Könnten wir Teilchenbeschleuniger als Fusionsgeneratoren verwenden?

Ein subtiles Problem, das Sie zu übersehen scheinen, ist, dass der Proton-Proton-Querschnitt sehr klein ist, etwa 0,07 Scheunen (eine Scheune ist$10^{-28}$Quadratmeter) bei den LHC-Energien und nicht dramatisch anders bei euren niedrigeren "Fusionsenergien". Das bedeutet, dass am LHC, ähnlich wie an Ihrer Traummaschine, die meisten Protonen ihre Partner einfach nicht treffen. Es ist aus verschiedenen Gründen nicht wirklich möglich, die Protonenstrahlen beliebig genau zu fokussieren (das Unbestimmtheitsprinzip ist der wirklich unvermeidliche Effekt: Entweder man lokalisiert die Strahlen in Querrichtung, in ein "dünnes Rohr", oder man gibt vor, dass die Geschwindigkeit in diese Querrichtung ist Null, was benötigt wird, wenn man den Standort "im dünnen Rohr" in Zukunft erhalten will, aber man kann nicht beides gleichzeitig machen). Wenn es möglich wäre, wäre der LHC einer der ersten, die das Verfahren anwenden würden, um die Leuchtkraft zu erhöhen.

Wenn Sie also zwei Protonenstrahlen gegeneinander beschleunigen, wird die überwiegende Mehrheit von ihnen einfach ihre ursprüngliche Bewegung fortsetzen. (Die Protonen im LHC müssen ungefähr eine halbe Stunde lang umkreisen – zig Millionen Umdrehungen – bevor die Hälfte von ihnen kollidiert oder verschwindet.) Es kostet etwas Energie, die Protonen auf diese Energien zu beschleunigen, und Sie wollen diese Energie aus der Fusion zurückgegeben werden, mit einem gewissen Bonus. Aber die Fusion gibt Ihnen nur die Energie der kollidierten Protonen zurück (einige von ihnen könnten Helium bei Ihren Energien erzeugen, aber es wird immer Wahrscheinlichkeiten von anderen Endzuständen ungleich Null geben; es ist kein deterministisches System, das immer denselben Endzustand für einen gegebenen erzeugt Anfangszustand; die Quantenmechanik sagt, dass die Ergebnisse zufällig sind), was ein winziger Teil der Protonen ist. Sie verlieren also den größten Teil der Energie, die Sie für die Beschleunigung investiert haben. Beachten Sie, dass der LHC so viel Energie verbraucht wie die Haushalte in Genf zusammengenommen und dass er nur Kollisionen von Protonen erzeugt, deren Energie kleiner als ein Joule pro Paar ist.

Um den Anteil der Protonen zu erhöhen, die ihre Partner treffen, müssen Sie sie entweder wiederholt auf Kollisionskurs schicken, wie beim LHC, aber dann müssen Sie den Protonen zusätzliche Energie zuführen, die sie durch die Synchrotronstrahlung verlieren (dh immer ungleich Null, wenn der Beschleunigungsvektor ungleich Null ist, zB bei allen Kreisbahnen). Oder Sie müssen die Dichte der Strahlen drastisch erhöhen.

Wenn sich jedoch viele Protonen im Strahl befinden, stoßen sie sich elektrisch ab und Sie können sie auch nicht mehr für Kollisionen fokussieren. Was Sie also tun müssen, ist, den hochdichten Protonenstrahl elektrisch zu neutralisieren, und dann haben Sie nichts anderes als das Plasma und stehen vor den üblichen Tokamak-Problemen, wie man es stabilisiert. Beachten Sie, dass die Elektronen völlig anders auf die äußeren elektromagnetischen Felder reagieren als die Protonen. Der LHC verwendet sowohl elektrische als auch magnetische Felder, um die Protonen zu beschleunigen, aber um das Plasma neutral zu halten, müssen Sie elektrische Felder vermeiden.

Tokamaks funktionieren nur mit Magnetfeldern. Ob sie jemals voll funktionsfähig und realisierbar werden, bleibt abzuwarten, aber das Fehlen der elektrischen Felder impliziert, dass sie nicht viel mit Teilchenbeschleunigern gemeinsam haben.

Eigentlich ist dies getan worden, aber es ist nicht nachhaltig. Wikipedia hat eine kurze Erklärung:

Beschleunigerbasierte Leichtionenfusion ist eine Technik, die Teilchenbeschleuniger verwendet, um kinetische Teilchenenergien zu erreichen, die ausreichen, um Leichtionenfusionsreaktionen zu induzieren. Leichte Ionen zu beschleunigen ist relativ einfach und kann auf effiziente Weise durchgeführt werden – alles, was man braucht, ist eine Vakuumröhre, ein Elektrodenpaar und ein Hochspannungstransformator; Fusion kann bei nur 10 kV zwischen den Elektroden beobachtet werden. Das Hauptproblem bei der beschleunigerbasierten Fusion (und bei kalten Zielen im Allgemeinen) besteht darin, dass die Wirkungsquerschnitte der Fusion um viele Größenordnungen niedriger sind als die Wirkungsquerschnitte der Coulomb-Wechselwirkung. Daher verbraucht die überwiegende Mehrheit der Ionen ihre Energie für Bremsstrahlung und Ionisierung von Atomen des Ziels.

Grundsätzlich bietet ein Teilchenbeschleuniger den beschleunigenden Teilchen viele Möglichkeiten, Energie zu verlieren, die nichts mit der eigentlichen Kollision zu tun haben.

Nehmen Sie als Beispiel den LHC. Es verbraucht über 200 MW Strom und erzeugt bis zu 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde . Wenn die beschleunigten Teilchen Deuterium- und Tritiumkerne wären, würde jedes Fusionsereignis etwa 17 MeV Energie freisetzen. Wenn also irgendwie jede einzelne dieser 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde ein erfolgreiches DT-Fusionsereignis wäre, wäre die durch Fusion erzeugte Gesamtleistung

für einen Wirkungsgrad von 0,0000001 %. Das ist überhaupt nicht gut. Ein nachhaltiger Kernfusionsreaktor muss einen Wirkungsgrad von mehr als 100 % haben.

Zugegeben, der größte Teil der Energie, die der LHC verbraucht, wird verwendet, um den Protonen oder Ionen kinetische Energie zu geben, die für die Fusion nicht notwendig ist. Wenn Sie die 8 TeV Energie pro Proton abziehen, könnte dies die Effizienz um einen Faktor von etwa einer Million erhöhen (wenn man bedenkt, dass es immer noch viele Gründe gibt, warum das, wovon ich spreche, unmöglich ist), aber es würde immer noch nur etwa 0,1 % betragen.

Das Problem ist, dass die Leistungsdichte der Fusion im Bereich von 10^20 Watt pro Kilogramm liegt. Um dies zu erreichen, ist ein Magnetfeld von > 12 Tesla erforderlich, um das Plasma zu komprimieren und die Fusionsrate zu einer selbsterhaltenden Reaktion zu erhöhen.

Das ist das Ziel des Fusionsprojekts ITER. Um dies zu erreichen, wird eine neue Vakuumröhre entwickelt, um die Ströme in die supraleitenden Magneten zu treiben.

Die Leistungsdichte des Fusion I-Treibers muss höher sein als Fusion. Viele Schemata scheitern beim Versuch, mehrere Vorrichtungen mit geringer Leistungsdichte parallel zu schalten. Dies war das Problem mit dem NIF-Lasersystem – das „Rauschen“ summiert sich schneller als die Leistung.

Die Sonne nutzt die Schwerkraft, um das Plasma in den Sternen zu komprimieren – natürlich wird ein Spaltgerät verwendet, um die Fusion in einer H-Bombe zu komprimieren; die eine viel höhere Leistungsdichte als die Fusion hat.

Eine typische Fusionsreaktion setzt etwa frei$10~$MeV an Energie, also um eine moderate (thermische) Leistung von zu erhalten$1~$GW brauchen wir ca$6\times10^{20}$Reaktionen pro Sekunde. Die Anzahl der Teilchen, die in jedem der beiden Strahlen erforderlich ist, wird um einige Größenordnungen größer sein, da wir es beispielsweise schaffen, nur einen Bruchteil davon zu verschmelzen$1/100$. Unter der Annahme, dass diese Teilchen eine Ladung von haben$1~e$, erhalten wir einen durchschnittlichen Strahlstrom von $10~$kA.

Wir haben keine Ahnung, wie wir das bereitstellen sollen.

Um Ihnen eine Vorstellung zu geben, meines Wissens ging ein Protoneninjektor nie darüber hinaus$100~$mA. Wir sind mehrere Größenordnungen von einem Konzept entfernt.