文摘

proton-boron劳森判据(p -¹¹B)热核聚变是大大高于氘氚(DT)因为融合截面和山峰更高的离子能量低。麦克斯韦的平均p -¹¹在几百keV B活性高峰,轫致辐射辐射发射可能主导聚变反应如果电子和离子在热平衡和损失是无限制的。非平衡燃烧常被解读为实现这个aneutronic反应所带来的好处,但弹性散射的优势在核聚变反应性使得这一目标难以实现。超短脉冲激光的发展(USPL)开启了新的可能性启动非平衡热烧伤和大量的p -¹¹B阿尔法粒子已报告从几个实验。我们提出一个分析表明,这些重要α收益率是梁聚变反应的结果不扩展到净能量增益。我们进一步发现收益率可以用实验来解释参数和最近更新的横截面,这样一个假定的雪崩机制不是必需的。我们使用这种分析理解底层物理USPL-driven非平衡融合反应和他们是否可以用来启动融合烧伤。最后,我们概述了提高p -路径¹¹B反应的目标实现点火和描述的设计原则,我们将使用一个计算点的设计。

1。介绍

融合是宇宙中占据主导地位的能源来源和发生在重力在恒星的核心。热武器单发的示范,地球上不可控热核聚变装置。数十年国际研究项目设计和构建一个受控热核反应堆达到科学盈亏平衡(融合能量等于能源投入燃料)证明的难度为融合创造条件和等离子燃烧获得(聚变能源/输入能量的等离子体> 1)在实验室设备。最近成功实现科学近盈亏平衡(聚变能源/入射激光能量)的美国国家点火装置(NIF) [1),记录multisecond融合在喷射燃烧(2由CFS[],展示20特士拉磁铁操作3),和更高的预期性能在ITER (4),所有使用蒸燃料,激发了一个复苏的兴趣融合作为环境友好型能源控制气候变化的斗争中。反过来,这导致了前所未有的大量风险资本,越来越多的公司正在寻求各种方法来达到和超过科学的盈亏平衡的一个经济和环境吸引力核聚变发电厂。从一个成功的科学和工程挑战示范科学盈亏平衡这样的核聚变发电厂是强大的。例如,ICF的兴奋拍摄N210808围绕重大成就的收益率(2021年8月8日)是受到这一事实获得的融合产生的1.35 MJ X-ray-driven胶囊在黑体辐射腔始于300 MJ存储在电容器银行注入活力的灯管Nd:玻璃NIF激光器。胶囊的黑体辐射腔吸收大约225 kJ的x射线产生胶囊获得∼6。虽然几个内爆产生胶囊8月以来涨幅大于1,没有获得的收益大于1倍木星质量。此外,激光枪率(一个/天),目标制造率(每周或每月),和许多其他失踪的因素(例如,目标注入和氚增殖)需要证明或显著增加实现实际电厂。

美国能源部(DOE)已经开始举办一系列惯性聚变能源(人生)研讨会5]探索的范围选择驾驶目标(直接或间接(x射线)驱动激光、脉冲电源,或重离子)和收集一系列基础研究需要发展所需的技术和科学的人生反应堆。能源部几十年来一直租船研究和聚变研究的资助,主要集中在磁聚变系统(托卡马克),没有明确的时间表开发指标实现核聚变能量。然而,显著增加私人资金投资激励认真的讨论与政府建立新的立法,建立公私合作伙伴关系(ppp) [6)追求的开发和商业化核聚变发电厂。这种合作关系和立法可以显著加速时间比依靠政府项目。成功的伙伴关系而进一步NASA和多个商业宇宙飞船公司,融合PPP项目应该提供一个平行,竞争发展道路为核聚变反应堆。

HB11能源企业有限公司是一家创业公司开发一个人生的目的基于proton-boron-11 (p -发电厂¹¹B)的反应。有几篇文章描述HB11路线图(7)翻译原来的专利(8)到一个核聚变发电厂。基线方法要求点燃一个非热能的H-B反应通过激光离子加速质子的走向¹¹B-rich燃料,封闭燃烧在激光产生等离子体磁约束系统,通过雪崩反应进一步增加产量,发电直接捕获的能量融合α粒子。专利是基于一系列的理论论文出版多年,一直在等待实验测试。超短脉冲激光的发展(USPL)为初始非平衡热核燃烧,打开了新的可能性和大量的p -¹¹B阿尔法粒子从几个实验,已报告引用赫拉教授的HB11引用。在随后的章节中,我们在分析这些实验报告他们通知我们的路线图的方法来开发一个p -反应堆¹¹B反应。

aneutronic Proton-boron融合是有吸引力的,因为反应,产生有限的放射性废物,使用一个稳定、丰富,和非放射性燃料,避免工程育种面临的挑战,并有较高的能量转换效率的可能性比一个热循环。然而,众所周知,p -劳森判据¹¹B是大大高于蒸因为融合截面低和峰高离子能量。因此,p -¹¹B为麦克斯韦反应离子分布的峰值比DT在更高的温度下。进一步,如果等离子体电子与离子平衡,有人担心轫致辐射辐射损失,鉴于硼的相对较高的电荷状态(Z= 5),可能在聚变反应在整个参数空间主导,使净能量增益不可能的。最近的一篇文章中(9]介绍了广义劳森标准允许的框架比较各种聚变燃料周期和聚变装置的磁场,惯性,磁化的概念。p -他们的分析¹¹B燃烧使用标准的融合截面和辐射率得出结论:点火是不可能的,除非电子温度低于离子温度3 - 5倍。然而,另一个最近的一篇论文(10]报告发现更高的反应性(∼30%)使用一个更新的横截面(11),以及占反应的动力学影响产品通过福克尔普朗克质子谱模型。作者得出结论,点火可能理论上在他们认为的磁约束装置。

2。中子与氘目标收益率Laser-Driven实验

啁啾脉冲放大技术的发明,斯特里克兰和男人12极大地扩大了激光目标层强度实验和认可了2018年的诺贝尔物理学奖。高强度短脉冲激光也打开了新的替代标准ICF热点点火方法。例如,在1994年,Tabak和他的同事们提出(13]使用ultrapowerful激光在本地创建一个聚焦的电子束,热量和点燃的一部分密集的DT暂时预压的球形状的纳秒激光在高密度组装燃料等体积的(恒定密度)的状态。这种所谓的“快点火”计划分开的崩溃燃料的点火过程,从而放松一些限制内爆对称和混合的一代。然而,生成的效率和传输电子的热崩溃燃料复杂强静电场生成(出口的。14])。早期的实验在世界上第一个在LLNL petawatt激光显示高能质子一代也激励proton-driven快点火(15]。实验也表明聚焦的能力塑造的质子束的目标,以及目标的定容加热的质子也得到了证实。研究正在探索快速点火的概念。如前所述,HB11提出使用USPLs加速质子和启动的非平衡燃烧硼燃料,这需要哪些元素激光目标的详细知识交互产生最大的影响在核聚变反应。

从实验分析中子收益率USPL-irradiated氘目标可以给有价值的洞察物理激光目标交互,因为他们已经广泛执行和中子活化和飞行时间(TOF)标准诊断最多激光设备。此外,中子不减目标材料,也不会受到电磁场的影响。因此,他们显然反映了融合过程中的目标。例如,在1998年Norreys et al。16)辐射致冷氘高达10个目标¹⁹W /厘米²并测量产生的中子通量来洞察激光等离子体相互作用过程导致氘核加速度。他们的分析表明,中子生产符合机上d d梁由快速氘核聚变反应加速了强激光产生的领域,而不是从加热热核聚变燃料的地区。具体来说,Norrey的论文展示了一个中子TOF峰值为2.45兆电子伏的激光强度9×10¹⁷W /厘米²,但显示了一个更广泛的扩展到更高的中子能量峰值在5×10¹⁸W /厘米²,这是符合氘核加速度高动能。

第一重要的洞察力,我们从这些早期的实验,在这些强度、激光目标交互物理要求的动能与等离子体粒子的相互作用,超越单一流体模型。即热电子和加速快离子不与背景等离子体平衡,这些快速粒子穿透背景流体和失去能量和散射主要通过库仑相互作用,作为福克尔普朗克所描述的模型。这些快速粒子有扩展范围占缺乏局部等离子体加热热核温度。也排除了一代的强烈冲击,这需要一个局部地区的高压区域(活塞)和缺乏冲击接口以外的预热。这意味着一个流体,甚至双流体模型,如Lalousis et al。17),不能准确地捕捉这种交互的基本物理。

所描述的Krasa et al。18),其他研究人员进行了一系列的实验来测量快离子通量和d d中子生产从激光目标交互在fs, ps, sub-ns脉冲持续时间在几个不同的激光系统。有趣的是,从他的论文图6(复制如图以上1)表明,测量中子收益率符合总激光能量在激光脉冲持续时间三个数量级,除了N98数据点(16],它的独特之处在于,它有一个低温氘目标,将更详细地讨论在第四节的结束。这表明集成通过beam-fusion反应所产生的中子数相对不敏感物理相互作用的细节,这是一个复杂的功能的激光强度、波长、对比度(比前脉冲的主要脉冲激光)。对于这组实验,快离子光谱内的目标几乎肯定是不同的激光脉冲持续时间不同,从而聚焦强度不同,就像Norreys纸。这在总收率不敏感可能归因于这样一个事实:梁聚变反应似乎占主导地位,机上反应是反应截面的卷积离子阻止本领,如方程(1)。这意味着比离子厚的目标范围内,最高的机上核反应发生离子能量,能量在横截面就可以忽略不计。

方程(1):厚目标机上反应产生一个初始离子的入射粒子能量E₀

作为在第5部分将更详细地讨论,随着激光强度的增加,那么炎热的电子温度和相应的快离子能量。这意味着随着激光强度的增加,快速离子采样能源部分的核截面。图2显示了蒸的融合横截面,d d, p-B11质量重心的函数(COM)离子能量。热核聚变的标准方法,如ICF和磁聚变能源(MFE),重点是Maxwellian-averaged热分布的离子的反应,也就是说它们主要集中在低能部分截面的准确性。梁聚变反应样品的横截面向下最高能量的离子失去能量通过与电子的非弹性碰撞。这意味着核反应产生的准确性,计算由方程(1),是敏感的高能部分横截面,也可能不是彻底的研究。进一步,经常融合提出了横截面为解析函数在指定的能源制度。例如,表四世在博世和黑尔(19)列出了参数截面适合DD反应-5000 keV能量范围0.5,这是最适合计算thermal-averaged核聚变反应。在这个范围之外,重要的是要寻找实验数据点,例如在《实验核反应EXFOR数据库(19]。有有限的数据高于d d融合横截面几兆电子伏以上,所以在这个地区有更大的不确定性。无论如何,数据显示减少截面氘核更高的能量,这有助于解释的相对不敏感d d中子产生与激光强度(峰值氘核能源),因为所有氘核与上面几兆电子伏能量产生他们的最高产量通过100 - 1500 keV地区慢下来,让他们的综合反应收率约常数。

3所示。α收益率与硼Laser-Driven实验目标

数据集在图之一1来自实验报道Belyaev和合作者在2004 - 2006年的俄罗斯(20.]。他们报告测量相当中子产生的5×10⁴每个脉冲辐照的固体表面的氘微微秒激光等离子体目标的3×10的强度¹⁷W /厘米²。2006年,他们还报道了激光前脉冲中子的有害影响生产和保持良好的对比度的重要性。2005年,Belyaev使用相同的“钕激光照射目标包含¹¹B和报道第一次观察到的阿尔法粒子逃离neutron-less p -的目标¹¹B聚变反应的峰值强度2×10¹⁸W /厘米²(21]。他们的报告收益是10³α每个镜头/脉冲(意义)。然而,他们的α粒子诊断不太成熟比用于氘的中子诊断实验,他们本来就更难领域由于呼吸急促的范围和依赖cr - 39探测器跟踪作为主要测量工具。木村等人重新审视分析技术和报道,总收率至少被低估了100倍,使真正的收益率10⁵每个脉冲(22]。

自2005年以来,已经有一系列laser-driven p -¹¹B在几个不同的实验设施(Labaune et al。23,24皮乔托,et al。25),Margarone et al。26),Baccou et al。27),塔亚布等。28),Giuffrida et al。29日),Margarone et al。30.),Bonvalet et al。31日),课程结业者将加入慈善研讨课程(32),Margarone et al。33])和测量α粒子收益率显示一个令人印象深刻的增长,见图3。这些实验的一个共同的目标是最大化的生成高能质子通过laser-driven带电粒子加速(CPA)和互动与boron-containing目标这些质子生成通过p -阿尔法粒子¹¹B反应。这些实验在一个“目标”几何,激光直接之中一个坚实的目标,加速质子与散装材料。这是几何Belyaev用于他最初的实验。整体的目标的直接辐照允许快速激光和电子能量沉积在目标材料,和分析的交互需要占质子的温度依赖性阻止本领是运输的媒介。许多其他的这些实验进行“pitcher-catcher”几何的质子生成laser-irradiated薄箔(投手)和与第二个目标(麦田)相撞,从而接受梁聚变反应。在这种情况下,麦田目标通常是一个常温固体,除了Labaune实验,ns激光用于加热捕手。

鉴于有相对较少的这些实验,这是引人注目的,他们代表了广泛的激光参数,目标几何图形,和目标成分,见表1。我们看到各种波长的实验已经完成,与激光能量不同从15 J 1.4 kJ,激光脉冲宽度25 fs 300 ps,和集中强度”我“从3×10¹⁶2×10²¹。实验在Ti: Sa在激光等离子体激光系统部门RRCAT、印度(28)最短25 fs脉冲宽度和焦1×10的强度^20.。这个乐团的实验还包括广泛的激光前脉冲或对比比率。具体来说,只有Labaune、塔亚布和Hegelich实验前脉冲(高对比度)较低。创建的其他更重要的前脉冲能量,等离子体排污强度和峰值前可以修改交互物理。在图3,左手规模表示绝对的粒子通量(粒子/ sr),而右手规模标准化目标的激光能量传递(粒子/ sr / J)。在随后的章节中,我们将尝试解释底层物理数据管理的趋势,特别是激光能量的规范化每焦耳α产量,这反映了融合过程的相对能量增益。这种快速的α粒子通量增加CPA-driven实验在过去17年一直印象深刻,并产生可观的收益率明显减轻引起了人们的猜测,能源生产从非平衡态aneutronic融合是在地平线上。关于能源获得这个数据告诉了我们什么?

p -¹¹B反应问价值8.76兆电子伏,这能量是分区之间3α粒子。从目标物理的角度来看,有趣的是,p -¹¹B大约一半了问蒸的价值,而是因为80%的蒸14.1兆电子伏能量是由中子,α粒子只有3.5兆电子伏。这意味着目标加热通过α沉积是p - 2.5倍¹¹比DT B,这将是一个重要的考虑在计算核聚变反应。p -¹¹B核反应能量可以用来计算,1 kJ的聚变能相当于2.15×10¹⁵α粒子。因此,我们可以定义科学盈亏平衡,我们定义为融合能量等于激光能量,2.15×10¹²阿尔法/ J。这意味着这套实验的最大归一化产量是最多10⁻⁴科学盈亏平衡。正如我们将详细讨论,尽管诱惑地大量的α粒子在这些USPL-driven实验,最好的收益率一直伴随着一个质子加速效率∼10%加上一个飞行中的反应的概率10⁻³到10⁻⁴。在下面几节中,我们将执行这些实验的深入的分析了解物理机制产生最高的收益和如何被用来实现显著提高在未来的目标设计融合。

4所示。比较α粒子和弟弟从Laser-Driven中子实验

视图的数据图的另一种方式3和表1是阴谋α粒子收益率作为激光能量的函数在同一DD中子产生块图吗1。事实上,参考图3 (34和图4的参考35]显示Krasa勾画微弱p-B11数据点的数据到情节。这些论文的讨论的重点是反应的非热能的性质在这两种情况下,有提到,令人惊奇的是,proton-boron数据是中子产生线之上,这可能表明有一些缺失物理USPL-driven实验,增加了proton-boron核聚变反应。图4显示了α粒子产生从图3映射到Krasa中子产生如图1。Belyaev的椭圆和课程结业者将加入慈善研讨课程数据表示的范围可以从不同的实验配置。结果朋友和LFEX超越极限的最初的情节,强调p-B更高的收益率¹¹比d d为这些laser-driven实验。

我们的分析表明,质子的飞行中发生的反应¹¹B是高于氘核氘,这样应该更高的收益率;重要的是不要混淆这些d d反应与蒸融合的预期更高的价值。这个图中可以看到5显示了厚目标收益率质子在硼和氘核的CD₂作为初始弹能量的函数,计算了方程(1)使用适当的离子阻止权力和融合横截面。这个分析显示,这些结果可以解释为高截面有关硼的质子,以及更大的离子加速质子比氘核的效率。无所不在的氢在材料,加上他们1:1荷质比相比1:2氘核,使他们更丰富和更容易加速Child-Langmuir框架内(36]。

如前所述,我们注意N98中子数据点Norreys et al。16)是远远高于大多数其它数据,讨论在[34]。正如前面讨论的,中子实验表明,d d TOF数据融合反应不是主要热核和由于氘核机上反应加速到兆电子伏能量非线性有质动力的力量。我们重申,这是符合创建动态快速的电子和离子加速快,这在本质上是动态的。这些快速粒子分布耦合激光能量在外地的方式,和快速离子接受机上聚变反应的峰值融合横截面样本兆电子伏能量政权。N98实验实现的中子收益率显著高于N05结果可以用这一事实来解释使用冷冻,低温氘目标,能够加速氘核明显多于一个CD₂目标(p . Norreys、电子邮件沟通,11月28日,2020),在重要的激光能量是寄生的电离和加速度的消耗碳离子和吸附氢(质子)。

5。USPL强度创建快速的电子和离子

啁啾脉冲放大的发展在1985年启用USPLs代高强度激光束,从而开辟了新的高领域的前沿物理学和许多不同的形式由激光产生的带电粒子加速字段。是有用的了解的一些基本物理与短脉冲激光与物质的相互作用(cf吉本(37)了解当前和未来的p -¹¹B实验,以及推测他们可能如何被使用在未来获得生产目标。例如,高电荷的一代州的碳通过多光子和隧穿电离强度可以通过以下现象:

方程(2):外观为离子由于多光子和隧穿电离强度。

表2.1的裁判37)列出了电离能H, C^{4 +}和N^{5 +}分别为13.61、64.5和97.9 eV,相应的外观强度为1.4×10¹⁴,4.3×10¹⁵和1.5×10¹⁶W /厘米²。指表1,我们看到,所有这些外表proton-boron实验超过强度,这意味着高电荷状态的碳,氮,以及其他类似的原子将被高度电离和与质子加速。事实上,B的电离能^{5 +}C^{6 +}和N^{7 +}大约340 eV, 490 eV, 667 eV对应出现强度为2.14×10¹⁸,6.4×10¹⁸和1.62×10¹⁹W /厘米²,这意味着在ELFIE最近的实验,LFEX和笨的强度,可以通过氮原子完全地带了。最大化proton-boron反应,我们想最大化的激光能量耦合质子,所以避免十分高Z离子是必需的。首先,质子的数量,加速总激光能量成正比,和质子谱特征是归一化向量的潜力一个₀下面,这是一个非线性力的测量。激光聚焦强度以10为单位吗¹⁸W /厘米²和激光波长:

方程(3)显示了归一化向量势。

表2列出了波长和最大强度的实验表1激光系统,以及一个₀和热电子温度Th估计威尔et al。38(方程(5.8637])。最后一栏的近似最大报道质子能量。我们看到,所有实验都是在相对强度的10¹⁸W /厘米²1微米光和上面,除了长在朋友激光脉冲实验。无碰撞的加热由激光产生bi-Maxwellian质子分布,其中细节依赖于激光峰值强度等因素,对比,和总能量。例如,初步数据来自于德克萨斯PW 13279如图6。0.6 PW焦强度课程结业者将加入慈善研讨课程照片是所有实验迄今为止最高的和生成的质子的能量高达68伏。这张照片被代表的数据如下(32]:

方程(4)显示了Bi-Maxwellian质子分布函数。

在哪里一个_软= 5.67×10⁹,T_软= 1.19兆电子伏,一个_硬= 2.09×10⁷,T_硬= 27.5兆电子伏。光谱的坚硬部分来自于高强度梁的初始交互固体目标,而光谱的柔软部分来自与进化的交互排污等离子体。激光能量越大,越扩大等离子体,将创建和“软”更多的离子光谱,虽然峰值随激光能量。使用等离子体镜,课程结业者将加入慈善研讨课程提供大约80 J的能源目标。集成这张照片产生的质子分布激光质子能量的转换效率∼7%。文献[31日)显示了实验有点温和光谱LFEX(母婴∼兆电子伏),这是符合焦强度低。更高的峰值质子数也符合大激光能量(1.3∼kJ)。的转换效率LFEX也估计小于10%。还没有用于LFEX等离子体镜,和内在激光对比只是∼10⁻⁹(39),这两个因素意味着建立一个更大,扩大“preplasma”由于激光前脉冲。

这些朋友实验已进行3×10¹⁶W /厘米²相应的,一个₀∼0.2,这意味着非线性力很小(尽管作者认为可能自聚焦是有效的激光强度增加10倍)。在这种情况下,加速机制可能主要是由于排污的等离子体的相互作用。大量的质子∼1.5兆电子伏和500 - 600 J是一致的在这个焦低强度激光能量。表中列出的三个朋友实验1报告大约一致的质子数。

6。核截面和离子阻止权力

如方程(1),这两个元素,决定一个人的反应概率质子质子的核截面和阻止本领。α粒子产生的实验表1计算使用p -¹¹B截面。如上所述,Sikora和韦勒(SW)报告更高的p -¹¹B在几兆电子伏能量范围,结果在一个反应性增加约30%,由Putvinski出版。图7显示了Sikora和韦勒(SW)数据相比老EXFOR数据。我们注意到西南的数据只延伸到质子能量3.5兆电子伏,所以我们的计算在更高的质子的能量,我们使用EXFOR数据(40]延长截面20兆电子伏,估计在100伏。的图还显示了评价奈文斯截面健康,这是通常用于计算热等离子体的聚变反应。我们只注意,内文适应也是有效的3.5兆电子伏,这是足够的热活性评价,但明显高估了截面5兆电子伏以上,使用时给出错误的结果来计算收益率LFEX实验和课程结业者将加入慈善研讨课程,超过这个能量,正如我们将在下一节中看到。绿色的数据点是EXFOR数据¹¹B (p, n)¹¹C吸热核反应(−2.765兆电子伏)。计数20.364分钟的半衰期¹¹C通过正电子放射衰变了数据集成的机上质子反应,而补充α粒子跟踪计数的¹¹B (p, 2⍺)⁴他聚变反应。

质子阻止本领是另一个重要的因素在计算飞行聚变反应产生。图8显示了质子的阻止本领和范围在硼正常密度,计算的增强RPA-LDA顾et al (eRPA-LDA)模型。41),等离子体温度的函数。我们看到,随着等离子体电子温度,他们的阻止本领减少能量低于所谓是政权,dE/ dx1 /成正比吗E。制动能力低导致更长的离子范围,进而导致更高的飞行中的反应。单位的范围给出密度(克/厘米厚度²硼)正常密度(2.34 g / cc)。类似的结果将是获得与硼泡沫或扩大等离子体,除了少量修改由于电离状态的变化。结果证实了计算Giuffrida et al。29日)报告,阿尔法粒子的收益率增加了∼10 x如果目标是加热到1 keV。加热麦田与ns激光等离子体增加质子范围和融合α收益率也是背后的基本原理实验由Labaune LULI等人。

eRPA-LDA模型可以准确地计算出质子阻止本领和范围的等离子体密度增加,电子简并变得很重要。在图9我们看到质子制动能力降低和范围增加等离子体密度变得越来越和退化。简并度影响等离子体中所有离子的停止,包括融合阿尔法,提出了创建“连锁反应融合”(42),相关的概念雪崩已最近提议增加p-B11产量(43]。电子简并效应是重要的,当等离子体温度小于费米的温度,这是由以下方程:

方程(5):费米能级电子密度的函数n_e。

我们发现订单的费米能级是10 eV固体密度、100 x 250 eV固体密度,在1000 x 1.2 keV, 250 keV 10⁵x。eRPA-LDA模型可以自我一贯地计算制动能力密度和热材料,我们已经计划将这个模型水动力和混合燃烧代码。

详细分析实现连锁反应融合的必要条件或雪崩超出了本文的范围,但我们计划使用eRPA-LDA阻止本领模型来探索这个政权融合燃烧空间在不久的将来。

7所示。厚的目标收益率和旋转,在质子光谱实验

我们现在使用横截面和停止的权力一节探讨厚p -目标收益率¹¹B和¹¹B (p, n)¹¹C核反应质子的能量高达100伏在冷BN,环境条件,见图10。使用内文适合我们的计算显示,而不是我们扩展SW截面点目标收益率计算厚导致几乎10倍的错误在100伏质子的能量。厚虽然贡献目标收益率使用西南横截面变得可以忽略不计(几毫靶)的能量大约20兆电子伏,这将是有用的有更多的高能数据点,以确保集成的准确性。只要目标是多厚,一系列的高能质子最终减缓通过横截面的顶峰,创造高峰阿尔法,然而,在α每个质子能量生产效率递减。我们注意到1兆电子伏质子的范围大约是12微米,40岁兆电子伏∼1厘米,在100伏,4.4厘米,所以高能质子可以穿透一些薄的目标没有互动。另外,由于平均p -的范围¹¹Bα粒子∼15微米,许多阿尔法不会逃脱厚目标并注册cr - 39轨道上电影,如前所述。我们可以看到,厚的目标产量¹¹C也有类似的大小和p -能源的依赖¹¹B收益率,所以符合计数的正电子发射可以提供一个有价值的确认,cr - 39跟踪计数。在朋友和LULI,进行实验的几兆电子伏的高SW截面范围导致更高的厚的目标收益率,这可以帮助解释为什么实验结果是高于预期。

我们现在可以与bi-Maxwellian质子反应积分卷积谱计算的总α粒子和¹¹C产量13279年课程结业者将加入慈善研讨课程拍摄与实验结果进行比较,见表3。这个表中的值还不包括最后一个规范化由于立体角,和绝对星等应该高出100倍。第一行列出了集成总质子数bi-Maxwellian以及软硬的贡献。我们看到,大约有十几倍的质子软比硬光谱的一部分。下一行列出总质子能量以及它的光谱成分,表明困难的光谱包含更多的能量比软。第三行列出了p -总数¹¹B反应(α数字乘以3)以及光谱贡献。有趣的是,有近50:50分hard-to-soft生产了这张照片。最后一行列出的总数¹¹C产生反应,我们看到的是相同的数量级的α粒子的生产。

8。梁聚变反应

课程结业者将加入慈善研讨课程射杀13279可以比较的结果与表中列出的其他实验1,跨越广阔的空间强度和激光能量,试图揭示底层物理常见,即动态光束产生的阿尔法粒子被目标交互。如前所述,这些激光目标交互强度快速生成电子和离子通过目标活动流的材料。而在生产机上快速离子相对高效融合反应,不会产生局部能量的交互驱动聚变燃烧波所需浓度在正常密度材料,如在楚国流体模型描述和Lalousis [44,45]。此外,众所周知,梁聚变反应不规模净能量增益,可以看到下面的简单分析。平均自由程(mfp) p -¹¹B融合事件硼密度为2.1克/厘米²是由以下方程:

方程(6):质子平均自由程融合甚至在正常密度硼。

我们可以看到,使用乐观的峰值截面1.4谷仓,p-boron聚变反应的平均自由程是约6厘米。这意味着一个质子与能量E≥660 keV必须通过6厘米旅游平均纯硼在正常密度聚变反应的概率为100%。然而,质子的电子阻止本领在硼的范围R_p1兆电子伏质子12μm和停止时间是1.8∼ps。因此,粗略的概率融合前减速是由以下方程:

方程(7)显示质子的比率范围融合平均自由程。

这是一个高估的概率峰值截面是一个相对狭窄的共振和大约100 keV下面的横截面可以忽略不计,如上图所示。使用上面所示的质子阻止本领,我们发现的范围1兆电子伏质子在BN环境密度(2.34 g / cc)和温度是3.2毫克/厘米²13.7∼μ厚和相应的目标收益率p-B11反应是6.6×10⁻⁵。鉴于放热”问p-B11价值”的反应是8.76兆电子伏,任何一个聚变反应的获得是10,那么一个重要的净收益需要许多聚变反应是由于单个proton-either通过“融合火焰“爆轰过程或雪崩或连锁反应融合机制。这将是下一节的主题,探讨了目标获得实际需求核聚变发电厂。

9。目标获得需求核聚变发电厂

美国国家工程院已经确定了“提供能量融合”的14个最大的工程(大挑战46]。实现科学盈亏平衡已经成为参与国际科研界数十年的探索。NIF结果表明计算工具,目标设计原则,和驱动程序和目标制造开发对ICF对聚变能使我们的道路上。然而,作为创业公司,比如HB11能量,企图快速跟踪融合电厂的发展,重要的是要记住目标获得的需求可以通过基本确定了工程的力量平衡。

图11显示了一个简单的功率循环laser-driven机上娱乐系统动力装置,HB11一直使用初始HB11能源技术经济模型。融合的一个关键特性,特别是演练,是系统功能作为功率放大器和电源。也就是可用的核聚变能量转换成电能功率成正比乘以目标增益,G。反过来的权力交付给目标是激光功率和激光效率的乘积,η。电能是由发电机转换效率ε,可用电力网格生成的权力-激光的功率。

下面的关系是有用的在评估该模型的关键参数。再循环能力给出分数f= 1 /εηG。这种分析忽略了乘法因子,可以表现为蒸繁殖毯子。工程盈亏平衡的定义是f= 1,动力装置产生足够的权力运作。再循环能力分数f= 0.25已经被建议作为核聚变的起点,和f≤0.1是典型的核裂变反应堆。操作的最低目标获得一个给定的分数是由循环力量G= 1 /εηf。这种关系会导致简单的经验法则,ηG≥10,实际电厂。热能转换系统ε36 - 40%,ηG= 10对应于一个循环功率∼25%的分数,而价值20滴比例约10%,这是理想的实现成本最低的电力(COE)的工厂。激光效率为10%,这意味着实现目标获得至少100年至200年期间实现能源生产在今天的价格(100 - 300美元/千瓦时),这是本文的最后部分的主题。

另外两个关系是有用的在我们的初步technoeconomic分析的机上娱乐系统动力装置(1)P_网格/P_激光=εG−1 /η网格的比率和平均激光权力和(2)P_激光=P_网格/ (εG−1 /η),这给供应所需的激光功率P_网格对于给定获得、转换效率和激光效率。确定所需的重复率平均激光功率可能是5 - 10 Hz,已大部分DT机上娱乐系统系统设计的基础。图12显示的曲线P_激光作为目标函数G向电网输送100兆瓦的两种不同的电转换效率(40 - 80%)和激光效率η2.5、5、10和20%。40%的数字是典型的热力系统进行了优化。值是80%可能如果融合阿尔法粒子可以直接转换为电能,的细节超出了本文的范围。

有一些定性趋势中可以看到这些数据。首先,固定电站输出所需要的激光功率大大降低,如果直接实现能量转换效率。第二,提高激光效率的影响是减少目标获得提高。最后,目标200年收益满足实际电力生产更高的转换效率,而热转换效率可能会要求更高的收益。虽然这些目标模拟收益理论上是可能的,重要的是要注意,最好的NIF开枪了G0.75∼∼1.8 MJ的激光能量传递一个x-ray-driven DT的目标。然而,胶囊获得接近6。DT一直努力实现聚变点火,实际电厂的道路仍然是一个正在进行的工作。在下一节中,我们将使用我们所学到的USPL-driven aneutronic聚变反应来概述的过程识别地区燃烧空间,p -¹¹B有足够的增益,使电力生产。

10。路线图增加p-B11反应性和发展目标点的设计

我们已经看到USPL辐照硼的目标产生了显著的阿尔法收益,但梁融合这些aneutronic聚变反应的基础不扩展到点火,更需要获得实用的电力生产所需的200。(请注意,一些材料在这一节中已经直接从作者的未发表的白皮书中重用能源部惯性聚变能源基础研究需要车间(5,48进一步]),我们发现目标参数HB11路线图中概述论文[7],即30∼100 kJ USPL能源μ直径在1 ps,∼10^20.W /厘米²做没有意义的我们从本文列出的实验。特别是,LFEX在10和课程结业者将加入慈善研讨课程实验¹⁹到10²¹W /厘米²清楚地表明,激光目标相互作用产生的离子能量的10 - 100伏的动力学和渗透的目标,而不是在一层薄薄的地区集中能量,产生强烈的爆炸冲击。

如方程(8规模)、热核聚变功率密度和反应性离子密度的平方,所以传统ICF计划需要大量压缩以减少所需的能量点燃燃料。在这个方程式中 和Y融合率,8.68 pB兆电子伏吗¹¹。

方程(8)显示了任意的核聚变能量密度和聚变反应质子和硼的分布函数。

的USPL-driven p-B11实验报告到目前为止都未压缩的目标使用。我们建议调查实现点火的可能性和获得通过混合方法p-B11融合热核燃烧元素相结合的快速点火ICF机上通过CPA laser-accelerated质子聚变反应。ICF的主流方法,国家核安全管理局的支持下,在追求热点点火,要求压缩完成,同时避免水动力不稳定性的增长,创建一个混合,排除了一代的一个足够强大的融合火花。传统的快速点火将内爆的一代开始火花,从而放松的一些要求内爆对称。我们看到,2007年克拉克和Tabak发布的等体积的比例(47)是一个很好的起点为研究proton-boron燃料密度较高时的内爆。要求CPA激光产生的沉积快速电子能量达到点火DT广泛研究和出版。离子,尤其是质子和碳,也许也被建议作为一个替代点火触发器因为他们更高的传输和聚焦特性。我们建议开发一组平行的标准的快速点火压缩p -¹¹B选项点燃燃料的燃料,然后研究质子能量沉积和空中热核反应。这将上述成功的“pitcher-catcher”的概念扩展到目标更高密度和政权质子的密度和温度范围可以扩展电子加热和退化的影响。

我们已经开始开发一个更新的广义劳森p-B11标准分析,包含了新的截面数据以及其他影响表明,它可能是一个可行的聚变燃料循环(48]。图13我们的分析的初步结果显示Maxwellian-averaged反应蒸和p-B11(使用最新的SW截面),以及高能质子束的反应性。最近发表的,纸上aneutronic融合(49从LLNL]引用1973年的一份报告50),其中包含一个相关的讨论p-B11聚变的物理。他们开发了一个计算机代码(FOKN)核反应物和产物的能量分布的假设下,无限介质。他们讨论各种变动操作策略包括控制辐射和推动极其强大的爆轰冲击波压缩燃料。我们看到,有必要去追求一个现代重温这种类型的动能为p -燃烧模型¹¹B使用混合编码,如沃斯的芝加哥代码(51]。混合kinetic-fluid模拟将发挥关键作用的进一步发展更新广义劳森标准分析会计聚变反应的热的质子分布函数和梁组件正确占弹性和非弹性过程的函数燃料同位素组成,密度,温度,以及占动能交流等离子体分布的影响函数的聚变反应。

我们研究proton-boron快点火ICF由短脉冲激光将使用最新的横截面以及混合kinetic-fluid方法计算内爆,烧,物理学和扩张的一个人生目标。Putvinski注意到的,横截面的高峰期是在质子的能量大约兆电子伏几兆电子伏。这个重要的能源区域可以直接填充USPL-generated质子和可以通过up-scattering补充(“电梯”)等离子体的碰撞质子与快速α粒子。我们建议研究我们称之为“混合燃烧”场景,CPA激光所产生的质子加速添加一个精力充沛的人口质子分布函数以及提供额外的快速阿尔法粒子,都将加热燃料和提供额外的up-scattering事件。这将需要的开发动态跟踪算法质子分布函数在广泛范围包含的能量大部分热核组件从下面和减速beam-fusion组件从上面。我们将量化的可能性在这些快速点火和燃烧ignition-like配置,占加热之间的力量平衡,热核和机上聚变反应,带电粒子沉积,轫致辐射,热传导,水动力通过等体积的膨胀和rad-hydro模拟模型。我们将使用模型的影响,包括密度和温度对等离子体中带电粒子的相互作用,包括减缓和散射的条件。我们还将确定H: B同位素比例融合产量最大化和最小化轫致辐射生产,以及设计,包括辐射俘获层以减少损失(cf (52])。Wurzel和许9]分析轫致辐射功率损耗作为离子物种浓度的函数,但不要讨论辐射吸收层的可能性。由于辐射损失是一个主导因素在确定点火阈值,确定限制这些损失将是一个首要任务。我们的目标是确定是否有地区混合燃烧概念可以利用高p-B11反应在≥200 keV能量政权与Sikora-Weller截面相关联,导致点火并获得在考虑所有等离子体物种之间能量交换的过程。

这将是重要的精确模型的时间依赖的所有进程在这个脉冲ICF场景中,特别是减速和交互的时候精力充沛的物种,到达一个自洽的设计。此外,CPA激光相互作用时间范围必须与水动力的时间一致的历史。快点火激光脉冲必须提供必要的能源和质子通量到目标的扩张之前崩溃的燃料。如前所述,一般激光加速生成bi-Maxwellian质子分布,根据激光强度。目标的大小,总激光能量、激光脉冲持续时间将激光强度,进而将质子能量和峰值分布函数有关。水动力和激光加速度计算需要迭代直到激光产生质子的范围是一个适当的目标相匹配ρr和由此产生的融合反应给足够的水动力拆卸前烧掉分数。

虽然我们可以开始研究通过0-D p-B11燃烧物理能量模型,最终详细设计需要一维,二维,三维模拟。追求这些模拟需要,我们首先建立必要的计算能力严格p-B11研究,包括准确的EOS表,透明度,阻止本领,和聚变反应模型的pB-fuel采用计算和实现成rad-hydro代码,类似DT-ICF融合研究已经完成(53- - - - - -56]。进一步,混合燃烧模型需要进一步发展使用芝加哥或太阳能发电来提供所需的动力学仿真工具来跟踪质子分布函数与其他高能粒子及其相互作用的物种。太阳能发电或奥西里斯还可以用于模型各种激光加速场景提供高能质子束点火器。我们可以使用这些功能来检查设计概念p-B11目标和获得扩展法对混合燃烧。确保这些模拟是基于等离子体和核物理科学准确,我们还将提出在ω执行验证实验设施(Omega-EP + Omega-60)。这些实验能够结合压缩和质子加速研究混合燃烧的最有前途的设计目标。

数据可用性

数据支持这些结果包含在其他期刊文章发表。这篇文章不是基于任何个人数据。2。我们包括Ref 49,引用一个未发表的白皮书从LLNL网站,包括一些本文中包含的文本。这个白皮书是美国能源部内部工作文档融合方案规划社区,但是我们有包括这个免责声明,以避免任何混淆。请注意,这是第一次,本文已经正式提交出版。

的利益冲突

TAM, LL、BMH和DB收到财政支持HB11能源企业有限公司,包括支付加工费用(apc)条。TAM和EMC科学顾问和DB的首席科学家HB11能源企业有限公司

确认

TAM, LL、BMH和DB承认金融支持从HB11能源企业,有限公司DM被教育部支持,捷克共和国的青年、体育项目“高级研究使用高强度Laser-Produced光子和粒子”(CZ.02.1.010.00.016_0190000789)。作者要感谢Igor举行和棱镜计算科学提供离子阻止本领的结果计算使用新开发的模型支持由美国能源部科学办公室,聚变能源科学(FES)奖DE-SC0022112数量。