[논문 리뷰] The physics of antimatter induced fusion and thermonuclear explosions

André Gsponer, Jean-Pierre Hurni|ArXiv.org|2005. 07. 14.

Atomic and Molecular Physics참고 문헌 11인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 약 몇 미크로그램 이하의 반입자질을 촉매로 사용하여 열핵 반응을 유도할 수 있음을 제안한다. 약 10^18개의 반프로톤 상호작용이 압축된 DT 또는 Li2DT 연료를 ignite하기 위해 필요하다고 계산되었으며, 반입자 제조에 필요한 에너지와 비용이 매우 높아 이러한 시스템은 군사적 응용 외에는 실현 가능하지 않다.

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.

연구 동기 및 목표

• 반프로톤을 이용한 관성 압축 융합 또는 대규모 열핵 폭발의 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 압축된 융합 연료를 점화하기 위해 필요한 최소한의 반프로톤 상호작용 수를 결정하기 위해.
• 실용적인 열핵 점화를 위해 필요한 반입자를 제조하는 데 드는 에너지 및 재정적 비용을 평가하기 위해.
• 반입자 촉매 열핵 장치 설계 시 발생하는 기술적 및 재료적 과제를 탐색하기 위해.
• 핵실험금지조약 및 지향 에너지 무기의 맥락에서 반입자 촉매 폭발이 지닌 의미를 검토하기 위해.

제안 방법

• 충전된 피온 및 광자 생성 기반의 에너지 침투 방정식을 사용하여 반프로톤 상호작용이 융합 연료에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 열핵 점화의 스파크 모델을 적용하여, 압축된 구형 연료 핵에서 임계 에너지 E_c와 임계 온도 T_c 가 요구됨을 고려하기 위해.
• 반환점 주변 반경 R_s 내에 침투된 에너지를 추정하기 위해 에너지 침투 공식 dW = ν(dE/dx)κR_s + ε 를 사용하기 위해.
• 식 (9) 및 (10)을 사용하여 반프로톤 상호작용 수 N 을 구하기 위해. 이 식들은 임계 에너지와 상호작용 에너지 및 압축 인자 κ 를 연결한다.
• DT 및 Li2DT 연료의 점화를 위해 다양한 조건에서 필요한 압축 인자 κ 와 스파크 반경 R_s 를 추정하기 위해.
• 무기화를 위해 일일 10^16에서 10^18개의 반프로톤을 생산하는 데 필요한 기술적 및 경제적 제약을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축된 DT 또는 Li2DT 연료에서 열핵 연소파를 유도하기 위해 필요한 최소한의 반프로톤 상호작용 수는 얼마인가?
• RQ2 연료의 압축(압축 인자 κ)은 반입자 촉매 융합의 에너지 침투 및 점화 임계값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 열핵 폭발을 유도하기 위해 충분한 반프로톤을 제조하기 위한 에너지 및 비용 요구사항은 무엇인가?
• RQ4 반입자 촉매 융합은 저용량 또는 실험실 규모의 열핵 사건에 대해 기존의 관성 압축 융합의 타당한 대안이 될 수 있는가?
• RQ5 열핵 장치 내부에 얼어붙은 반수소 입자를 저장하고 정렬하는 데 있어 핵심적인 기술적 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 압축 인자 κ 가 30 정도일 경우, 압축된 DT 또는 Li2DT 연료에서 열핵 연소파를 유도하기 위해 약 10^18개의 반프로톤 상호작용이 필요하다고 가정한다.
• 점화를 위한 임계 에너지 E_c 는 압축 인자 κ 의 제곱에 반비례하여 감소하므로, 더 높은 압축에서는 상호작용 수가 줄어든다.
• 압축 인자 κ 가 30일 경우, DT의 경우 스파크 반경 R_s 는 약 0.09 cm, Li2DT의 경우 0.07 cm 로 추정되며, 이는 매우 국소적인 점화 영역을 의미한다.
• 일일 10^16개의 반프로톤을 제조하기 위해 필요한 에너지 투자는 최소 10^4 MJ 이상이며, 이는 원자로에서 에너지 보상이 불가능하다는 것을 의미한다.
• 연간 10~100 마이크로그램을 생산할 수 있는 반입자 제조 시설의 프로토타입은 5억 달러에서 10억 달러의 비용이 들며, 전면 생산 시에는 연간 50억에서 150억 달러의 비용이 소요된다.
• 과도한 비용과 기술적 복잡성으로 인해 전력 생산을 위한 민간 응용은 매우 불가능하다고 판단되며, 잠재적 응용은 군사적 또는 실험실 규모의 열핵 실험에 국한된다.