[论文解读] Antimatter induced fusion and thermonuclear explosions

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

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 23被引用 11

一句话总结

本文研究了利用反氢触发惯性约束聚变或大规模热核爆炸的可行性，表明约需10^21/κ²个反质子湮灭才能点燃DT或Li₂DT燃料。研究结论认为，尽管反物质触发武器在技术上是可能的，但由于巨大的能量与工程挑战，其实际实现仍远超当前技术水平，且对核扩散问题构成影响，模糊了常规武器与核武器之间的界限。

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.

研究动机与目标

• 评估利用反氢点燃惯性约束聚变靶丸或触发大规模热核爆炸的可行性。
• 确定在DT或Li₂DT燃料中引发热核燃烧波所需的反质子湮灭数量。
• 评估生产、冷却、操控和储存微克量级反氢在技术上的挑战。
• 分析反物质触发热核武器对核扩散与军控的影响。
• 比较基于反物质的系统与现有核能与聚变技术在能量投入与技术需求方面的差异。

提出的方法

• 利用公式 dW = ν(dE/dx)R + ε 计算反质子在聚变燃料中的能量沉积，其中 dE/dx 取决于材料密度与压缩因子 κ。
• 基于能量沉积与点火阈值，估算点燃DT或Li₂DT燃料所需的反质子湮灭数量约为 ~10^21/κ²。
• 分析基于加速器的反质子生产，采用固定靶或对撞束系统，估算所需生产速率为每秒10^13个反质子。
• 评估随机冷却与电子冷却等冷却技术，以降低反质子温度，便于储存与反氢形成。
• 考虑在压力低于10^-15 Torr的微低温恒温器中，通过电磁悬浮与真空储存反氢靶丸。
• 提出1 kt反物质触发热核炸弹的概念设计，包括将反物质注入Li₂DT球体。

实验结果

研究问题

• RQ1 点燃DT或Li₂DT燃料中热核燃烧波所需的最少反质子湮灭数量是多少？压缩因子κ如何影响该数值？
• RQ2 反质子能否以足够高的速率生产，实现每天触发一次热核爆炸？实现该速率所需的加速器系统是什么？
• RQ3 冷却与储存每秒10^13个反质子的技术障碍有哪些？现有或近中期技术能否克服这些障碍？
• RQ4 在不形成反氢的情况下，长期批量储存反物质是否可行，特别是通过超流氦中反质子空穴化的方式？
• RQ5 反物质触发热核武器若具有极低放射性沉降物，其战略与非扩散影响如何？

主要发现

• 约需10^21/κ²个反质子湮灭才能点燃DT或Li₂DT燃料，该数值与燃料压缩因子κ的平方成反比。
• 每秒生产10^13个反质子（实现每日一枚反物质触发热核炸弹所需）需500 MW固定靶加速器或50 MW对撞机系统，每产生一个反质子的能量成本约为10^-6 J。
• 每颗ICF弹丸生产10^16个反质子的能量投入超过10^4 MJ，使得反物质动力反应堆实现能量收支平衡的可能性极低。
• 将每秒10^13个反质子冷却至储存温度仍是重大挑战，需在现有随机冷却与电子冷却技术基础上提升2至4个数量级。
• 若压力维持在10^-15 Torr以下，10^-6 g量级的反氢靶丸可实现电磁悬浮与长期真空储存，具备潜在武器化可能。
• 若在超流氦中反质子空穴化的实验得到证实，批量反物质储存可绕过反氢形成步骤，显著简化长期储存。