The optimal injection energy for beam-driven proton–boron fusion lies above the 675 keV resonance

Auf der Suche nach der Nutzung der Kraft der Sterne haben Wissenschaftler lange Zeit nach einem speziellen Rezept gesucht, das Wasserstoff und Bor beinhaltet. Im Gegensatz zu der weitaus häufigeren Fusionsbrennstoffmischung aus Wasserstoffisotopen bietet diese Kombination einen deutlichen Vorteil: Sie erzeugt fast keine Neutronen, was weniger Strahlungsschäden an den umgebenden Maschinen und einen saubereren Weg zur Elektrizität bedeutet. Das Problem ist jedoch, dass es äußerst schwierig ist, diese Reaktion hervorzurufen. Es erfordert das Erhitzen des Brennstoffs auf Temperaturen, die weit über denen liegen, die für andere Fusionsarten benötigt werden, und bis vor kurzem schien die Energie, die erforderlich war, um diese Bedingungen zu schaffen, die Energie, die die Reaktion jemals produzieren könnte, zu übersteigen. Die vorherrschende Strategie zur Lösung dieses Problems bestand darin, sich auf ein spezifisches Energieniveau zu konzentrieren, bei dem die Atome am wahrscheinlichsten kollidieren und fusionieren – ein Punkt, der als Resonanz bekannt ist.

Eine neue Analyse des unabhängigen Forschers Oleg Agamalov stellt die lang gehegte Annahme infrage, dass das Anvisieren dieses Spitzenkollisionspunktes der effizienteste Weg ist, um eine Maschine zu betreiben. Zwar ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Atome fusionieren, bei einer bestimmten Energie tatsächlich am höchsten, doch die Gesamteffizienz einer Maschine hängt von mehr ab als nur diesem einzelnen Moment des Aufpralls. Sie hängt von der gesamten Reise der Brennstoffteilchen ab, während sie langsamer werden und Energie verlieren. Agamalomals Arbeit legt nahe, dass Ingenieure durch eine leichte Anpassung der Startgeschwindigkeit des Brennstoffs signifikant mehr Energie aus der gleichen Menge an zugeführter Leistung gewinnen können, ohne neue Physik erfinden oder völlig neue Arten von Reaktoren bauen zu müssen.

Seit Jahrzehnten zielen Forscher, die Maschinen zur Steuerung der Proton-Bor-Fusion entwickeln, auf ein spezifisches Energieniveau von 675 Kiloelektronenvolt ab. Diese Zahl entspricht einem scharfen Peak in der Wahrscheinlichkeit, dass ein Proton auf einen Borkern trifft und diesen in drei Heliumpartikel spaltet. Die Logik war geradlinig: Wenn die Reaktion bei dieser Energie am häufigsten stattfindet, sollte die Einspeisung des Brennstoffs genau mit dieser Geschwindigkeit die besten Ergebnisse liefern. Dieser Ansatz ist zum Standard für jedes derzeit verfolgte nicht-thermische Fusionsschema geworden, in der der Glaube, dass die Platzierung der Ionen an dieser Resonanz die Leistungsbilanz maximiert.

Agamalov weist jedoch darauf hin, dass diese Sichtweise ein entscheidendes Detail darüber übersieht, wie diese Maschinen tatsächlich funktionieren. In einem gesteuerten Gerät befindet sich der Brennstoff nicht in einer unbewegten heißen Suppe; er ist ein Strom schneller Teilchen, die in ein Ziel injiziert werden. Sobald sie injiziert werden, fusionieren diese Teilchen nicht sofort und stoppen dann. Stattdessen bewegen sie sich durch den Brennstoff, kollidieren mit Elektronen und verlieren allmählich an Geschwindigkeit – ein Prozess, der als Abbremsen (Slowing Down) bekannt ist. Während dieser gesamten Reise, vom Moment der Injektion bis zu ihrem Stillstand, versuchen sie ständig zu fusionieren. Die gesamte erzeugte Energie hängt nicht nur vom Moment der Injektion ab, sondern von der Summe aller Fusionsversuche, die während des Abbremsens der Teilchen unternommen werden.

Wenn man die gesamte von der Maschine gewonnene Energie im Verhältnis zur aufgewendeten Energie für den Strahl berechnet, ändert sich die Mathematik. Die Analyse zeigt, dass der effizienteste Startpunkt nicht die 675 Kiloelektronenvolt-Resonanz ist, sondern ein etwas höheres Niveau von 0,85 Megaelektronenvolt. Bei dieser höheren Geschwindigkeit verbringen die Teilchen etwas mehr Zeit in dem Energiebereich, in dem die Fusion immer noch recht effektiv ist, und die Kosten für die Beschleunigung auf diese höhere Geschwindigkeit werden durch die zusätzlichen Fusionsreaktionen ausgeglichen, die sie beim Abbremsen auslösen. Die Studie berechnet, dass eine Verschiebung der Injektionsenergie von den traditionellen 675 Kiloelektronenvolt auf 0,85 Megaelektronenvolt den Energiegewinn des Systems um 25 Prozent steigern würde.

Diese Erkenntnis ist bedeutend, da sie keinen Durchbruch in der Materialwissenschaft, eine neue Art der Plasmaeinschließung oder eine Änderung der Magnetfelder, die den Brennstoff halten, erfordert. Es ist eine einfache Anpassung der Spannung des Injektors. Die Arbeit schließt explizit die Idee aus, dass man auf die absolut höchste Energie abzielen sollte, bei der die Fusionsrate theoretisch am schnellsten ist, was nahe 3,7 Megaelektronenvolt der Fall ist. Zwar ist die Reaktionsrate dort in der Tat am höchsten, aber die Energiekosten, um die Teilchen auf diese Geschwindigkeit zu bringen, sind immens, und die Zeit, die sie in weniger produktiven Energiebereichen verbringen, ist so lang, dass die Gesamteffizienz der Maschine im Vergleich zum 0,85-Megaelektronenvolt-Optimum um 40 Prozent sinkt.

Die Forschung stützt sich auf die Integration des bekannten Verhaltens, wie Protonen Energie in einem Elektronengas verlieren, mit den gemessenen Wahrscheinlichkeiten der Fusion bei verschiedenen Geschwindigkeiten. Durch die Durchführung dieser Berechnungen demonstriert der Autor, dass der „Sweet Spot“ für den technischen Gewinn eher ein Plateau als ein scharfer Peak ist, der bequem zwischen der traditionellen Resonanz und dem theoretischen Maximum liegt. Das Ergebnis ist eine klare, unmittelbar umsetzbare Empfehlung für jeden, der eine Proton-Bor-Fusionsmaschine baut: Erhöhen Sie die Spannung leicht. Diese Anpassung bietet eine substantielle, unmittelbar zugängliche Verbesserung der Leistung und verwandelt eine marginale Leistungsbilanz in eine lebensfähigere, einfach durch die Änderung der Injektionsenergie.