[論文レビュー] Very Big Accelerators as Energy Producers

Robert R. Wilson|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2010

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブ・エナジー・ダブルラー／セーバーのような非常に高エネルギーの陽子加速器が、238Uにおける中性子生成に1000 GeVの陽子を用いることで、プルトニウム239を生成し、その核分裂によって加速器が消費するエネルギーよりもはるかに多くのエネルギーを発生させ得ることを提案している。計算によれば、1000 GeVのエネルギーで1秒間に約1.2×10¹³個の陽子を照射すればエネルギー収支がゼロに達し、最適化された条件下ではこのようなシステムがエネルギー的にプラスとなる可能性がある。

ABSTRACT

One consequence of the application of superconductivity to accelerator construction is that the power consumption of accelerators will become much smaller. This raises the old possibility of using high energy protons to make neutrons which are then absorbed by fertile uranium or thorium to make a fissionable material like plutonium that can be burned in a nuclear reactor. The Energy Doubler/Saver being constructed at Fermilab is to be a superconducting accelerator that will produce 1000 GeV protons. The expected intensity of about $10^{12}$ protons per second corresponds to a beam power of about 0.2 MW. The total power requirements of the Doubler will be about 20 MW of which the injector complex will use approximately 13 MW, and the refrigeration of the superconducting magnets will use about 7 MW. Thus the beam power as projected is only a few orders of magnitude less than the accelerator power. But each 1000 GeV proton will produce about 60,000 neutrons in each nuclear cascade shower that is releaseq in a block of uranium, and then most of these neutrons will be absorbed to produce 60,000 plutonium a toms. Each of these when burned will Subsequently release about 0.2 GeV of fission energy to make a total energy of 12,000 GeV (20 ergs) for each 1000 GeV proton. Inasmuch as megawatts are involved, it appears to be worthwhile to consider the cost of making the protons to see if there could be an overall energy production.

研究の動機と目的

• 高エネルギー陽子加速器が中性子増幅とプルトニウムの核分裂を活用することで、ネットエネルギー生産装置として機能できるかどうかを調査すること。
• 特に超伝導技術を用いた加速器駆動システムのエネルギー生産可能性を評価すること。
• このようなシステムにおけるネットエネルギー利得を達成するための最小陽子強度を特定すること。
• バック・トゥ・バックの磁石リングや改善されたビームダイナミクスなどの設計最適化が、効率と出力電力の向上にどのように寄与するかを検討すること。
• 電磁シャワー部品と核分裂エネルギー回収の役割が、全体のエネルギー収量をどのように向上させるかを評価すること。

提案手法

• 1 GeVあたり約60個の中性子を発生させる割合定数'a'を用いて、238U標的に生じるエネルギー損失をモデル化し、陽子あたりの中性子発生量を推定する。
• P = 0.2aNE − P₀ − bNE という式を用いて、ネット出力電力を計算する。ここで、0.2 GeVは1回の核分裂あたりのエネルギー、P₀は待機時の消費電力、bはRF効率の損失係数（約2であり、1.5まで低減可能である可能性がある）。
• ビームダイナミクスの原則を適用：エネルギーが高くなるとビームの発散が小さくなり、より小さなリング断面積が可能になり、冷却コストが低減される。
• A. ヴァンギンケンによるコンピュータシミュレーションを用いて、核シャワーの発展を追跡し、ハドロンシャワー、電磁成分、核分裂事象の間でのエネルギー分配を分析する。
• 連続運転を可能にするバック・トゥ・バックの超伝導磁石リングを備えた二重リング構成を提案する。これによりビーム強度が2倍になり、効率が向上する。
• 高強度パルスによる熱負荷を管理するため、スラリー型標的にして蒸気駆動ピストンサイクルまたは従来の熱交換方式を含む、標的設計の選択肢を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー陽子加速器は、プルトニウムの核分裂から消費するエネルギーよりも多くのエネルギーを発生させることができるか？
• RQ2 加速器駆動システムにおけるネットエネルギー利得を達成するための最小陽子強度は何か？
• RQ3 陽子エネルギーを増加させることで、中性子生成効率とその後のエネルギー収量にどのような影響があるか？
• RQ4 ビームダイナミクスおよび磁石リング設計を最適化することで、冷却コストや電力コストをどの程度低減できるか？
• RQ5 バック・トゥ・バックの磁石リングと改善された注入技術は、利用可能なビーム強度とシステム効率を著しく向上させることができるか？

主な発見

• フェルミラブ・エナジー・ダブルラーが1000 GeVで運転する場合、エネルギー収支ゼロのための陽子強度N₀は約1.2×10¹³個/秒であり、これは予想される運用強度のおよそ20倍であるが、パルス化やビームスタックによって達成可能である可能性がある。
• 1000 GeVのエネルギーで、10¹³個の陽子が照射されると、約20 MWの核分裂エネルギーが発生し、1個の陽子あたり約62,000個のPu-239核が生成される。
• 陽子エネルギーが高くなると、電磁シャワー成分の割合が増加するため、入射エネルギーのうち利用可能なエネルギーの割合は低下するが、これは高い中性子発生量によって部分的に相殺される。
• 核分裂と電磁シャワーの両方からのエネルギーを含めると、10¹³個の陽子あたりの回収可能な総エネルギーは1000 GeVで20 MWに達し、これは0.2 MWのビーム電力をはるかに上回る。
• 使用していないウランやわずかに濃縮された燃料を用いることで、エネルギー収支ゼロに必要な強度を10分の1にまで低減でき、現在の加速器技術で実現可能になる可能性がある。
• 提案された二重リング構成により、ビーム強度を2倍にし、注入システムの利用効率を向上させ、全体の効率を向上させることができる。