[논문 리뷰] Antimatter induced fusion and thermonuclear explosions

André Gsponer, Jean-Pierre Hurni|ArXiv.org|2005. 07. 15.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 23인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 반물질을 이용해 관성 수축 핵융합 또는 대규모 열핵 폭발을 유도하는 것의 가능성성을 조사하며, DT 또는 Li₂DT 연료를 점화하기 위해 약 10^21/κ²개의 반프로톤 붕괴가 필요하다고 보여준다. 이는 반물질 유도 무기의 기술적 가능성은 있으나, 막대한 에너지 및 공학적 과제로 인해 현재 기술 수준을 훨씬 뛰어넘고 있으며, 핵확산 및 전통적 무기와 핵무기의 경계가 모호해지는 데 영향을 미칠 수 있음을 결론으로 내린다.

ABSTRACT

The feasibility 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. In the second part, the technologies for producing antiprotons with high energy accelerator systems and the means for manipulating and storing microgram amounts of antihydrogen are examined. While there seems to be no theoretical obstacles to the production of 10^{18} antiprotons per day (the amount required for triggering one thermonuclear bomb), the construction of such a plant involves several techniques which are between 3 and 4 orders of magnitude away from present day technology.

연구 동기 및 목표

• 반수소를 이용해 관성 수축 핵융합 펠릿을 점화하거나 대규모 열핵 폭발을 유도하는 것의 가능성성을 평가하기.
• DT 또는 Li₂DT 연료에서 열핵 연소파를 유도하기 위해 필요한 반프로톤 붕괴 수를 결정하기.
• 미크로그램 수준의 반수소를 생산, 냉각, 조작, 저장하는 데 있어 기술적 과제를 평가하기.
• 반물질 유도 열핵 무기의 전략적 영향과 핵확산, 무기통제에 대한 영향을 분석하기.
• 기존 핵무기 및 핵융합 기술과 비교해 반물질 기반 체계의 에너지 투자 및 기술적 요구사항을 평가하기.

제안 방법

• 반프로톤 붕괴에서 발생하는 에너지 침투를 계산하기 위해 공식 dW = ν(dE/dx)R + ε를 사용하며, dE/dx는 물질의 밀도와 압축 인자 κ에 따라 달라진다.
• 에너지 침투와 점화 임계값을 바탕으로 DT 또는 Li₂DT 연료를 점화하기 위해 약 ~10^21/κ²회의 반프로톤 붕괴가 필요하다고 추정한다.
• 고정 표적 또는 충돌 빔 시스템을 이용한 가속기 기반 반프로톤 생산을 분석하며, 매초 10^13개의 반프로톤 생산이 필요하다고 추정한다.
• 스토하스틱 냉각 및 전자 냉각 기법을 평가하여 반프로톤의 온도를 낮춰 저장 및 반수소 형성에 적합하게 만든다.
• 전자기적 레벨링 및 초진공 상태(10^-15 토르 이하 압력)에서의 마이크로크라이오스타트 내 반수소 펠릿 저장을 고려한다.
• 1kt 반물질 유도 열핵 폭탄의 개념적 설계를 제안하며, 반물질를 Li₂DT 구형체 내에 주입하는 방식을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DT 또는 Li₂DT 연료에서 열핵 연소파를 유도하기 위해 필요한 반프로톤 붕괴의 최소 수는 얼마이며, 압축 인자 κ는 이 수치에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 하루에 한 번의 열핵 폭발을 유도하기에 충분한 속도로 반프로톤을 생산할 수 있는가? 이를 달성하기 위해 필요한 가속기 시스템은 무엇인가?
• RQ3 매초 10^13개의 반프로톤을 냉각하고 저장하는 데 있어 기술적 장벽은 무엇이며, 현재 또는 근래의 기술로 이를 극복할 수 있는가?
• RQ4 반수소 형성을 생략하고 반프로톤이 초유체 헬륨 내에서 기포를 형성하는 방식으로 장기적 대량 반물질 저장이 가능한가?
• RQ5 최소한의 잔여 방사능를 유발하는 반물질 유도 열핵 무기의 전략적 및 비확산적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• DT 또는 Li₂DT 연료를 점화하기 위해 약 10^21/κ²회의 반프로톤 붕괴가 필요하며, 이 수치는 연료의 압축 인자 κ의 제곱에 반비례한다.
• 하루에 한 번의 반물질 유도 열핵 폭발을 유도하기 위해 필요한 매초 10^13개의 반프로톤 생산은 500MW 고정 표적 가속기 또는 50MW 충돌 빔 시스템이 필요하며, 반프로톤 한 개당 에너지 비용은 약 10^-6 J이다.
• ICF 펠릿당 10^16개의 반프로톤을 생산하는 데에는 10^4 MJ 이상의 에너지 투자가 필요하여, 반물질 발전로에서 에너지 수익성 확보는 매우 어렵다.
• 매초 10^13개의 반프로톤을 저장 온도로 냉각하는 것은 여전히 주요 과제이며, 현재 최첨단의 스토하스틱 및 전자 냉각 기술보다 2~4개 정도의 주기 개선이 필요하다.
• 압력이 10^-15 토르 이하로 유지되는 초진공 상태에서 10^-6 g의 반수소 펠릿을 레벨링하고 장기간 저장할 수 있으며, 이는 무기화 가능성을 시사한다.
• 초유체 헬륨 내 반프로톤 기포 형성이 실험적으로 확인된다면, 대량 반물질 저장은 반수소 형성을 생략함으로써 크게 단순화될 수 있다.