Можем ли мы использовать коллайдеры частиц в качестве термоядерных генераторов?

Тонкая проблема, которую вы, кажется, упускаете из виду, заключается в том, что поперечное сечение протон-протон очень мало, около 0,07 барна (амбар равен$10^{-28}$квадратных метров) при энергиях LHC и не сильно отличается при более низких «энергиях синтеза». Это означает, что на БАК, как и на машине вашей мечты, большинство протонов просто не ударяют своих партнеров. Сфокусировать протонные пучки сколь угодно точно не реально по разным причинам (принцип неопределенности - действительно неизбежный эффект: либо локализуешь пучки в поперечном направлении, в "тонкую трубку", либо задаешь, что скорость в это поперечное направление равно нулю, что необходимо, если вы хотите сохранить положение «в тонкой трубе» в будущем, но вы не можете сделать то и другое одновременно). Если бы это было возможно, LHC был бы одним из первых, кто использовал бы этот метод для увеличения светимости.

Поэтому, если вы направите два пучка протонов друг против друга, подавляющее большинство из них просто продолжит свое первоначальное движение. (Протоны в LHC должны вращаться около получаса — десятки миллионов оборотов — прежде чем половина из них столкнется или исчезнет.) Чтобы разогнать протоны до этих энергий, требуется некоторая энергия, и вы хотите, чтобы эта энергия быть возвращены из слияния с некоторым бонусом. Но синтез возвращает вам только энергию столкнувшихся протонов (некоторые из них могут создать гелий при ваших энергиях, но всегда будут ненулевые вероятности других конечных состояний; это не детерминистическая система, которая всегда производит одно и то же конечное состояние для данного начальное состояние; квантовая механика говорит, что результаты случайны), что составляет крошечную часть протонов. Таким образом, вы потеряете большую часть энергии, которую вложили в ускорение. Обратите внимание, что БАК потребляет столько энергии, сколько домохозяйства в Женеве вместе взятые, и он просто производит столкновения протонов, энергия которых меньше джоуля на пару.

Чтобы увеличить долю протонов, попавших на своих партнеров, нужно либо многократно отправлять их на курс столкновения, как на БАК, но тогда нужно накачивать протонам дополнительную энергию, которую они теряют на синхротронном излучении (что всегда отличен от нуля, если вектор ускорения отличен от нуля, например, для всех круговых траекторий). Или вам нужно будет резко увеличить плотность лучей.

Но если в пучке много протонов, они будут электрически отталкиваться друг от друга, и вы также не сможете сфокусировать их для столкновений. Итак, что вам нужно сделать, это электрически нейтрализовать пучок протонов высокой плотности, и тогда у вас не будет ничего, кроме плазмы, и вы столкнетесь с обычными проблемами токамака, как ее стабилизировать. Обратите внимание, что электроны реагируют на внешние электромагнитные поля совершенно иначе, чем протоны. БАК использует как электрические, так и магнитные поля для ускорения протонов, но чтобы плазма оставалась нейтральной, вы должны избегать электрических полей.

Токамаки работают только с магнитными полями. Будут ли они когда-либо полностью рабочими и осуществимыми, еще неизвестно, но отсутствие электрических полей означает, что они не имеют много общего с ускорителями частиц.

На самом деле, это было сделано, но это не является устойчивым. В Википедии есть краткое объяснение:

Синтез легких ионов на основе ускорителей - это метод, использующий ускорители частиц для достижения кинетической энергии частиц, достаточной для индукции реакций синтеза легких ионов. Ускорить легкие ионы относительно легко, и это можно сделать эффективно — все, что для этого нужно, — это вакуумная трубка, пара электродов и высоковольтный трансформатор; плавление можно наблюдать при напряжении между электродами всего 10 кВ. Ключевая проблема с синтезом на основе ускорителя (и с холодными мишенями в целом) заключается в том, что сечения синтеза на много порядков ниже, чем сечения кулоновского взаимодействия. Поэтому подавляющее большинство ионов в конечном итоге расходуют свою энергию на тормозное излучение и ионизацию атомов мишени.

По сути, ускоритель частиц предоставляет ускоряющим частицам множество способов потерять энергию, которые не связаны с реальным столкновением.

Возьмите LHC в качестве примера. Он потребляет более 200 МВт электроэнергии и генерирует до 600 миллионов столкновений в секунду . Если бы ускоряемые частицы были ядрами дейтерия и трития, каждый акт синтеза выделял бы около 17 МэВ энергии. Таким образом, если каким-то образом каждое из этих 600 миллионов столкновений в секунду было успешным событием DT-синтеза, общая мощность, генерируемая в результате синтеза, составила бы

для КПД 0,0000001%. Это совсем не хорошо. Устойчивый термоядерный реактор должен иметь КПД более 100%.

Конечно, большая часть энергии, потребляемой БАК, уходит на придание протонам или ионам кинетической энергии, которая не нужна для термоядерного синтеза. Если вычесть из энергии 8 ТэВ на протон, это может повысить эффективность примерно в миллион раз (принимая во внимание, что есть еще много причин, по которым то, о чем я говорю, невозможно), но это все равно будет быть всего около 0,1%.

Проблема в том, что потребляемая мощность термоядерного синтеза находится в диапазоне 10^20 ватт на килограмм. Для этого требуется магнитное поле > 12 Тесала, чтобы сжать плазму и увеличить скорость синтеза до самоподдерживающейся реакции.

Это цель проекта термоядерного синтеза ИТЭР. Для достижения этого разрабатывается новая трубка силового вакуума для передачи токов в сверхпроводящие магниты.

Плотность мощности драйвера Fusion I должна быть выше Fusion. Многие схемы терпят неудачу при попытках параллельного подключения нескольких устройств с низкой удельной мощностью. Это была проблема с лазерной системой NIF: «шум» накапливается быстрее, чем мощность.

Солнце использует гравитацию для сжатия плазмы в Звездах — конечно, устройство деления используется для сжатия синтеза в водородной бомбе; который имеет плотность мощности намного выше, чем термоядерный.

Типичная реакция синтеза высвобождает около$10~$МэВ энергии, поэтому для получения умеренной (тепловой) мощности$1~$GW нам нужно около$6\times10^{20}$реакции в секунду. Количество частиц, необходимое для каждого из двух пучков, должно быть на несколько порядков больше, так как нам удастся сплавить только часть из них, скажем,$1/100$. Предполагая, что эти частицы имеют заряд$1~e$, получим средний ток пучка $10~$кА.

Мы понятия не имеем, как это обеспечить.

Чтобы дать вам представление, насколько мне известно, протонный инжектор никогда не поднимался выше$100~$мА. Мы на несколько порядков далеки даже от концепции.