[논문 리뷰] Prospects for P11B Fusion with the Dense Plasma Focus: New Results

Eric J. Lerner|ArXiv.org|2004. 01. 25.

Magnetic confinement fusion research참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 밀도 높은 플라즈마 포커스(DPF) 장치가 원자력 방사능이 적고 직접 에너지 변환이 가능한 깨끗한 핵융합 반응인 수소-붕소-11(p11B) 융합을 달성할 잠재성을 조사한다. 실험적으로 100 keV 이상의 이온 에너지를 확보했으며, 이론적으로 DPF 플라즈모이드 내 초고자기장이 전자-이온 에너지 이행을 억제하여 브레그스트랄링 X선 손실을 극적으로 감소시켜 융합 출력이 복사 손실을 초월하게 함을 보여준다.

ABSTRACT

Fusion with p11B has many advantages, including the almost complete lack of radioactivity and the possibility of direct conversion of charged particle energy to electricity, without expensive steam turbines and generators. But two major challenges must be overcome to achieve this goal: obtaining average ion energies well above 100keV and minimizing losses by bremsstrahlung x-rays. Recent experimental and theoretical work indicates that these challenges may be overcome with the dense plasma focus. DPF experiments at Texas A&M University have demonstrated ion and electron average energies above 100keV in several-micron-sized hot-spots or plasmoids. These had density-confinement-time-energy products as high as 5.0 x10^15 keVsec/cm^3. In these experiments we clearly distinguished between x-rays coming from the hot-spots and the harder radiation coming from electron beam collisions with the anode. In addition, new theoretical work shows that extremely high magnetic fields, which appear achievable in DPF plasmoids, will strongly reduce collisional energy transfer from ions to electrons. This reduction has been studied in the context of neutron stars and occurs when ion velocities are too small to efficiently excite electron transitions between Landau levels. It becomes a major effect for fields above 5 gigagauss. This effect will allow average electron energies to stay far below average ion energies and will thus reduce x-ray cooling of p11B. In this case, fusion power will very significantly exceed x-ray emitted power. While fields of only 0.4 gigagauss have so far been demonstrated with the DPF, scaling laws indicate that much higher fields can be reached.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 플라즈마 포커스(DPF) 장치를 이용한 실용적 p11B 융합의 가능성 평가
• p11B 융합의 두 가지 주요 과제인 100 keV 이상의 이온 에너지 확보 및 브레그스트랄링 X선 손실 최소화 해결
• DPF 플라즈모이드 내 극한의 자기장이 전자 가열을 억제하고 X선 냉각을 줄일 수 있는지 평가
• 이 조건 하에서 융합 출력이 복사 손실을 초월하여 효율적인 에너지 추출이 가능한지 증명

제안 방법

• 텍사스 A&M 대학교에서 광镨학 및 X선 진단을 이용한 DPF 플라즈모이드 내 이온 및 전자 온도의 실험 측정
• 가열된 핵심 영역에서의 밀도- confinement 시간-에너지 곱을 정량화하여 최대 5.0 × 10^15 keV·sec/cm³에 도달함
• 핵심 플라즈모이드 복사의 분리 분석을 위해 핫스팟과 전자 빔-애노드 충돌 기여도로 X선 방출을 분리
• 강한 자기장에서의 충돌에 의한 에너지 이행 억제에 대한 이론적 모델링으로 랑주 레벨 전이 및 이온 속도 효과 기반
• DPF 장치에서 도달 가능한 자기장 강도를 예측하기 위해 척도 법칙 적용, 5 기가가우스 이상의 자기장 도달 가능성을 시사
• 이온 속도가 랑주 레벨 간 전자 전이를 효율적으로 자극할 수 없을 정도로 낮을 경우 에너지 등화가 감소하는 조건 분석

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 높은 플라즈마 포커스는 p11B 융합에 적합한 100 keV 이상의 이온 에너지를 달성할 수 있는가?
• RQ2 브레그스트랄링 X선 손실은 DPF 플라즈모이드에서 p11B 융합을 얼마나 제한하는가? 그리고 이를 완화할 수 있는가?
• RQ3 DPF 플라즈모이드 내 초고자기장이 전자 가열을 억제하고 X선 냉각을 줄일 수 있는가?
• RQ4 강한 자기장에서 전자-이온 에너지 이행이 억제되면 융합 출력이 복사 손실을 초월하는가?
• RQ5 척도 법칙을 통해 DPF 시스템에서 5 기가가우스 이상의 자기장을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 텍사스 A&M 대학교의 DPF 실험에서 서브 마이크론 크기의 플라즈모이드에서 평균 이온 및 전자 에너지가 100 keV 이상을 기록함
• 이 플라즈모이드에서의 밀도- confinement 시간-에너지 곱은 최대 5.0 × 10^15 keV·sec/cm³에 도달함
• X선 방출이 핫스팟 기여도와 전자 빔-애노드 충돌 기여도로 성공적으로 분리되어 핵심 복사 분석이 명확해짐
• 이론적 분석에 따르면 5 기가가우스 이상의 자기장이 이온에서 전자로의 충돌에 의한 에너지 이행을 억제하여 전자 랑주 레벨 간 전이 억제
• 이로 인해 전자 온도가 이온 온도보다 크게 낮아지며 브레그스트랄링 X선 방출이 극적으로 감소함
• 이 조건 하에서 융합 출력이 방출되는 X선 출력을 크게 초월하여 직접 에너지 변환이 가능해짐