La fusione aneutronica è qualsiasi forma di fusione nucleare in cui la maggior parte dell'energia rilasciata è trasportata da particelle cariche. Mentre le reazioni di fusione nucleare a soglia più bassa rilasciano fino all'80% della loro energia sotto forma di neutroni (senza carica), esistono anche reazioni in cui l'energia viene rilasciata sotto forma di particelle cariche, tipicamente protoni o particelle alfa. Ottenere la fusione aneutronica ridurrebbe notevolmente i problemi associati alle radiazioni di neutroni come danni ionizzanti, attivazione dei neutroni e requisiti di schermatura biologica, manipolazione a distanza e sicurezza.
Dal momento che è più semplice convertire l'energia delle particelle cariche in energia elettrica che convertirla da particelle non caricate, una reazione aneutronica sarebbe attraente per i sistemi di potenza. Alcuni sostenitori vedono il potenziale per una drastica riduzione dei costi convertendo l'energia direttamente in elettricità, nonché eliminando le radiazioni derivanti da neutroni, che sono difficili da schermare. Tuttavia, le condizioni richieste per sfruttare la fusione aneutronica sono generalmente molto più estreme di quelle richieste per il ciclo convenzionale del combustibile nucleare al deuterio - trizio (D-T).
Reazioni candidate Molte reazioni di fusione non hanno neutroni come prodotti in nessuno dei loro rami. Quelle con le sezioni trasversali più grandi sono le seguenti: + Reazioni aneutroniche ad alta sezione nucleare isotopi Reazione Deuterio - Elio-3 2D + 3He → 4He + 1p + 18,3 MeV Deuterio - Litio-6 2D + 6Li → 2 4He + 22,4 MeV Proton - Litio-6 1p + 6Li → 4He + 3He + 4.0 MeV Elio-3 - Litio-6 3He + 6Li → 2 4He + 1p + 16,9 MeV Elio-3 - Elio-3 3He + 3He → 4He + 2 1p + 12,86 MeV Proton - Litio-7 1p + 7Li → 2 4He + 17,2 MeV Proton - Boron-11 1p + 11B → 3 4He + 8,7 MeV Protone - Azoto 1p + 15N → 12C + 4He + 5,0 MeV
Definizione Le reazioni di fusione possono essere classificate in base alla neutronicità della reazione, che corrisponde alla frazione dell'energia di fusione rilasciata sotto forma di neutroni. Questo è un indicatore importante dell'entità dei problemi associati ai neutroni come danni da radiazioni, schermatura biologica, manipolazione a distanza e sicurezza. Lo stato del New Jersey ha definito una reazione aneutronica come una reazione in cui i neutroni non trasportano più dell'1% dell'energia liberata totale, sebbene molti articoli sulla fusione aneutronica includano reazioni che non soddisfano questo criterio.
Tassi di reazione La difficoltà di una reazione di fusione è caratterizzata dalla barriera di accensione, l'energia richiesta ai nuclei per superare la reciproca repulsione di Coulomb, mentre la velocità di reazione è proporzionale alla sezione nucleare ("σ").Rainer Feldbacher and Manfred Heindler (1 August 1988). "Basic cross section data for aneutronic reactor", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 271, No 1, pp 55-64. . In una reazione autosufficiente, la velocità di reazione è abbastanza elevata da mantenere la temperatura al di sopra della barriera di accensione.
Ogni dato dispositivo di fusione ha una pressione al plasma massima che può sostenere e un dispositivo economico funzionerebbe sempre vicino a questo massimo. Data questa pressione, la massima potenza di fusione si ottiene quando si sceglie la temperatura in modo che <σv> / T2 sia un massimo. Questa è anche la temperatura alla quale il valore del triplo prodotto nT τ richiesto per l'accensione è minimo, poiché quel valore richiesto è inversamente proporzionale a <σv> / T2Vedi il Criterio di Lawson:
A causa del numero atomico più elevato (e quindi della carica più elevata) delle specie che reagiscono e della risultante barriera di Coulomb più alta, le reazioni aneutroniche sono più difficili della fusione D-T convenzionale e quindi richiedono temperature più elevate. La tabella seguente mostra la temperatura di accensione e la sezione trasversale per tre delle reazioni aneutroniche candidate, rispetto alla semplice reazione D-T.
Sfide tecniche Molte sfide rimangono prima della commercializzazione dei processi aneutronici.
Temperatura La grande maggioranza della ricerca sulla fusione è andata verso la fusione D-T, perché le sfide tecniche della fusione protone-boro sono così formidabili. La fusione protone-boro richiede energie ioniche o temperature quasi dieci volte superiori a quelle della fusione D-T. Per ogni data densità dei nuclei che reagiscono, la velocità di reazione per il protone-boro raggiunge la sua velocità di picco a circa 600 keV (6,6 miliardi di gradi Celsius o 6,6 gigakelvin) mentre D-T ha un picco a circa 66 keV (765 milioni di gradi Celsius o 0,765 gigakelvin). Per i concetti di confinamento a pressione limitata, le temperature operative ottimali sono circa 5 volte inferiori, ma il rapporto è ancora all'incirca dieci-a-uno.
Equilibrio di potenza La velocità di reazione di picco di p- 11B è solo un terzo di quella per D-T, che richiede un migliore confinamento del plasma. Il confinamento è generalmente caratterizzato dal tempo τ in cui l'energia deve essere mantenuta in modo tale che la potenza di fusione rilasciata superi la potenza richiesta per riscaldare il plasma. Possono essere derivati vari requisiti, più comunemente il prodotto della densità, n τ e il prodotto con la pressione nT τ, entrambi chiamati il criterio Lawson. Ln τ richiesto per p– 11B è 45 volte superiore a quello per D-T. LnT τ richiesto è 500 volte superiore.Both figures assume the electrons have the same temperature as the ions. If operation with cold electrons is possible, as discussed below, the relative disadvantage of p–11B would be a factor of three smaller, as calculated here.Vedi anche neutralità, requisiti di confinamento e densità di potenza Poiché le proprietà di confinamento degli approcci di fusione convenzionali, come il tokamak e la fusione a pellet laser, sono marginali, la maggior parte delle proposte aneutroniche utilizza concetti di confinamento radicalmente diversi.
Nella maggior parte dei plasmi di fusione, la radiazione bremsstrahlung è un importante canale di perdita di energia.Vedi anche le perdite di bremsstrahlung nei plasmi isotropici quasineutrali Per la reazione p– 11B, alcuni calcoli indicano che la potenza del bremsstrahlung sarà almeno 1,74 volte maggiore della potenza di fusione. Il rapporto corrispondente per la reazione 3 He 3 Esso è solo leggermente più favorevole a 1.39. Ciò non è applicabile ai plasmi non neutrali e diverso nei plasmi anisotropi.
Nei progetti di reattori convenzionali, basati sul confinamento magnetico o inerziale, il bremsstrahlung può facilmente sfuggire al plasma ed è considerato un termine di pura perdita di energia. Le prospettive sarebbero più favorevoli se il plasma potesse riassorbire la radiazione. L'assorbimento avviene principalmente tramite scattering Thomson sugli elettroni,, lecture notes in astrophysics from Chris Flynn, Tuorla Observatory che ha una sezione trasversale totale di σ T = 6,65 × 10 −29 m². In una miscela 50-50 D-T questo corrisponde a un intervallo di .mi/σT = 2.5×(1.67×10−24 g)/(6.65×10−25 cm²) = 6.28 g/cm² Ciò è notevolmente superiore al criterio Lawson di ρ R > 1 g/cm², che è già difficile da raggiungere, ma potrebbe essere realizzabile in sistemi di confinamento inerziale.Robert W. B. Best. "Advanced Fusion Fuel Cycles". Fusion Technology, Vol. 17 (July 1990), pp. 661–5.
Nei campi magnetici megatesla un effetto meccanico quantistico potrebbe sopprimere il trasferimento di energia dagli ioni agli elettroni.G.S. Miller, E.E. Salpeter, and I. Wasserman, Deceleration of infalling plasma in the atmospheres of accreting neutron stars. I. Isothermal atmospheres, Astrophysical Journal, 314: 215–233, 1987 March 1. In one case, they report an increase in the stopping length by a factor of 12. Secondo un calcolo,E.J. Lerner, Prospects for p11B fusion with the Dense Plasma Focus: New Results (Proceedings of the Fifth Symposium on Current Trends in International Fusion Research), 2002, https://arxiv.org/abs/physics/0401126 perdite di bremsstrahlung potrebbero essere ridotte alla metà della potenza di fusione o meno. In un forte campo magnetico la radiazione ciclotronica è persino maggiore della bremsstrahlung. In un campo di megatesla, un elettrone perderebbe la sua energia a causa della radiazione ciclotronica in pochi picosecondi se la radiazione potesse fuoriuscire. Tuttavia, in un plasma sufficientemente denso (n e > 2,5 × 10 30m −3, una densità maggiore di quella di un solidoAssuming 1 MT field strength. This is several times higher than solid density.), la frequenza del ciclotrone è inferiore al doppio della frequenza del plasma. In questo caso ben noto, la radiazione ciclotronica è intrappolata all'interno del plasmoide e non può fuoriuscire, se non da uno strato superficiale molto sottile.
Sebbene i campi di megatesla non siano ancora stati raggiunti, sono stati prodotti campi di 0,3 megatesla con laser ad alta intensità,, P. Beiersdorfer, et al. e campi di 0,02-0,04 megatesla sono stati osservati con il denso dispositivo di messa a fuoco al plasma.Bostick, W.H. et al., Ann. NY Acad. Sci., 251, 2 (1975)The magnetic pressure at 1 MT would be 4×1011 MPa. For comparison, the tensile strength of stainless steel is typically 600 MPa.
A densità molto più elevate > e 6.7 × 10 34 m -3), gli elettroni saranno Fermi degenere, quali perdite Sopprime bremsstrahlung, sia direttamente sia riducendo trasferimento di energia dagli ioni agli elettroni. Se le condizioni necessarie possono essere raggiunte, la produzione netta di energia da p 11 B o D 3 può essere possibile. La probabilità di un reattore fattibile basato esclusivamente su questo effetto rimane tuttavia piuttosto bassa, poiché si prevede che il fattore di guadagno sia inferiore a 20, mentre in genere è considerato necessario un valore superiore a 200.
Densità di potenza In ogni progetto di centrale elettrica a fusione pubblicato, la parte dell'impianto che produce le reazioni di fusione è molto più costosa della parte che converte l'energia nucleare in elettricità. In tal caso, come in effetti nella maggior parte dei sistemi di alimentazione, la densità di potenza è una caratteristica importante.Comparing two different types of power systems involves many factors in addition to the power density. Two of the most important are the volume in which energy is produced in comparison to the total volume of the device, and the cost and complexity of the device. In contrast, the comparison of two different fuel cycles in the same type of machine is generally much more robust. Raddoppiare la densità di potenza comporta il dimezzamento del costo per la produzione elettrica. Inoltre, il tempo di confinamento richiesto dipende dalla densità di potenza.
Tuttavia, non è banale confrontare la densità di potenza prodotta da diversi cicli di combustibile per fusione. Il caso più favorevole a p- 11B rispetto alla miscela D-T è un dispositivo (ipotetico) di confinamento che funziona bene solo a temperature ioniche superiori a circa 400 keV, in cui il parametro della velocità di reazione <σ v > è uguale per i due combustibili, e che funziona a bassa temperatura elettronica. La reazione p– 11B non richiede un tempo di confinamento lungo, poiché l'energia dei suoi prodotti caricati è due volte e mezzo superiore a quella di D-T. Tuttavia, considerando gli elettroni caldi e consentendo alla reazione D-T di funzionare a una temperatura più bassa o includendo l'energia dei neutroni nel calcolo, il vantaggio della densità di potenza si sposta a favore di D-T.