[論文レビュー] Antimatter induced fusion and thermonuclear explosions

André Gsponer, Jean-Pierre Hurni|ArXiv.org|Jul 15, 2005

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 23被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、反水素を用いて慣性核融合を誘発するか、大規模な核融合爆発を引き起こす可能性を検討し、DTまたはLi₂DT燃料を点火させるには約10^21/κ²個の陽反粒子消失が必要であると示している。反物質誘発型核兵器は技術的に可能ではあるが、膨大なエネルギー的・工学的課題のため、現時点の技術では到底到達不可能であり、核拡散への影響や、常識的兵器と核兵器の境界の曽てんを生じさせる可能性がある。

ABSTRACT

The feasibility of using antihydrogen for igniting inertial confinement fusion pellets or triggering large scale thermonuclear explosions is investigated. The number of antiproton annihilations required to start a thermonuclear burn wave in either DT or Li_2DT is found to be about 10^{21}/k^2, where k is the compression factor of the fuel to be ignited. In the second part, the technologies for producing antiprotons with high energy accelerator systems and the means for manipulating and storing microgram amounts of antihydrogen are examined. While there seems to be no theoretical obstacles to the production of 10^{18} antiprotons per day (the amount required for triggering one thermonuclear bomb), the construction of such a plant involves several techniques which are between 3 and 4 orders of magnitude away from present day technology.

研究の動機と目的

• 反水素を用いて慣性核融合の点火ペレットを点火するか、大規模な核融合爆発を誘発する可能性を評価すること。
• DTまたはLi₂DT燃料に核融合燃焼波を誘発させるために必要な陽反粒子消失の数を特定すること。
• マイクログラムスケールの反水素を生産・冷却・操作・貯蔵するための技術的課題を評価すること。
• 反物質誘発型核融合兵器が核拡散および軍備管理に与える影響を分析すること。
• 反物質ベースのシステムのエネルギー投資および技術的要件を、既存の核兵器および核融合技術と比較すること。

提案手法

• 反陽子消失による核融合燃料へのエネルギー損失を、式 dW = ν(dE/dx)R + ε を用いて計算。ここで dE/dx は物質の密度および圧縮係数 κ に依存する。
• エネルギー損失および点火閾値に基づき、DTまたはLi₂DT燃料を点火させるために必要な陽反粒子消失の数を約10^21/κ²と推定。
• 固定標的に基づく陽反粒子生成を加速器を用いて分析。1秒間に10^13個の陽反粒子を生成する必要があると推定。
• ストキャスティック冷却および電子冷却などの冷却技術を評価し、貯蔵および反水素生成に適した低温にまで陽反粒子を冷却することを検討。
• 電磁気的浮上および10^-15 Torr未満の圧力下でのマイクロクリオスタット内における反水素ペレットの真空貯蔵を検討。
• 1ktの反物質誘発型核融合爆弾の概念的設計を提案。反物質をLi₂DT球体に注入する方式を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DTまたはLi₂DT燃料に核融合燃焼波を誘発させるために必要な最小の陽反粒子消失数は何か。また、圧縮係数 κ はその数にどのように影響するか。
• RQ2 1日1回の核融合爆発を誘発するのに十分な速度で陽反粒子を生成できるか。これにはどのような加速器システムが必要か。
• RQ3 1秒間に10^13個の陽反粒子を冷却・貯蔵する技術的障壁は何か。現在または近い将来の技術で克服可能か。
• RQ4 反水素を形成しないまま、反物質を長期間にわたり大量に貯蔵することは可能か。特に、超流動ヘリウム中の陽反粒子キャビテーションの可能性について。
• RQ5 反物質誘発型核融合兵器が最小限の降下物を伴う場合、戦略的および非拡散的影響は何か。

主な発見

• DTまたはLi₂DT燃料を点火させるには約10^21/κ²個の陽反粒子消失が必要であり、この数は燃料の圧縮係数 κ の二乗に反比例して変化する。
• 1日1回の反物質誘発型核融合爆弾を生成するには1秒間に10^13個の陽反粒子を生成する必要があり、これには500MWの固定標的加速器または50MWのコライダー系が必要であり、1個あたりのエネルギーコストは約10^-6 Jである。
• 1ICFペレットあたり10^16個の陽反粒子を生成するには10^4 MJ以上のエネルギー投資が必要であり、反物質発電炉のエネルギー収支の均衡は極めて困難である。
• 1秒間に10^13個の陽反粒子を貯蔵温度まで冷却することは、現在の最先端技術であるストキャスティック冷却および電子冷却技術を2〜4桁向上させる必要があるため、依然として大きな課題である。
• 圧力が10^-15 Torr未満に保たれる真空環境下では、10^-6 gの反水素ペレットを浮上・長期間貯蔵可能であり、兵器化の可能性を秘めている。
• 超流動ヘリウム中での陽反粒子キャビテーションが実験的に確認された場合、反水素の生成を回避して反物質を大量に貯蔵できるようになり、長期貯蔵の簡素化が著しく進む。