用加速器加速宏观轻微带电微粒获取聚变能源的可能性.doc

直接聚变方案及其可行性 雷奕安，刘健，管晓寅，王直轩，陈超，张桦森 北京大学物理学院，100871 摘要 本文提出了用加速器加速宏观带电微粒，让微粒能量达到2MJ以上，轰击固定靶，以引发聚变的方案，即直接聚变方案。由于没有充分的理论和实验支持，我们分析了方案中可能存在的各种基本物理问题，对一些基本过程和物理量进行了估算，探讨了该方案的可行性，并比较了该方案与主流聚变方案的优势及其可行性问题。 关键词：加速器，聚变，离子束 一、引言 能源是人类生存的条件，是人类发展的动力。人类社会发展到现在，最明显地特征和趋势之一就是无休止的加速的对能源的需求。当前人类社会面临的重大问题，发展，能源，环境，世界和平，都与能源直接相关，可是现在传统能源逐渐枯竭，以太阳能，风能，生物质能等为代表的绿色新能源虽然理论上能满足人类生存和发展的需要，但是只有它们显然是不够的。比如如果世界气候发生大范围的灾害性变化，人类很可能只能束手待毙。而如果掌握了取之不尽用之不竭的聚变能源，我们将有机会逃过这种世界末日之劫。在这种特定条件下，其它任何一种能源都是不可靠的。在现阶段，如果我们能够大规模经济地获得聚变能源，世界面临的许多重大问题将迎刃而解。 然而，虽然人类发现聚变已经上百年了，大规模聚变装置的出现也已经过了50多年，但能够有效利用聚变能量的受控核聚变却还相当遥远 New Scientist editorial, 3 June 2006, p. 3 New Scientist editorial, 3 June 2006, p. 3 二、主流聚变方案及其挑战 现行的主流聚变方案分为惯性约束和磁约束两类。作为聚变能源的来源，也是现在世界主要国家和机构的选择，大家更看好磁约束聚变方案。惯性约束，虽然是一个非常重要的基础研究方向，但作为大规模清洁聚变能量的来源，还是存在产生能量总量太低（激光，重离子束聚变），重复频率低（激光，Z-pinch），装置被消耗的部分过多(重离子，Z-pinch)等很难克服的缺点。可是，磁约束聚变方案，包括大家最看好的托卡马克和仿星器方案，除了理论和计算还没有经过大型装置和长时间稳定燃烧的检验之外，在工程方面有着极其严峻的挑战，这一点可以从ITER项目的巨额费用和漫长工期上看出来。工程的复杂性和巨额费用又带来了严重的维护问题。 三、加速器驱动聚变介绍 用加速器来实现聚变，早在聚变刚刚发现的时候，现代核物理之父，卢瑟福爵士，就断言用这种方案来获取能源是不可能的。原因众所周知，核聚变反应截面太小。反应产生的能量远远低于维持加速器运转所需要的能量。尽管如此，还是有人试图利用精巧的设计做出简单的聚变装置，如Migma方案 Bogdan C. Maglich, The Migma principle of controlled fusion, Nuclear Instruments and Methods III (1973), p 213-235，但最后证明是行不通的 Fundamental Limitations on Plasma Fusion Systems Not in Thermodynamic Equilibrium Bogdan C. Maglich, The Migma principle of controlled fusion, Nuclear Instruments and Methods III (1973), p 213-235 Fundamental Limitations on Plasma Fusion Systems Not in Thermodynamic Equilibrium, MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science, June 1995 Robert L. Hirsch, "Inertial-Electrostatic Confinement of Ionized Fusion Gases", Journal of Applied Physics, v. 38, no. 7, October 1967 对于惯性约束来说，实现聚变的关键在于，要在足够短的时间内以足够的密度对聚变材料注入足够的能量，当然还要能维持一定的约束时间。除了利用大功率激光，高电流(Z-pinch)，加速器也是一个选择，重离子聚变方案（Heavy Ion Fusion, HIF）就采用了加速器方案。 四、重离子聚变方案及其挑战 与别的惯性约束方案相比，HIF有一些很好的特点，比如：总注入能量很高，很容易达到数十MJ；重复频率高，很容易达到每秒5到10次；加速器的能量转换效率高，能达到30%以上，远远大于激光器的效率；可靠性好，现有的加速器已经证