[论文解读] Very Big Accelerators as Energy Producers

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

Particle accelerators and beam dynamics被引用 3

一句话总结

本文提出，像费米国家加速器实验室能量加倍器/储存环这样的超高能质子加速器，可通过使用1000 GeV质子在铀-238中产生中子，进而通过中子俘获生成钚-239，从而作为净能量生产者。该钚的裂变释放的能量远超加速器消耗的能量，计算表明在1000 GeV下，临界强度约为1.2×10¹³质子/秒，因此在优化条件下此类系统可能实现能量盈余。

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.

研究动机与目标

• 研究超高能质子加速器是否可通过中子倍增和钚裂变作为净能量生产者。
• 评估利用加速器驱动系统进行能源生产的可行性，特别是采用超导技术的潜力。
• 确定此类系统实现净能量增益所需的最低质子束流强度。
• 探索设计优化措施（如背对背磁环和改进的束流动力学）对提升效率和输出功率的作用。
• 评估电磁喷射组件和裂变能量回收在提高整体能量产出中的作用。

提出的方法

• 利用比例常数'a'（约60个中子/GeV）对铀-238靶中的能量沉积进行建模，以估算每质子的中子产额。
• 使用公式 P = 0.2aNE − P₀ − bNE 计算净输出功率，其中0.2 GeV为每次裂变释放的能量，P₀为待机功耗，b为射频效率（≈2，可能降低至1.5）。
• 应用束流动力学原理：束流发射度随能量升高而改善，从而可减小环形孔径并降低制冷成本。
• 通过计算机模拟（由A. VanGinneken完成）追踪强子喷射、电磁组分和裂变事件之间的能量分配，以模拟核喷射的发展过程。
• 提出双环结构，采用背对背超导磁体，以实现连续运行并使束流强度加倍。
• 评估靶设计选项，包括基于浆料的靶（采用蒸汽驱动活塞循环）或传统传热方式，以管理高强度脉冲带来的热负荷。

实验结果

研究问题

• RQ1 超高能质子加速器是否能从钚裂变中获得比运行消耗更多的能量？
• RQ2 加速器驱动系统中实现净能量增益所需的最低质子束流强度是多少？
• RQ3 提高质子能量在中子产额和后续能量产出效率方面有何影响？
• RQ4 束流动力学与磁环设计在多大程度上可降低制冷和功耗成本？
• RQ5 背对背磁环与改进的注入技术是否能显著提升可用束流强度和系统效率？

主要发现

• 费米国家加速器实验室能量加倍器在1000 GeV下的临界质子束流强度N₀约为1.2×10¹³质子/秒，约为预期运行强度的20倍，但可通过脉冲或束流堆积实现。
• 在1000 GeV下，每10¹³个质子可产生约20 MW的裂变能量，每质子生成约62,000个Pu-239核素。
• 由于电磁喷射组分随质子能量升高而增加，入射能量中可回收为可用能量的比例随能量上升而下降，尽管这一影响部分被更高的中子产额所抵消。
• 若同时计入裂变和电磁喷射的能量，每10¹³个质子在1000 GeV下可回收的总能量达20 MW，远超0.2 MW的束流功率。
• 使用未辐照铀或轻度富集燃料可使所需临界强度降低一个数量级，从而使系统在当前加速器技术下具备可行性。
• 所提出的双环结构可使束流强度加倍，并提升注入系统的利用率，从而增强整体效率。