Παραγωγή σωματιδίων άλφα και συνεισφορά τους στο φαινόμενο θέρμανσης πλάσματος σε μηχανές σύντηξης

Abstract

Fusion of light nuclei (of small atomic number) is the method of clean energy production for large scale power generation. The European fusion activity is implemented through Euratom and more recently, through Eurofusion, which is a world leader in research and technology, due to the construction and operation of large Magnetic Confinement Fusion (MCF) devices, like ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) and JET (Joint European Torus), both costing 10 - 12 billions of euros. The last few years and especially in the USA, there is an increasing interest for the development of Compact Magnetic Fusion Devices (CMFDs), operating with intermediate plasma densities: 1020 m-3 - 1024 m-3, compared to magnetic (MCF) or inertial (ICF) confinement fusion devices: 1019 m-3 και 1029 m-3, correspondingly. Compact Magnetic Fusion Devices are suitable for industrial applications, including magnetic confinement fusion plasma studies, fusion energy generation tests, space propulsion and blanket material construction studies for future MCF and ICF devices. It is noteworthy to mention that the final CMFD construction and operating cost is at least 100 times lower than that of conventional Tokamak and ICF machines. Conventional MCF and ICF machines, as well as CMFDs use mostly the nuclear fuels of Deuterium - Tritium (D-T) or Hydrogen - 11Boron (p-11B). However, D-T nuclear fusion reaction: D + T → (_2^4)He+ n, isn’t the ideal candidate for clean energy generation, as it releases most of its energy in the form of radioactive, high-energy neutrons (1 neutron of 14.1 MeV energy, per fusion reaction). p-11B nuclear fusion reaction: p - 11B → 3 (_2^4)He on the other hand, not only emits less than 1.0 of its total energy in the form of radioactive neutrons, but also produces three (3) iso-energetic alpha particles ((_2^4)He) with 8.7 MeV total energy. The latter energy amount can be converted into electricity with a 60 % - 70 % efficiency, without passing through a thermodynamic cycle. Recent experiments of the international literature count alpha particle generation from p – 11B nuclear reactions, coming from the interaction of a laser-driven high-energy proton beam with a solid 11Boron target or plasma (beam-target schemes). Since the generation of alpha particles depends on the initial proton beam energy, the initial density and temperature of 11Boron plasma, as well as the temporal evolution of both of them, beam – solid target (or plasma) configurations produce a relatively small number of alpha particles. The major difficulty in the research conducted around p-11B fusion is its nuclear fusion cross section efficiency, at higher than 250 keV reactant energies. At these high energies, p-11B fusion plasma electrons emit intense Bremsstrahlung radiation, as a consequence of their acceleration from the electric field of other charged particles (protons or atomic nuclei). Bremsstrahlung radiation isn’t absorbed by the thermonuclear plasma and thus, is an unavoidable energy loss from it. For the overcome of the difficulty related to nuclear cross section efficiency, the formation of the proton - 11Boron plasma is suggested inside a Compact Magnetic Fusion Device (CMFD). The proton - 11Boron plasma will result from the interaction of two high-energy particle beams (one proton fluid plasma beam and one Boron ions fluid plasma beam), in the energy range of 100 keV – 300 keV. Inside the formed p-11B fusion plasma, the fusion produced alpha particles will transfer most of their energy to the protons and 11Boron ions, through elastic binary Coulomb collisions (chain reactions effect and related avalanche effect, according to the international literature). The type of Compact Magnetic Fusion Device previously described, will allow a relatively long plasma energy confinement type (τΕ ~ 10 s), so that the total produced number of alpha particles can then contribute to “clean” energy generation. In the context of the present PhD dissertation, the following topics will be discussed: i) The plasma formation processes, ii) The p-11B fusion process inside a Compact Magnetic Fusion Device (CMFD), iii) The interactions of the fusion produced alpha particles inside the fusion plasma, iv) The result of the binary Coulomb collisions of the fusion produced alpha particles with the plasma charged particles (electrons, protons, Boron ions), v) The induced plasma heating plasma heating by the fusion produced alpha particles. The plasma formation by the high-energy particle beams will be discussed for the cases of beam production from: i) Short pulse high-intensity laser beam interactions with solid targets, and ii) Magnetically Insulated Diodes (MIDs).

Η σύντηξη ελαφρών σχετικά πυρήνων (μικρού ατομικού αριθμού) αποτελεί τη μέθοδο παραγωγής “καθαρής” ενέργειας, για ηλεκτροπαραγωγή μεγάλης κλίμακας. Η ευρωπαϊκή δραστηριότητα σύντηξης υλοποιείται μέσω της Euratom και πρόσφατα μέσω της Eurofusion, η οποία εμφανίζει παγκόσμια πρωτοπορία, τόσο σε ερευνητικό όσο και σε τεχνολογικό επίπεδο, λόγω της κατασκευής - λειτουργίας μεγάλων μηχανών Μαγνητικής Σύντηξης (Tokamak), όπως το JET (Joint European Torus) και ο Διεθνής Πειραματικός Θερμοπυρηνικός Αντιδραστήρας (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER) στο Cadarache της Γαλλίας, κόστους 10 – 12 δισεκατομμυρίων ευρώ. Tα τελευταία χρόνια, και ιδιαίτερα στις ΗΠΑ, υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη Συμπαγών Συσκευών Μαγνητικής Σύντηξης (Compact Magnetic Fusion Devices - CMFDs). Αυτές λειτουργούν με ενδιάμεσες πυκνότητες πλάσματος: n ~ (1020 m-3 - 1024 m-3), σε σχέση με τις μηχανές μαγνητικής (MCF): n ~ 1019 m-3 ή αδρανειακής (ICF) σύντηξης: n ~ 1029 m-3. Οι Συμπαγείς Διατάξεις Μαγνητικής Σύντηξης εμφανίζονται κατάλληλες για βιομηχανικές εφαρμογές, στις οποίες συμπεριλαμβάνονται η μελέτη ενός πλάσματος MCF, οι δοκιμές παραγωγής ενέργειας μέσω σύντηξης, η διαστημική πρόωση και οι μελέτες γύρω από τα υλικά κατασκευής του χιτώνα των διατάξεων MCF. Σε σχέση με τις συμβατικές μηχανές Tokamak και ICF, το τελικό κόστος (κατασκευής - λειτουργίας) των συσκευών CMFD είναι τουλάχιστον εκατό (100) φορές χαμηλότερο.Οι συμβατικές μηχανές μαγνητικού (MCF) και αδρανειακού (ICF) περιορισμού, όπως επίσης και οι αναπτυσσόμενες Συμπαγείς Διατάξεις Μαγνητικής Σύντηξης (CMFD), θεωρούν ως επί το πλείστων, τα πυρηνικά καύσιμα του Δευτερίου - Τριτίου (D - Τ) και του Υδρογόνου - 11Bορείου (p – 11B). Εν τούτοις, η πυρηνική αντίδραση: D + T → (_2^4)He+ n, δεν αποτελεί τον ιδανικό υποψήφιο για την παραγωγή καθαρής ενέργειας, καθόσον απελευθερώνει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας της, υπό τη μορφή ακτινοβολίας νετρονίων υψηλής ενέργειας {1 νετρόνιο (n), ενέργειας 14.1 MeV, ανά αντίδραση σύντηξης}. Η πυρηνική αντίδραση: p + 11B → 3 (_2^4)He από την άλλη πλευρά, εκπέμπει λιγότερο (<) από το 1.0 % της συνολικής της ενέργειας, υπό τη μορφή ραδιενεργών νετρονίων και αφετέρου, παράγει τρία (3) ισο-ενεργητικά, φορτισμένα σωματίδια άλφα ((_2^4)He), με συνολική ενέργεια στα 8.7 MeV. Το τελευταίο ποσό ενέργειας μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια, με απόδοση ~ 60 – 70 %, δίχως την απαίτηση ενός θερμοδυναμικού κύκλου. Πρόσφατα πειράματα της διεθνούς βιβλιογραφίας μετρούν την παραγωγή σωματιδίων άλφα από πυρηνικές αντιδράσεις p-11B, οφειλόμενες στην αλληλοεπίδραση μίας δέσμης πρωτονίων υψηλής ενέργειας, παραγόμενης μέσω δέσμης laser, με ένα στερεό στόχο ή ένα στερεό πλάσμα Βορείου (διατάξεις δέσμης - στόχου). Καθόσον στην προκειμένη περίπτωση, η παραγωγή σωματιδίων άλφα εξαρτάται από την αρχική ενέργεια της δέσμης των πρωτονίων, την αρχική πυκνότητα και την θερμοκρασία του μέσου Βορείου, αλλά και την χρονική εξέλιξη όλων αυτών των παραμέτρων, οι διατάξεις δέσμης – στερεού στόχου (ή μέσου) παράγουν τελικά, ένα σχετικά μικρό αριθμό σωματιδίων άλφα. Τη βασική κύρια δυσκολία της έρευνας που πραγματοποιείται γύρω από την αντίδραση σύντηξης p-11B, αποτελεί η αποδοτικότητα της ενεργής της διατομής (cross section), σε θερμοκρασίες πλάσματος υψηλότερες των 250 keV. Σε αυτές τις τόσο υψηλές θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια του πλάσματος p-11B, σαν αποτέλεσμα της επιτάχυνσης τους από το ηλεκτρικό πεδίο άλλων φορτισμένων σωματιδίων (πρωτόνια ή ατομικούς πυρήνες), εκπέμπουν έντονη ακτινοβολία Bremsstrahlung, Η ακτινοβολία Bremsstrahlung αποτελεί τον κύριο μηχανισμό απώλειας ενέργειας του καυσίμου p-11B, που εμποδίζει την ανάφλεξη του {Q = (Pfus / PBrems) ≥ 1, όπου: Pfus η παραγόμενη ισχύς σύντηξης και PBrems οι απώλειες ισχύος της ακτινοβολίας Bremsstrahlung}. Προκειμένου να ξεπεραστεί η δυσκολία της αποδοτικότητας της πυρηνικής ενεργής διατομής, προτείνεται ο σχηματισμός του πλάσματος σύντηξης p-11B στο εσωτερικό μίας Συμπαγούς Διάταξης Μαγνητικής Σύντηξης (CMFD). To πλάσμα πρωτονίων και ιόντων Βορείου θα προκύπτει από την αλληλοεπίδραση δύο (2) δεσμών σωματιδίων υψηλής ενέργειας {μίας δέσμης πλάσματος πρωτονίων και μίας δέσμης πλάσματος ιόντων Βορείου}, στο εύρος ενεργειών 100 keV – 300 keV. Στο εσωτερικό του σχηματιζόμενου πλάσματος σύντηξης, τα παραγόμενα σωματίδια άλφα των πυρηνικών αντιδράσεων p-11B θα μεταφέρουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας τους, μέσω δυαδικών συγκρούσεων Coulomb, στα πρωτόνια και τα ιόντα Βορείου (φαινόμενο αλυσιδωτών αντιδράσεων και σχετικό φαινόμενο θέρμανσης πλάσματος, από τα παραγόμενα σωματίδια άλφα των αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης p-11B, με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία). Ο τύπος της Συμπαγούς Διάταξης Μαγνητικής Σύντηξης που περιεγράφηκε παραπάνω, θα επιτρέπει ένα σχετικά μεγάλο χρόνο συγκράτησης της ενέργειας του πλάσματος p-11B (τΕ ~ 10 s), ούτως ώστε ο συνολικά παραγόμενος αριθμός σωματιδίων άλφα, να μπορεί στη συνέχεια να συμβάλλει στην παραγωγή “καθαρής” ενέργειας.Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, θα μελετηθούν: i) Οι διαδικασίες παραγωγής πλάσματος, ii) H διαδικασία σύντηξης p-11B σε μία Συμπαγή Μηχανή Σύντηξης, στην οποία το πλάσμα θα παράγεται από δύο (2) δέσμες ιόντων (πρωτονίων και Βορείου) υψηλής ενέργειας, iii) Οι αλληλοεπιδράσεις των παραγόμενων σωματιδίων άλφα στο εσωτερικό του πλάσματος, iv) Το αποτέλεσμα των κρούσεων των παραγόμενων σωματιδίων άλφα με τα φορτισμένα σωματίδια του πλάσματος (ηλεκτρόνια, ιόντα), όπως επίσης και οι κρούσεις μεταξύ των ιόντων, v) Το φαινόμενο θέρμανσης πλάσματος από σωματίδια άλφα. Για όλα τα παραπάνω αντικείμενα θα διενεργηθεί σε ένα πρώτο στάδιο βιβλιογραφική έρευνα. Η δημιουργία του πλάσματος, μέσω δεσμών σωματιδίων υψηλής ενέργειας, θα μελετηθεί για τις περιπτώσεις, όπου οι δέσμες πλάσματος (ιονισμένου ρευστού, υψηλής θερμοκρασίας) παράγονται από: 1) Δέσμη βραχύχρονου παλμού laser μεγάλης έντασης με διάφορους στόχους, 2) Μαγνητικά Μονωμένες Διόδους. Τα αποτελέσματα της διενεργούμενης έρευνας θα επιτρέψουν σε ένα τελευταίο στάδιο, την πρόταση μίας διάταξης, για τη μετατροπή της ενέργειας των σωματιδίων άλφα σε ηλεκτρική ενέργεια.