[논문 리뷰] Very Big Accelerators as Energy Producers

Robert R. Wilson|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 29.

Particle accelerators and beam dynamics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩 에너지 두배기/저장기와 같은 매우 고에너지 프로톤 가속기를 이용해 우라늄-238에서 중성자를 생성하고, 그 중성자가 플루토늄-239를 형성하는 중성자 포획을 통해 에너지를 생산할 수 있음을 제안한다. 이 플루토늄의 분열은 가속기가 소비하는 에너지보다 훨씬 더 많은 에너지를 방출하며, 계산 결과 1000 GeV에서의 균형 도달 강도는 약 1.2×10¹³ 프로톤/초이며, 최적화 조건 하에서는 이러한 시스템이 에너지 순수익을 낼 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 프로톤 가속기가 중성자 증폭과 플루토늄 분열을 활용하여 순수 에너지 생산자로 기능할 수 있는지 조사하기.
• 특히 초전도 기술을 활용한 가속기 구동 시스템의 에너지 생산 가능성을 평가하기.
• 이러한 시스템에서 순수 에너지 수득을 위한 최소 프로톤 강도를 규명하기.
• 백터-투백(back-to-back) 마그넷 링 및 향상된 비드 다이내믹스와 같은 설계 최적화를 통해 효율성과 출력을 향상시키기.
• 전자기 샤워 구성 요소와 분열 에너지 수확의 역할이 전체 에너지 수확률 향상에 기여하는 정도 평가하기.

제안 방법

• 프로톤 1개당 약 60개의 중성자 생성을 고려해 비례 상수 'a'를 사용하여 우라늄-238 타겟 내 에너지 침착을 모델링함.
• 순수 출력을 계산하기 위해 식 P = 0.2aNE − P₀ − bNE 를 적용함. 여기서 0.2 GeV는 분열당 에너지, P₀는 정지 전력, b는 RF 비효율성(약 2이며, 최소 1.5까지 감소 가능함).
• 비드 다이내믹스 원리 적용: 에너지가 증가할수록 비드 에미ittance가 향상되어 더 작은 링 구멍과 냉각 비용 절감 가능.
• 컴퓨터 모델링(아담 반긴넨크에 의한)을 통해 핵 샤워의 발달을 시뮬레이션하여 하드론 샤워, 전자기 성분, 분열 사건 간 에너지 분배 추적.
• 지속적인 운영을 가능하게 하고 비드 강도를 두 배로 증가시킬 수 있는 백터-투백 초전도 마그넷 링 구성을 제안함.
• 고강도 펄스로 인한 열 부하를 관리하기 위해 슬러리 기반 타겟(증기 구동 피스톤 사이클 또는 전통적 열전달 방식 포함)의 설계 옵션 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 프로톤 가속기가 작동 중 소비하는 에너지보다 플루토늄 분열로 더 많은 에너지를 생산할 수 있는가?
• RQ2 가속기 구동 시스템에서 순수 에너지 수득을 위한 최소 프로톤 강도는 얼마인가?
• RQ3 프로톤 에너지가 증가할수록 중성자 생성 효율성과 이후의 에너지 수확률은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 비드 다이내믹스와 마그넷 링 설계는 냉각 및 전력 비용 절감에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 백터-투백 마그넷 링과 향상된 주입 기술은 이용 가능한 비드 강도와 시스템 효율을 크게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 페르미랩 에너지 두배기에서 1000 GeV에서의 균형 도달 프로톤 강도 N₀는 약 1.2×10¹³ 프로톤/초이며, 이는 예상 운영 강도의 약 20배이지만, 펄싱 또는 스택킹을 통해 달성 가능할 수 있다.
• 1000 GeV에서 10¹³ 프로톤이 각각 약 20 MW의 분열 에너지를 생성하며, 프로톤 1개당 약 62,000개의 Pu-239 핵이 생성된다.
• 프로톤 에너지가 증가할수록 전자기 샤워 성분 비율이 증가함에 따라 입사 에너지의 이용 가능한 에너지 비율이 감소하지만, 이는 높은 중성자 수확률로 부분적으로 상쇄된다.
• 분열 및 전자기 샤워의 에너지를 모두 고려할 경우, 1000 GeV에서 10¹³ 프로톤당 총 복구 가능한 에너지는 20 MW에 도달하며, 이는 0.2 MW의 비드 전력보다 크게 초과된다.
• 고갈되지 않은 우라늄 또는 약간 농축된 연료를 사용할 경우, 균형 도달 강도가 10배 감소할 수 있어 현재의 가속기 기술로도 시스템이 실현 가능해질 수 있다.
• 제안된 듀얼링 구성은 비드 강도를 두 배로 증가시키고 주입 시스템의 활용도를 향상시켜 전체 효율성을 높일 수 있다.