[論文レビュー] The physics of antimatter induced fusion and thermonuclear explosions

André Gsponer, Jean-Pierre Hurni|ArXiv.org|Jul 14, 2005

Atomic and Molecular Physics参考文献 11被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、数マイクログラム未塔の反陽子をトリガーとして用いることで、反物質誘発融合が核融合爆発を引き起こせると提案している。計算によると、圧縮されたDTまたはLi2DT燃料を点火させるには約10^18個の反陽子の消失が必要であり、反物質生成にかかるエネルギーと費用が極めて高いため、このようなシステムは軍事的応用に限られることが明らかになった。

ABSTRACT

The possibility 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. We conclude that the financial and energy investments needed to produce such amounts of antiprotons would confine applications of antimatter triggered thermonuclear devices to the military domain.

研究の動機と目的

• 反陽子を用いたインertialconfinement融合または大規模核融合爆発の実現可能性を評価すること。
• 圧縮された核融合燃料を点火させるために必要な反陽子消失の最小数を特定すること。
• 実用的な核融合点火に必要な十分な反物質を生成するためのエネルギー的・財務的コストを評価すること。
• 反物質トリガー核融合装置を設計する際の技術的・材料的課題を検討すること。
• 核実験禁止条約や指向エネルギー兵器の文脈における反物質トリガー核爆発の意味を検討すること。

提案手法

• 荷電パイオンおよび光子生成に基づくエネルギー損失式を用いて、核融合燃料内における反陽子消失をモデル化する。
• 核融合点火のスパークモデルを適用し、圧縮された球状燃料コアにおける臨界エネルギーE_cおよび臨界温度T_cを要求する。
• エネルギー損失式dW = ν(dE/dx)κR_s + εを用いて、消失点の周囲半径R_sにおけるエネルギー損失を推定する。
• 式(9)および(10)を用いて、臨界エネルギーと消失エネルギー、圧縮係数κとの関係から、反陽子消失数Nを解く。
• DTおよびLi2DT燃料の点火に必要な圧縮係数κおよびスパーク半径R_sを、さまざまな条件下で推定する。
• 武器化に向けた1日10^16～10^18個の反陽子を生成するための技術的・経済的制約を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧縮されたDTまたはLi2DT燃料において、核融合燃焼波を点火させるために必要な反陽子消失の最小数は何か？
• RQ2 燃料の圧縮（係数κ）は、エネルギー損失および反物質トリガー核融合の点火閾値にどのように影響するか？
• RQ3 1回の核融合爆発を誘発するのに十分な反陽子を生成するためのエネルギー的・コスト的要求は何か？
• RQ4 反物質トリガー核融合は、低出力またはラボスケール核融合イベントにおける従来のインエラスコンfinement融合の代替として実現可能か？
• RQ5 核融合装置内に凍結反水素ペレットを貯蔵・配置する際の主な技術的課題は何か？

主な発見

• 圧縮係数が30程度の条件下で、圧縮DTまたはLi2DT燃料の核融合燃焼波を点火させるには、約10^18個の反陽子消失が必要である。
• 点火のための臨界エネルギーE_cは、圧縮係数κの二乗に反比例するため、高圧縮状態では必要な消失数が減少する。
• 圧縮係数が30の場合、DTではスパーク半径R_sが0.09 cm、Li2DTでは0.07 cmと推定され、点火領域が極めて局所的であることが示された。
• 1日あたり10^16個の反陽子を生成するためのエネルギー投資は最低10^4 MJに達するため、発電用原子炉でのエネルギー収支の一致は実現不可能である。
• 1年あたり10～100マイクログラムを生成するプロトタイプ反物質生成施設の費用は5億ドルから10億ドルであり、本格的な生産では年間50億ドルから150億ドルの費用がかかる。
• 技術的複雑性と費用の高さから、発電用途への応用は極めて不確実であり、将来的な利用は軍事的またはラボスケール核融合実験に限られる。