 가속기에 재활용되어야 하며 생성 및 가속 과정이 50% 이상 효율적일 것 같지 않습니다.이렇게 하면 사이클을 종료할 수 있는 충분한 순 에너지가 남습니다.하지만, 이것은 모든 양성자가 핵융합 현상을 일으킨다고 가정하지만, 그렇지 않다.반응 확률을 고려했을 때, 결과 주기는 다음과 같다.

Enet = 8.7 MeVpB - 0.675 MeV[7]

여기서 θ와p θ는B 주어진 양성자나 붕소가 반응을 겪을 확률이다.재배열을 통해 다음을 확인할 수 있습니다.

ζpB = 0.67 MeV / 8.6 MeV =1/13[7]

즉, 손익분기점을 맞추기 위해서는 최소 1/13의 입자가 융합되어야 합니다.양성자가 붕소와 충돌할 가능성을 확실히 하기 위해, 그것은 많은 붕소 원자를 통과해야 한다.충돌 속도는 다음과 같습니다.

nevents = σσ d d[7]

여기서 θ는 양성자와 붕소 사이의 핵단면이고, θ는 붕소의 밀도이고, d는 양성자가 붕소를 통해 이동하는 평균 거리이다.p-B11의 경우 θ는 0.9 x 10cm−24−2, θ는 2.535g/cm이므로3 d~8cm이다.그러나 블록을 통과하면 양성자가 통과하는 붕소 원자를 이온화시켜 양성자의 속도를 늦춘다.0.675MeV에서 이 과정은 양성자에서 서브keV 에너지까지의 속도를 [7]약 10cm로−4 늦춘다. 이는 필요한 것보다 훨씬 적은 규모이다.

충돌 보

하나의 가속기와 움직이지 않는 표적이 아닌 두 개의 가속기를 서로 발사함으로써 상황을 어느 정도 개선할 수 있습니다.이 경우 위의 예에서 두 번째 연료인 붕소는 이미 이온화되어 있기 때문에 양성자가 고체 블록으로 들어가는 '이온화 항력'을 [8]제거한다.

그러나 이 경우 확실한 대상이 없기 때문에 특성 교호작용 길이의 개념은 의미가 없습니다.대신 이러한 유형의 시스템에서는 반응 단면을 사건 발생 횟수와 결합하는 용어인 빔 밝기 L을 사용하는 것이 일반 측정값입니다.이 용어는 일반적으로 다음과 같이 정의됩니다.

L =1/σdN/dt[9]

이 설명에서는 충돌 빈도를 추출하기 위해 다시 정렬합니다.

dN/dt = l L[9]

이러한 충돌은 각각 8.7 MeV를 생성하므로 dN/dt를 곱하면 전력이 공급됩니다.N개의 충돌을 생성하려면 L의 광도가 필요하고 L의 생성에는 전력이 필요하므로 다음을 통해 특정 L을 생성하는 데 필요한 전력량을 계산할 수 있습니다.

L = P/170 8.76 MeV[10]

P를 소형 풍력 터빈에 해당하는 1MW로 설정하면 10cm의−2−1 [9]L이42 필요합니다.비교를 위해 2017년 대형 강입자 충돌기에서 세운 세계 광도 기록은 2.06 x 10cm로34−2−1 10배 이상 [11]낮았다.

교차 보

상호작용 단면이 매우 낮기 때문에 반응 영역에 필요한 입자의 수는 기존 기술을 훨씬 능가하는 어마어마합니다.그러나 이는 문제의 입자가 시스템을 한 번만 통과한다고 가정합니다.충돌을 놓친 입자가 에너지를 유지할 수 있고 여러 번 충돌할 가능성이 있는 방식으로 재활용할 수 있다면 에너지 불균형을 [8]줄일 수 있다.

그러한 해결책 중 하나는 강력한 자석의 극 사이에 2빔 시스템의 반응 영역을 배치하는 것입니다.이 장에 의해 대전된 입자들이 원형 경로로 휘어져 다시 반응 영역으로 돌아오게 됩니다.그러나 이러한 시스템은 입자의 초점을 자연스럽게 흐트러뜨리기 때문에 원하는 [8]밀도를 생성하기에 충분히 정확하게 원래의 궤도로 돌아가지 않습니다.

더 나은 해결책은 빔 정확도를 유지하기 위한 포커스 시스템이 포함된 전용 스토리지 링을 사용하는 것입니다.그러나, 이것들은 원래의 궤적의 비교적 좁은 선택에 있는 입자만을 받아들인다.두 입자가 가까이 접근하여 비스듬히 흩어지면 더 이상 저장 영역으로 재활용되지 않습니다.이러한 산란으로 인한 손실률이 핵융합 [8]속도보다 훨씬 크다는 것을 쉽게 알 수 있다.

이 산란 문제에 대처하기 위해 몇 가지 시도가 이루어지고 있습니다.

미그마

주요 기사:미그마

Migma 디바이스는 아마도 재순환 문제를 해결하기 위한 첫 번째 중요한 시도일 것입니다.다양한 위치와 각도로 배치된 사실상 무한대의 스토리지 링을 사용하는 스토리지 시스템을 사용했습니다.이는 물리적으로 달성된 것이 아니라 원통형 진공 챔버 내의 자기장을 신중하게 배치함으로써 달성되었습니다.매우 높은 각도 산란 현상을 겪는 이온만 손실될 것이며, 계산에 따르면, 이러한 사건의 속도는 주어진 이온이 산란되기 전에 반응 영역을8 10회 통과할 것이다.이것은 긍정적인 에너지 [12]출력을 유지하기에 충분합니다.

여러 Migma 디바이스가 개발되어 어느 정도 가능성이 있었지만, 적당한 크기의 디바이스를 넘어서는 진척은 없었습니다.공간 전하 한계 고려에 기초한 여러 가지 이론적 우려가 제기되었는데, 이는 연료의 밀도를 유용한 수준으로 증가시키려면 거대한 자석이 필요하다는 것을 시사했다.자금 조달 라운드 동안 이 시스템은 다양한 에너지 기관들과 신랄한 논쟁에 휘말리게 되었고 1980년대에 [13]추가 개발이 종료되었다.

트라이알파

주요 기사: TAE 테크놀로지스

어바인 캘리포니아 대학의 노먼 로스토커 교수의 아이디어를 바탕으로 비슷한 개념의 Tri-Alpha Energy (TAE)가 시도되고 있다.1990년대 초반의 초기 간행물에서는 기존의 교차 저장 링과 재초점 배치를 사용하는 장치를 보여주지만 1996년의 이후 문서에서는 연료 이온을 필드 반전 구성(FRC)[14]으로 완전히 다른 시스템 연소 방식을 사용한다.

FRC는 두꺼운 벽의 튜브처럼 보이는 자기 안정형 플라즈마 배열입니다.자기장은 입자들이 튜브 벽 사이에 갇혀서 빠르게 순환하도록 한다.TAE는 우선 안정적인 FRC를 생산한 뒤 가속기를 이용해 연료 이온을 추가로 발사해 갇히게 할 계획이다.이온은 FRC에서 발생하는 복사 손실을 보충할 뿐만 아니라 FRC에 더 많은 자기 헬리시티를 주입하여 모양을 유지합니다.가속기에서 나온 이온들이 충돌하여 [14]융합을 일으킨다.

컨셉이 처음 공개되었을 때, 그것은 저널에서 [15][16]많은 부정적인 평가를 받았다.이러한 문제들은 설명되고 몇 가지 작은 실험 장치의 건설이 뒤따랐다.2018년 현재, 시스템의 가장 잘 보고된 성능은 손익분기점에서 약 10개−12 떨어져 있습니다.2019년 초 기존 D-T 연료를 사용하여 시스템을 개발할 것이라고 발표하였고, 회사 이름을 [17]TAE로 변경하였다.

IEC

퓨저

주요 기사: 퓨저

IEC 장치의 전형적인 예는 퓨저입니다.전형적인 퓨저는 진공상태의 두 개의 구형 금속 케이지를 가지고 있습니다.두 개의 케이지 사이에 고전압이 배치됩니다.연료 가스 주입.[18][19]연료가 이온화되고 내부 케이지 쪽으로 가속됩니다.이온이 내부 케이지를 놓치면 서로 융합할 수 있습니다.

퓨저는 전통적으로 빔을 사용하지 않기 때문에 CBFR 제품군의 일부로 간주되지 않습니다.

핵융합 발전 원자로로서의 퓨저에는 많은 문제가 있다.하나는 전기 그리드가 서로 끌어당기는 강력한 기계적 힘이 있을 정도로 충전되기 때문에 그리드 재료의 크기가 제한된다는 것입니다.이로 인해 이온과 그리드 간의 충돌 속도가 최소화되어 시스템에서 에너지가 제거됩니다.또한 이러한 충돌은 금속을 연료로 분사하여 방사선을 통해 에너지를 빠르게 잃게 합니다.가장 작은 그리드 재료는 이온과의 충돌로 핵융합 속도보다 빠르게 시스템에서 에너지를 제거할 수 있을 만큼 충분히 클 수 있습니다.그 외에도, 그러한 시스템에서 나오는 X선 방사선이 핵융합이 공급할 [19]수 있는 에너지보다 더 빨리 에너지를 제거할 것이라는 몇 가지 손실 메커니즘이 있습니다.

N-Body IEC

2017년 메릴랜드 대학교는 재순환 이온 빔이 핵융합 조건에 도달할 수 있는지를 판단하기 위해 N-Body 빔 시스템을 시뮬레이션했다.모델은 핵융합 전력에 필요한 충분한 밀도에 도달할 수 없기 때문에 개념이 근본적으로 제한적이라는 것을 보여주었다.

폴리웰

주요 기사: 폴리웰

그리드 충돌 문제를 피하기 위한 시도는 Robert Bussard가 폴리웰 설계에서 수행했습니다.이는 교두보 자기장 배치를 사용하여 갇힌 전자로 구성된 "가상 전극"을 생성합니다.그 결과 퓨저의 그리드 와이어에 의해 생성되는 것과 달리 와이어가 없는 가속 필드가 생성됩니다.가상 전극의 전자와의 충돌은 가능하지만 퓨저와 달리 금속 [20]이온이 분리됨으로써 추가적인 손실이 발생하지 않습니다.

폴리웰의 가장 큰 결점은 상당 시간 동안 혈장 음성을 유지할 수 있다는 것입니다.실제로 상당한 양의 음전하가 빠르게 사라집니다.또한 1995년 Todd Rider의 분석에 따르면 평형 플라즈마가 아닌 시스템은 bremsstrahlung으로 인한 급격한 에너지 손실을 겪을 수 있습니다.브렘스스트랄룽은 하전 입자가 빠르게 가속되어 X선을 방출하여 에너지를 잃을 때 발생합니다.용융기와 폴리웰을 모두 포함한 IEC 장치의 경우, 최근 반응 영역에 진입하는 가속 이온과 저에너지 이온 및 전자 간의 충돌은 가능한 [21]융접 속도보다 훨씬 높은 것으로 보이는 브렘스스트래그의 하한을 형성한다.

메모들

레퍼런스

인용문

  1. ^ a b c d e WNA 2019.
  2. ^ "The First Cyclotrons". American Institute of Physics.
  3. ^ a b 올리판트, 하텍 & 러더포드 1934년
  4. ^ 1958년 턱.
  5. ^ 루지에로 1992, 페이지 1
  6. ^ 루지에로 1992, 페이지 1, 2
  7. ^ a b c d 루지에로 1992, 3페이지
  8. ^ a b c d 루지에로 1992, 페이지 4
  9. ^ a b c 루지에로 1992, 5페이지
  10. ^ 루지에로 1992, 7페이지
  11. ^ Pralavorio, Corinne (13 November 2017). "The LHC's 2017 proton run has ended with record luminosity". CERN.
  12. ^ 마글리치 1973, 페이지 213–215.
  13. ^ 1989년 접기.
  14. ^ a b 1997년 로스토커, 바인더바우어 & 몽크호스트.
  15. ^ 1998년 네빈스 & 칼슨
  16. ^ 왕.
  17. ^ 맥마흔 2019.
  18. ^ 스판글러 2013.
  19. ^ a b 퓨저
  20. ^ NBC 2013.
  21. ^ 라이더 1995.

참고 문헌