[论文解读] The physics of antimatter induced fusion and thermonuclear explosions

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

Atomic and Molecular Physics参考文献 11被引用 7

一句话总结

本文提出，使用少于几微克的反质子作为触发剂，可引发反物质诱导的聚变，从而触发热核爆炸。计算表明，大约需要10^18个反质子湮灭才能点燃压缩的DT或Li2DT燃料，由于反物质生产所需的极高能量和成本，此类系统仅在军事应用中可行。

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.

研究动机与目标

• 评估使用反质子触发惯性约束聚变或大规模热核爆炸的可行性。
• 确定点燃压缩聚变燃料所需的最少反质子湮灭次数。
• 评估为实现实际热核触发而生产足够反物质的能量与经济成本。
• 探讨设计反物质触发热核装置所面临的技术与材料挑战。
• 考察反物质触发爆炸在核试验禁限制和定向能武器背景下的影响。

提出的方法

• 基于带电π介子和光子产生的能量沉积方程，对反质子在聚变燃料中的湮灭进行建模。
• 应用热核点火的火花模型，要求在压缩的球形燃料核心中达到临界能量E_c和临界温度T_c。
• 使用能量沉积公式dW = ν(dE/dx)κR_s + ε，估算在湮灭点周围半径R_s范围内的能量沉积量。
• 利用公式(9)和(10)求解反质子湮灭次数N，该公式将临界能量与湮灭能量及压缩因子κ相关联。
• 估算在各种条件下，点燃DT和Li2DT燃料所需的压缩因子κ和火花半径R_s。
• 评估每天生产10^16至10^18个反质子以用于武器化时面临的技术与经济限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在压缩的DT或Li2DT燃料中，点燃热核燃烧波所需的最少反质子湮灭次数是多少？
• RQ2 燃料压缩因子κ如何影响能量沉积与反物质触发聚变的点火阈值？
• RQ3 为触发单次热核爆炸而生产足够反质子所需的能量与成本是多少？
• RQ4 反物质触发聚变能否作为低 yield 或实验室规模热核事件的常规惯性约束聚变的可行替代方案？
• RQ5 在热核装置中储存并定位冷冻反氢颗粒的最关键技术挑战是什么？

主要发现

• 假设压缩因子适中（30），点燃压缩DT或Li2DT燃料中的热核燃烧波大约需要10^18个反质子湮灭。
• 点火临界能量E_c随压缩因子κ的平方减小，因此压缩程度越高，所需湮灭次数越少。
• 当压缩因子为30时，DT燃料的火花半径R_s估计为0.09 cm，Li2DT燃料为0.07 cm，表明点火区域高度局域化。
• 每天生产10^16个反质子所需能量投入至少为10^4 MJ，使聚变反应堆实现能量收支平衡不可行。
• 每年生产10–100微克反物质的原型设施成本为5亿至10亿美元，而全规模生产每年成本高达50亿至150亿美元。
• 由于成本过高和技术复杂性，民用发电应用被认为极不可能，潜在用途被限制在军事或实验室规模的热核实验。