[논문 리뷰] Proton-Boron Fusion Yield Increased by Orders of Magnitude with Foam Targets

Wenqing Wei, Shizheng Zhang외 36명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 21.

Nuclear Physics and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 레이저로 가속된 양성자 비임의를 사용하여 거품 타겟을 조사함으로써 양성자-붕소(p-11B) 핵융합 수율을 네 자리 수 증가시켰음을 보여준다. 이 증가 현상은 비선형적인 비례 법칙에 기인하며, 비균형 상태의 다공성 플라즈마에서 초과열 이온 분포와 강한 전기장이 발생함으로써 기존의 기계적 비임의 예측을 뛰어넘는 핵융합 반응성 증가를 이끌어낸다.

ABSTRACT

A novel intense beam-driven scheme for high yield of the tri-alpha reaction 11B(p,α)2α was investigated. We used a foam target made of cellulose triacetate (TAC, C_9H_{16}O_8) doped with boron. It was then heated volumetrically by soft X-ray radiation from a laser heated hohlraum and turned into a homogenous, and long living plasma. We employed a picosecond laser pulse to generate a high-intensity energetic proton beam via the well-known Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism. We observed up to 10^{10}/sr α particles per laser shot. This constitutes presently the highest yield value normalized to the laser energy on target. The measured fusion yield per proton exceeds the classical expectation of beam-target reactions by up to four orders of magnitude under high proton intensities. This enhancement is attributed to the strong electric fields and nonequilibrium thermonuclear fusion reactions as a result of the new method. Our approach shows opportunities to pursue ignition of aneutronic fusion.

연구 동기 및 목표

• 기존의 기계적 비임의 예측을 뛰어넘는 극도로 높은 p-11B 핵융합 수율을 가능하게 하는 메커니즘을 규명하는 것.
• 고강도 레이저 구동 양성자 비임의에서 거품 타겟의 형상과 비균형 플라즈마 조건이 핵융합 반응성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 집단적인 전자기 효과, 초과열 이온 집단, 전기장 강도 증가가 핵융합 확률을 높이는 데서 수행하는 역할을 규명하는 것.
• 레이저로 가속된 양성자 비임의와 구조화된 타겟을 활용한 실용적인 무중성자 핵융합의 가능성 탐색.
• 밀도 있고 비균형 상태의 플라즈마에서 비선형 핵융합 수율 비례 법칙이 beam 강도에 따라 어떻게 작용하는지 실험적이고 시뮬레이션 기반 증거를 제공하는 것.

제안 방법

• 3D 스폰지 유사 다공성 거품 타겟(공극 크기 약 ~1 μm)을 고강도 레이저로 가속된 양성자 비임의로 조사하여 밀도 있고 비균형 상태의 플라즈마 조건을 생성하는 것.
• 정밀한 시간 해상도를 가진 알파 입자 검출을 통해 핵융합 수율을 측정하며, 校정된 시나포어 및 입자 전하 분석기계를 사용하는 것.
• 복잡한 거품 타겟 기하구조에서 입자 이동, 에너지 침투, 핵융합 반응 속도를 모델링하기 위해 Geant4 기반 시뮬레이션을 수행하는 것.
• 플라즈마 진단 데이터 분석(이온 온도, 밀도, 전기장 추정치 포함)을 통해 비맥스웰 분포 및 집단 효과를 추론하는 것.
• 고출력 레이저 시스템(예: 10 PW 등급)을 사용하여 10^21 W/cm²를 초과하는 강도를 가진 양성자 비임의를 생성함으로써 강한 비임의-플라즈마 결합을 가능하게 하는 것.
• 입사 레이저 에너지 1J당 정규화된 핵융합 수율을 측정하여 이론적 비임의 예측 대비 증가 정도를 정량화하는 것.

Figure 1: Layout of the experiment. A ps laser is focused onto a copper foil to generate high-intensity energetic proton beam. Such protons irradiate a boron doped plasma target induced by a ns laser-driven soft X-rays to trigger the $\mathrm{p^{11}B}$ fusion reaction (see the inset). The target con

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 기계적 비임의 예측에 비해 관측된 p-11B 핵융합 수율이 네 자리 수 증가하는 이유는 무엇인가?
• RQ2 다공성 거품 타겟의 구조와 플라즈마의 비균형 상태 조건이 핵융합 반응성 증가에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 10^9 V/m를 초과하는 강한 전기장과 초과열 이온 집단이 p-11B 핵융합에서 터널링 확률과 반응 단면적을 얼마나 증가시키는가?
• RQ4 저밀도이면서 고전류 밀도를 가지는 플라즈마 환경에서 집단적인 전자기 효과가 무중성자 반응의 핵융합 수율을 현저하게 변화시킬 수 있는가?
• RQ5 이온-이온 충돌과 역산산(역산산)이 고에너지 양성자 집단을 유지하고 추가적인 핵융합 반응을 유도하는 데서 수행하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 정규화된 p-11B 핵융합 수율은 기존 기계적 비임의 예측보다 최대 네 자리 수 높아졌으며, 이는 양성자 비임의 강도에 대한 비선형 비례 법칙을 나타낸다.
• 거품 타겟의 3D 다공성 구조는 이온-이온 충돌을 증가시키고 초과열 이온 집단 형성을 촉진하여 핵융합 반응성을 높였다.
• 거품 플라즈마 내에서 10^9 V/m를 초과하는 전기장이 생성되었으며, 이는 p-11B 핵융합 반응의 터널링 확률을 현저히 증가시켰다.
• 시뮬레이션 결과, 거품 내에서 비임의에 의해 유도된 전기장은 균일한 물질보다 훨씬 높은 것으로 확인되었으며, 관측된 증가 현상과 일치한다.
• 핵융합 수율은 비임의 강도에 강한 비선형 의존성을 보였으며, 이는 고강도 조건에서 집단적 플라즈마 효과로 인해 비례를 뛰어넘는 수율 증가가 발생함을 시사한다.
• 관측된 증가 현상은 표준 열핵융합 모델로는 설명될 수 없으며, 비균형 플라즈마 동역학이 주요 메커니즘임을 시사한다.

Figure 2: The measured energy spectra of (a) proton beams and (b) $\alpha$ -particle beams from plasma (red curve) and foam targets with protons in high intensity (blue curve) and low intensity (black curve), respectively. The proton energy spectra are measured by the RCF stack (line with symbol) co