title: Μελέτη της δυνατότητας εκμετάλλευσης της ενέργειας των σωματιδίων άλφα (4He), που παράγονται από αντιδράσεις σύντηξης.
title: Study on the potentiality of using the energy of alpha particles (4He), produced during fusion reactions
Creators: name: Δαποντα Χρυσοβαλαντη
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2018

description: Η σύντηξη ελαφρών σχετικά πυρήνων (μικρού ατομικού αριθμού) αποτελεί την μέθοδο παραγωγής καθαρής ενέργειας, για την ηλεκτροπαραγωγή μεγάλης κλίμακας. Η ευρωπαϊκή δραστηριότητα υλοποιείται μέσω της Euratom και πρόσφατα της EUROFusion, που εμφανίζει παγκόσμια πρωτοπορία τόσο σε ερευνητικό όσο και σε τεχνολογικό επίπεδο, λόγω της κατασκευής και λειτουργίας μαγνητικών μηχανών σύντηξης (Tokamak), όπως το JET αλλά και η υπό κατασκευή μεγάλη μηχανή μαγνητικής σύντηξης ITER, στη Γαλλία, κόστους μερικών δεκάδων δισεκατομμυρίων ευρώ.

Στα βασικά πλεονεκτήματα της σύντηξης συγκαταλέγονται η κατανάλωση μικρών ποσοτήτων καυσίμου που υπάρχει άφθονο στη φύση, αλλά και το ότι τα προϊόντα της δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον, με αποτέλεσμα την αποφυγή εκπομπών αερίου του θερμοκηπίου (Greenhouse Gases - GHGs). Οι μηχανές σύντηξης λειτουργούν κυρίως με τα δύο βαρύτερα ισότοπα του υδρογόνου, το Δευτέριο (D) και το Τρίτιο (Τ). Ωστόσο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλα «καύσιμα», όπως το Υδρογόνο (Η) με το 11 Βόρειο ((_5^11)Β ).

Για την επίτευξη μίας αντιδράσεως σύντηξης, δύο πυρήνες, που έχουν την τάση να απωθούν ο ένας τον άλλον, όντας και οι δύο θετικά φορτισμένοι, πρέπει να έρθουν αρκετά κοντά μεταξύ τους. Για το σκοπό αυτό, και προκειμένου να ξεπεραστεί το φράγμα των απωστικών δυνάμεων Coulomb, απαραίτητη καθίσταται η παροχή ενός μεγάλου ποσού ενέργειας στην αντίδραση σύντηξης. Η πιθανότητα πυρηνικών δυνάμεων σύντηξης και κατά συνέπεια η παραγωγή ωφέλιμης καθαρής ενέργειας, ποσοτικοποιείται μέσω της παραμέτρου «cross section (ενεργός διατομή)» της αντίδρασης. Η τελευταία αποτελεί το βασικό κριτήριο επιλογής του χρησιμοποιούμενου «καύσιμου» υλικού σύντηξης.

Τις δύο μεγαλύτερες προκλήσεις, όσο να αφορά την έρευνα που πραγματοποιείται γύρω από τη σύντηξη, αποτελούν: 1) H θέρμανση του καυσίμου σύντηξης σε αρκετές δεκάδες εκατομμύρια βαθμούς (δεκάδες με εκατοντάδες keV ανάλογα με την αντίδραση σύντηξης), και 2) Η μεθοδολογία περιορισμού (μαγνητική ή αδρανειακή) του υψηλής θερμοκρασίας καυσίμου σύντηξης. Οι λύσεις στις δύο προαναφερθείσες μεθόδους σύντηξης είναι εντελώς διαφορετικές, και στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται με τους όρους που αναφέραμε παραπάνω, δηλαδή τη μαγνητική και την αδρανειακή σύντηξη. Διεθνώς, για δύο είδη καυσίμων γίνεται κυρίως θεωρητική και πειραματική έρευνα. Αυτά είναι 1) Τα βαριά ισότοπα του Υδρογόνου (D)-(Τ) και 2) Το υδρογόνο με το 11 Βόρειο.

Μεταξύ των λεγόμενων «προηγμένων καυσίμων σύντηξης», η αντίδραση πυρηνικής σύντηξης Υδρογόνου (p) – 11 Βορείου είναι αυτή στην οποία, τα προϊόντα της σύντηξης, είναι μόνο φορτισμένα σωμάτια άλφα ((_2^4)He ). Συγκεκριμένα, σε κάθε αντίδραση σύντηξης p-(_5^11)B παράγονται 3 πυρήνες (_2^4)He, με ολική κινητική ενέργεια στα 8.7 MeV (2.9 MeV το κάθε σωμάτιο άλφα). Τα φορτισμένα σωμάτια άλφα μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρικό ρεύμα, με κατάλληλες διατάξεις που προτείνονται στην βιβλιογραφία. Η μέγιστη τιμή του «cross section» της διαδικασίας p-(_5^11)B, αντιστοιχεί σε ενέργεια κέντρου μάζας των αντιδρώντων, ανάμεσα στα 350-450 keV.

Οι δύο βασικοί λόγοι, για τους οποίους η εν λόγω αντίδραση σύντηξης εμφανίζεται ιδιαίτερα ελκυστική, είναι οι εξής: 1) Δε σημειώνεται παραγωγή νετρονίων (ανετρονική αντίδραση σύντηξης) και κατά συνέπεια δεν υπάρχει το πρόβλημα της ραδιοπροστασίας και της ενεργοποίησης (activation) του θαλάμου σύντηξης και 2) Παράγονται τρία φορτισμένα σωμάτια άλφα ((_2^4)He ) σε κάθε αντίδραση σύντηξης. Σε αντίθεση, η παραγωγή καθαρής ενέργειας από τα ισότοπα του Υδρογόνου (D)-(Τ), πραγματοποιείται μέσω των νετρονίων, σε ειδικά διαμορφωμένα χιτώνια που περιβάλουν τον θάλαμο σύντηξης. Η αντίδραση σύντηξης (D)-(Τ) παράγει τέσσερις φορές περισσότερη ραδιενέργεια συγκριτικά με τους αντιδραστήρες σχάσης ουρανίου, λόγω των παραγόμενων νετρονίων. Επίσης, σε κάθε αντίδραση σύντηξης (D)-(Τ) παράγεται ένα φορτισμένο σωμάτιο άλφα ((_2^4)He ).

Τα φορτισμένα σωμάτια άλφα ((_2^4)He ), που παράγονται μέσω των αντιδράσεων σύντηξης (D)-(Τ) και p-(_5^11)B, μεταφέρουν κινητική ενέργεια της τάξης του MeV, η οποία μπορεί να καταστεί εκμεταλλεύσιμη και να προστεθεί στην τελική παραγόμενη καθαρή ενέργεια, από τις μηχανές σύντηξης. Δεδομένου ότι η χρήση των ισοτόπων του Υδρογόνου (D)-(Τ), σε πειράματα, δεν είναι εύκολη, για τεχνικούς και οικονομικούς λόγους, η χρήση της αντίδρασης p-(_5^11)B εμφανίζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον και προτείνεται στην παρούσα διατριβή, για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης των φορτισμένων σωματιδίων άλφα ((_2^4)He ) με υλικά.

Η αντίδραση σύντηξης p-(_5^11)B μπορεί να πραγματοποιηθεί με την χρήση μίας δέσμης πρωτονίων, παραγόμενης από μία δέσμη laser ή έναν επιταχυντή. Η χρονική εξέλιξη των δημιουργούμενων σωματιδίων άλφα ((_2^4)He ), όπως επίσης και η τελική τους ενέργεια κατά την έξοδο τους από το στερεό στόχο(_5^11)B, εξαρτάται από τις αρχικές τιμές των φυσικών παραμέτρων, τόσο της δέσμης των πρωτονίων, όσο και της θέσης (του βάθους) παραγωγής τους στον στόχο του (_5^11)B. Στη διεθνή βιβλιογραφία υπάρχει σειρά πειραμάτων παραγωγής φορτισμένων σωματίων άλφα, από την αλληλεπίδραση μίας δέσμης πρωτονίων με στερεούς στόχους (_5^11)B. Σε όλα τα πραγματοποιηθέντα πειράματα, τα πρωτόνια έχουν παραχθεί με βραχύχρονους παλμούς laser.

Στα πλαίσια της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής, θα διενεργηθεί βιβλιογραφική έρευνα που αφορά : 1) Tην παραγωγή σωματίων άλφα από αντιδράσεις σύντηξης, 2) Tο ενδιαφέρον που προκύπτει, για την εκμετάλλευση της ενέργειας τους, συμπληρωματικά για την παραγωγή καθαρής ενέργειας. Επίσης, θα γίνει μελέτη της αλληλεπίδρασης δέσμης πρωτονίων με στερεό στόχο και ιδιαίτερα για στερεό στόχο 11 Βορείου και θα εφαρμοστούν γνωστά φυσικά - μαθηματικά μοντέλα που αφορούν: (3) Tο «βάθος διείσδυσης - penetration depth» των σωματίων (πρωτονίων) στο στόχο και την παραγωγή των άλφα σωματίων σαν συνάρτηση του βάθους, 4) Την εξαγωγή των άλφα από το στερεό στόχο με την αντίστοιχη κινητική τους ενέργεια, και 5) Θα γίνει εκτίμηση της εναποτιθέμενης ενέργειας των παραγόμενων άλφα σωματίων ενδεικτικά σε υλικό. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής θα επιτρέψουν την περιγραφή των απαραίτητων πειραματικών μεταβλητών, για πειραματική πρόταση που θα αφορά τη μελέτη της αλληλεπίδρασης των δημιουργούμενων άλφα σωματιδίων, με υλικά.
description: Fusion of relatively light nuclei is the method of clean energy production, that is aimed for the purpose of large scale power generation. European activity is mainly demonstrated by Euratom and more recently, EUROfusion. EUROfusion presents international innovation in both scientific and technological sectors, due to the manufacture and operation of large magnetic fusion devices (Tokamaks), including JET and ITER in France, which is currently under construction, won’t be completed until 2050 and costs a few tens of billions of Euros [1]. One of the most interesting advantages of fusion is the consumption of small quantities of fuel, which is abundant in nature. Furthermore, fusion products do not impact on the environment, through the emission of greenhouse gases (GHGs) [2]. Fusion devices operate mainly with the use of the two heaviest isotopes of hydrogen (D, T), while other fuels, like hydrogen - 11Boron, can also be used. The same facts, as mentioned below, are applied to inertial confinement fusion, with high laser energies (laser beams of 1 – 2 MJ) [3].

For the achievement of a fusion reaction, two nuclei that tend to repel each other, due to their positive charge, have to come close enough. For this purpose and in order to overcome the barrier of the developing repulsive forces, a large amount of energy has to be provided to the reaction. The probability of a nuclear fusion reaction and as a result the production of beneficial clean energy is quantified by the parameter «cross section». The fusion cross section is the main criterion for the selection of the fusion’s fuel materials. The biggest challenges for fusion are: 1) The heating of the fusion fuel, at temperatures of a few tens of millions degrees (keV). The exact temperature depends on the fusion reaction. 2) The confinement method (magnetic or inertial) of the high temperature fusion fuel. Internationally, two types of fusion fuels are used in research. These are the heaviest isotopes of hydrogen (Deuterium and Tritium and hydrogen with 11Boron [4].

Between the so called «advanced fusion fuels», the nuclear fusion reaction of protons with 11Boron is the one that produces no neutrons, but only charged particles. These charged particles are three nuclei of 4Helium, with total kinetic energy of 8.7 MeV, per fusion reaction. The maximum cross section of this fusion reaction corresponds to a kinetic energy of the reactants’ center of mass between, which is between 450 – 500 keV [5]. Charged particles can be converted into electrical current with appropriate devices that are suggested in literature. The fusion reaction of protons with 11Boron is very attractive for two reasons: 1) There is no neutron production and as a result, there doesn’t exist the activation problem of the fusion chamber due to neutrons, 2) In each proton 11Boron fusion reaction, three alpha particles are produced. In contrast, in the case of D – T fusion nuclear reaction, clean energy production is conducted through neutrons in specifically shaped blankets, that surround the fusion chamber. Meanwhile, D- T fusion reaction produces four times more radiation compared to uranium fission reactors [6]. Each fusion reaction coming from hydrogen’s isotopes, deuterium and tritium, produces an alpha particle of 4Helium and one neutron. At this point, the following observation has to be done: Both D - T and p - 11B fusion reactions produce alpha particles of 4Helium. The above observation is the purpose of the study, which is going to be based on the behavior of charged alpha (4Helium) particles, in the MeV range, that can be used and be added to the final clean energy of fusion reactors. In this master thesis, our interest focuses on the alpha particle production with MeV kinetic energy and on their interaction with materials, used in fusion reactors. Since the use of hydrogen isotopes is not easy in experiments because of technical and economical reasons, the use of p - 11B fusion reaction is of interest and is suggested. The hydrogen boron fusion reaction can be conducted, if proton beams are produced by laser pulses or accelerators. The time evolution of the produced alpha particles and their final energy at the time of their extraction from the solid target of 11Boron, depend on the initial values of the physical parameters of both the proton beam and the depth of alpha particles production in the Boron target [7]. Plenty of experiments focused on the alpha particles production from the proton (beam) - 11Boron (solid target) interactions, are mentioned in international literature. In these experiments, the proton beams are produced by laser pulses of short width [5,6,7,8,9].

In the context of this master thesis, literature research is going to be carried out for: 1) The production of alpha particles during fusion reactions and 2) the interest of using their energy for the aim of clean energy production. In a next stage, the interaction of a proton beam with a solid target of 11Boron is going to be studied. Also, known physical and mathematical models are going to be used for: 3) the penetration depth of protons in the solid target of 11Boron and the production of alpha particles, as a function of the penetration depth, 4) The extraction of the produced alpha particles from the target, with their corresponding energy, 5) The energy deposition of alpha particles on materials is going to be evaluated. The results of this study are going to allow the description of the needed experimental variables for a possible experimental study in the field of alpha particles interaction with materials.