文摘

proton-boron融合的话题最近在科学界引起了相当大的兴趣,为其未来的视角对能源生产和中长期可能性实现高亮度α粒子的来源。取得了非常有趣的实验结果,特别是在laser-driven实验中也使用其他实验方法。这个特殊问题的目标是收集最新发展实验,理论,先进的制靶法、诊断和数值模拟代码。

聚变能代表了最有前途的科学和技术选择人类长期可持续能源解决方案。它还将帮助满足脱碳目标下半年的世纪。传统的路线为发电基于氘氚聚变(DT)反应,而收益率α粒子和一个中子和释放总能量为17.6兆电子伏。全球研究侧重于磁或惯性约束DT燃料。这些方法显示演示净能量增益最高的潜力,也由于这一事实DT燃料热最高反应在所有可能的聚变燃料以相对较低的温度。继续取得显著进展磁和惯性DT融合。2021年8月,1.3 MJ的聚变能获得美国国家点火装置的辐射DT胶囊与1.8 MJ的激光能量,结果非常接近盈亏平衡(1- - - - - -3]。之后,在2022年12月,激光能量增加到2.1 MJ允许获得3倍木星质量聚变能的4]。这对应于一个增益为1.5:历史上第一个结果除了盈亏平衡和第一个演示净能量增益。的磁约束聚变,2021年12月,共59获得了乔丹的聚变能托卡马克装置喷射(欧洲联合环面)为基础的英国,英国一倍以上飞机的1997记录(5]。

虽然DT融合似乎是最科学成熟的方法来构建一个融合发电厂到本世纪中叶(6),它还面临着严重的物理和工程挑战很可能会增加成本,复杂的法规和阻碍公众接受和经济可行性。我们记得,在这里,氚最初的可用性(生产),繁殖,和现场管理,以及辐射损伤和激活诱导的高能中子反应堆材料。这些挑战激励持续追求的替代方法可以简化商业聚变能的途径。

Proton-boron (pB)融合长期以来一直被视为聚变能的圣杯(7]。事实上,反应(p +11B⟶3α+ 8.7兆电子伏)不会产生中子。尽管一些中子是由二级反应,总中子收益率仍微不足道的对未来的聚变反应堆基于DT反应或发电厂使用的铀核裂变。这意味着小激活的材料,因此非常低放射性废物。此外,反应只涉及丰富和稳定同位素在反应物,避免繁殖、辐射防护和安全问题相关的氚。这使得pB清洁和环境可接受的技术融合。此外,反应会产生带电粒子(3α粒子每融合事件),允许直接能量转换的潜在的优势,没有通过热力循环。这可能大大提高发电效率。

然而,hydrogen-boron聚变等离子体需要热力学不实用的温度点燃在实验室和持续,这也解释了为什么pB融合已经离开,从历史的角度来看,作为未来一步成就后DT融合。

后,发现激光在1960年代,海因里希·赫拉,现在新南威尔士大学的名誉教授,追求另一种方式实现proton-boron聚变反应从1970年代8]。

赫拉的工作包括计算机流体动力学模拟应用于等离子体(7),建议由短脉冲等离子体辐照前的加速度(100 ps)激光脉冲可能达到极高的价值,可能足以实现核聚变所需的能量。这一发现是几乎同时发现啁啾脉冲激光放大和现代的理解激光离子加速机制。更完整的总结这段历史在[10]。

在过去的十年中,一些实验证明了高收益率α粒子的生产(11- - - - - -14pB),从而恢复兴趣融合在许多研究小组也将私营企业的创建工作的话题,因为它是公司的案例HB11能源控股(澳大利亚悉尼)由赫拉教授自己(15]。

这些实验使用高能量短脉冲激光和1011α粒子每拍摄(16,17),另外提供的证据few-MeV动能增加,影响所允许的运动学的聚变反应18]。实际上,这些激光能产生高能质子可以直接转移能量的反应产品的一部分。打开诱导反应的可能性,这是有用的,例如,为医学疗法或生产放射性同位素成像。

虽然有趣,当前所有结果保持远离能源保本,这对应于2×1015α粒子生成每拍摄kJ激光能量。实现盈亏平衡,获得可能依赖的可能性从古典惯性约束的热平衡出发计划和初始化一个融合雪崩(或连锁反应)(19]。

遵循这些最新进展,这个特殊的问题旨在整理原始研究和评论文章关注pB融合在laser-produced等离子体的机理,可能影响未来的能源生产和开发高亮度的可能性α粒子来源应用,如医疗放射性同位素的生产。平衡的特殊问题是由选择的文章,包括一个广泛的话题,包括在特定的(我)最近的结果laser-driven proton-boron融合实验(2)雪崩的发生过程在H -11燃料和追求盈亏平衡(3)测量截面的proton-boron聚变反应(iv)proton-boron聚变实验诊断学的发展(v)混合方法(热/非热能的)proton-boron聚变能源生产(vi)在nonlaser Proton-boron融合系统(如真空放电)(七)先进制靶法laser-driven proton-boron实验。

值得注意的地理分布有多宽这个特殊问题的贡献者(欧洲、美国、中国、澳大利亚和俄罗斯),这表明现在pB融合全球传播是一个活跃的研究课题。

这个特殊问题的灵感来源于一系列的在线研讨会(2021 - 2022)(20.)由HB11能量映射pB核聚变研究的艺术的状态。的一些文章引用工作提出了一系列的研讨会。

我们应当强调结果特刊报道,在过去的二十年不协调的研究项目的一部分。与融合的研究基于DT, pB核聚变研究仍然是单一的行动研究小组主要在大学和学术界。我们希望我们的编辑计划将建立一个基金会可能点火计划通过合并的系统调查研究工作在laser-driven pB融合。我们也希望这将有助于建立和加强合作的领域发展。

展望未来,欧盟成本项目被授予支持社区的发展研究proton-boron融合:PROBONO (CA21128-proton-boron核聚变:从能源生产医疗应用程序)(21]。这个项目是第一次尝试协调研究工作在欧洲国家在pB(外和几个伙伴)的研究。我们也呼吁更多和更系统的支持资金的机会(公共和私人)和政策认可为了进一步发展这一研究领域和相关国际合作在不久的将来。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

最后,我们热情地感谢所有作者贡献他们的工作和HB11能源这个特殊的问题通过一个金融支持的出版问题贡献出版费用。我们也承认的贡献从许多研究小组参与行动PROBONO成本(CA21128-proton-boron核聚变:从能源生产医疗应用程序)。

迪米特里Batani
Daniele Margarone
法比奥Belloni