Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

fusión de haces colisionantes

La fusión por colisión de haces ( CBF ), o reactor de fusión por colisión de haces ( CBFR ), es una clase de conceptos de energía de fusión que se basan en dos o más haces de io...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

La fusión por colisión de haces ( CBF ), o reactor de fusión por colisión de haces ( CBFR ), es una clase de conceptos de energía de fusión que se basan en dos o más haces de iones de combustible de fusión que se cruzan y se aceleran independientemente a energías de fusión utilizando diversos diseños de aceleradores de partículas u otros medios. Uno de los haces puede ser reemplazado por un blanco estático, en cuyo caso el enfoque se denomina fusión basada en acelerador o fusión haz-blanco , pero la física es la misma que la de los haces colisionantes. [ 1 ]

El CBFR ofrece métodos más eficientes para proporcionar la energía de activación para la fusión, al acelerar directamente partículas individuales en lugar de calentar un combustible a granel. Los reactivos del CBFR son intrínsecamente no térmicos, lo que les confiere ventajas, especialmente la capacidad de transportar directamente la energía suficiente para superar la barrera de Coulomb de los combustibles de fusión aneutrónicos . Esto los hace atractivos para su uso con combustibles alternativos como el protón-boro, que no puede emplearse en diseños tradicionales.

Los reactores de fusión por confinamiento magnético (CBFR) presentan varios problemas que han limitado su consideración como candidatos para la energía de fusión . Cuando dos iones colisionan, es más probable que se dispersen que se fusionen. Los reactores de fusión por confinamiento magnético superan este problema utilizando un plasma masivo y confinándolo durante un tiempo determinado, de modo que los iones tengan miles de oportunidades de colisionar. La colisión de dos haces da a los iones poco tiempo para interactuar antes de que los haces se separen. Esto limita la cantidad de energía de fusión que puede generar una máquina de haz-haz.

Diversos diseños han intentado subsanar las deficiencias de los CBFR anteriores, como Migma , MARBLE, MIX y otros conceptos basados ​​en haces. Estos buscan superar los desafíos fundamentales de los CBFR mediante la aplicación de ondas de radio , la agrupación de haces, el aumento de la recirculación o la aplicación de efectos cuánticos. Sin embargo, ninguno de estos enfoques ha tenido éxito hasta el momento.

Fusión convencional

La fusión se produce cuando los átomos se aproximan y la fuerza nuclear atrae sus núcleos para formar un único núcleo más grande. Este proceso se contrarresta con la carga positiva de los núcleos, que se repelen entre sí debido a la fuerza electrostática . Para que se produzca la fusión, los núcleos deben tener suficiente energía para superar esta barrera de Coulomb . La barrera es menor para los átomos con menor carga positiva: aquellos con menos protones en el núcleo. La fuerza nuclear aumenta con el número de nucleones: el número total de protones y neutrones . Esto significa que una combinación de deuterio y tritio tiene la barrera de Coulomb más baja, de aproximadamente 100  keV (véanse los requisitos para la fusión ). [ 2 ]

Cuando el combustible se calienta a altas energías, los electrones se disocian de los núcleos, que quedan como iones y electrones individuales mezclados en un plasma gaseoso . Las partículas en un gas se distribuyen en un amplio rango de energías en un espectro conocido como distribución de Maxwell-Boltzmann . A cualquier temperatura dada, la mayoría de las partículas tienen energías bajas, con una " cola larga " que contiene un número menor de partículas a energías mucho más altas. Así, aunque 100  keV representan una temperatura de más de mil millones de grados, para producir eventos de fusión, el combustible no necesita calentarse a esta temperatura en su totalidad: algunas reacciones ocurrirán incluso a temperaturas más bajas debido a la pequeña cantidad de partículas de alta energía en la mezcla. [ 2 ]

A medida que las reacciones de fusión liberan grandes cantidades de energía, y parte de esa energía se deposita de nuevo en el combustible, estas reacciones calientan el combustible. Existe una temperatura crítica en la que la velocidad de las reacciones, y por lo tanto la energía depositada, compensa las pérdidas al entorno. En este punto, la reacción se vuelve autosostenible, un punto conocido como ignición . Para el combustible DT, esa temperatura se encuentra entre 50 y 100  millones  de grados. La velocidad global de fusión y la liberación neta de energía dependen de la combinación de temperatura, densidad y tiempo de confinamiento de energía, conocida como el triple producto de fusión . [ 2 ]

Se han desarrollado dos enfoques principales para abordar el problema de la energía de fusión . En el enfoque de confinamiento inercial , el combustible se comprime rápidamente a densidades extremadamente altas, lo que también aumenta la temperatura interna mediante el proceso adiabático . No se intenta mantener estas condiciones durante ningún período de tiempo; el combustible explota hacia afuera tan pronto como se libera la fuerza externa. El tiempo de confinamiento es del orden de microsegundos, por lo que las temperaturas y la densidad deben ser muy altas para que una cantidad apreciable de combustible experimente fusión. Este enfoque ha tenido éxito en la producción de reacciones de fusión, pero hasta la fecha, los dispositivos que pueden proporcionar la compresión, típicamente láseres , requieren mucha más energía de la que producen las reacciones. [ 2 ]

El método más estudiado es el confinamiento magnético . Dado que el plasma está cargado eléctricamente, seguirá las líneas de fuerza magnéticas y una disposición adecuada de campos puede mantener el combustible alejado de las paredes del contenedor. El combustible se calienta durante un período prolongado hasta que parte del combustible en la cola comienza a fusionarse. A las temperaturas y densidades que se pueden alcanzar con imanes, el proceso de fusión es bastante lento, por lo que este método requiere largos tiempos de confinamiento del orden de decenas de segundos o minutos. Confinar un gas a millones de grados durante este tipo de escala temporal ha resultado difícil, aunque las máquinas experimentales modernas se están acercando a las condiciones necesarias para la producción neta de energía, o " punto de equilibrio ". [ 2 ]

Aceleración directa

Los niveles de energía necesarios para superar la barrera de Coulomb, de unos 100  keV para el combustible DT, corresponden a millones de grados, pero se encuentran dentro del rango de energía que pueden proporcionar incluso los aceleradores de partículas más pequeños . Por ejemplo, el primer ciclotrón , construido en 1932, era capaz de producir 4,8  MeV en un dispositivo que cabía sobre una mesa. [ 3 ]

Las primeras reacciones de fusión terrestres se crearon con un dispositivo de este tipo en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge . En 1934, Mark Oliphant , Paul Harteck y Ernest Rutherford utilizaron un nuevo tipo de fuente de alimentación para un dispositivo similar a un cañón de electrones, que disparaba núcleos de deuterio contra una lámina metálica impregnada con deuterio , litio u otros elementos ligeros. Este aparato les permitió estudiar la sección transversal nuclear de las diversas reacciones, y fue su trabajo el que produjo la  cifra de 100 keV. [ 4 ]

La probabilidad de que un deuterón cualquiera impacte contra uno de los átomos de deuterio en la lámina metálica es prácticamente nula. El experimento solo tuvo éxito porque se prolongó durante periodos prolongados, y las raras reacciones que se produjeron fueron tan intensas que resultaron inconfundibles. Sin embargo, como base para un sistema de producción de energía, simplemente no funcionaría; la gran mayoría de los deuterones acelerados atraviesan la lámina sin colisionar, y toda la energía empleada en su aceleración se pierde. El reducido número de reacciones que se producen libera mucha menos energía que la que se introduce en el acelerador. [ 4 ] [ 1 ]

Un concepto algo relacionado fue explorado por Stanislaw Ulam y Jim Tuck en Los Alamos poco después de la Segunda Guerra Mundial . En este sistema, se infundió deuterio en metal como en los experimentos Cavendish, pero luego se le dio forma de cono y se insertó en ojivas de carga hueca . Dos de estas ojivas se apuntaron una contra la otra y se dispararon, formando chorros de metal deuterado que se movían rápidamente y colisionaban. Estos experimentos se llevaron a cabo en 1946, pero no arrojaron ninguna evidencia de reacciones de fusión. [ 5 ]

Sistemas de haz-blanco

Para ilustrar la dificultad de construir un sistema de fusión de haz-blanco, consideraremos un combustible de fusión prometedor, el ciclo protón-boro, o p-B11. [ 6 ]

El boro se puede transformar en bloques sólidos de alta pureza, y los protones se producen fácilmente ionizando gas hidrógeno . Estos protones se pueden acelerar e impactar en el bloque de boro, y las reacciones liberan varias partículas alfa . Estas se pueden recolectar en un sistema electrostático para generar electricidad directamente, sin necesidad de utilizar un ciclo Rankine ni un sistema similar impulsado por calor. Dado que las reacciones no generan neutrones directamente, también presentan numerosas ventajas prácticas en materia de seguridad. [ 7 ]

La probabilidad de una colisión se maximiza cuando los protones tienen una energía de aproximadamente 675  keV. Al fusionarse, los alfas se llevan un total de 8,7  MeV. Parte de esa energía, 0,675  MeV, debe reciclarse en el acelerador para producir nuevos protones y continuar el proceso, y es improbable que la generación y aceleración tengan una eficiencia superior al 50 %. Esto deja aún suficiente energía neta para cerrar el ciclo. Sin embargo, esto supone que cada protón provoca un evento de fusión, lo cual no ocurre. Considerando la probabilidad de una reacción, el ciclo resultante es:

E neto = 8,7  MeVζ p ζ B - 0,675  MeV [ 8 ]

donde ζ p y ζ B son las probabilidades de que un protón o un átomo de boro determinado experimente una reacción. Reordenando, podemos demostrar que:

ζ p ζ B = 0,67  MeV / 8,6  MeV = 1 ⁄ 13 [ 8 ]

Eso significa que , para alcanzar el punto de equilibrio, el sistema necesita que al menos 1/13 de las partículas se fusionen. Para asegurar que un protón tenga la oportunidad de colisionar con un átomo de boro, debe pasar por muchos átomos de boro. La tasa de colisión es:

n eventos = σ ρ d [ 8 ]

donde σ es la sección transversal nuclear entre un protón y el boro, ρ es la densidad del boro y d es la distancia promedio que el protón recorre a través del boro antes de experimentar una reacción de fusión. Para el p-B11, σ es 0,9 × 10⁻²⁴  cm⁻² , ρ es 2,535 g/cm³ , y por lo tanto d ~ 8 cm. Sin embargo, al atravesar el bloque , el protón ioniza los átomos de boro que encuentra a su paso, lo que lo ralentiza. A 0,675 MeV, este proceso ralentiza el protón a energías sub-keV en aproximadamente 10⁻⁴ cm , muchos órdenes de magnitud menos de lo necesario. [ 8 ]    

rayos que colisionan

Las cosas pueden mejorarse un poco utilizando dos aceleradores que se disparan entre sí en lugar de un solo acelerador y un blanco fijo. En este caso, el segundo combustible, el boro en el ejemplo anterior, ya está ionizado, por lo que se elimina la "resistencia de ionización" que experimentan los protones al entrar en el bloque sólido. [ 9 ]

En este caso, sin embargo, el concepto de longitud de interacción característica carece de sentido, ya que no existe un objetivo sólido. En cambio, para este tipo de sistemas, la medida típica consiste en utilizar la luminosidad del haz , L, un término que combina la sección transversal de reacción con el número de eventos. El término se define normalmente como:

L = 1 / σ d N / d t [ 10 ]​​​

Para esta discusión, la reorganizaremos para extraer la frecuencia de colisión:

⁠ d N / d t ⁠ = σ L [ 10 ]

Cada una de estas colisiones producirá 8,7  MeV, por lo que multiplicando por dN / dt se obtiene la potencia. Para generar N colisiones se requiere una luminosidad L, y para generar L se requiere potencia, por lo que se puede calcular la cantidad de potencia necesaria para producir una L dada mediante:

L = ⁠ P / σ 8,76 MeV ⁠  [ 11 ]

Si establecemos P en 1  MW, equivalente a una pequeña turbina eólica , esto requiere una L de 10 42  cm −2 s −1 . [ 10 ] En comparación, el récord mundial de luminosidad establecido por el Gran Colisionador de Hadrones en 2017 fue de 2,06 × 10 34  cm −2 s −1 , más de siete órdenes de magnitud inferior. [ 12 ]

vigas que se cruzan

Dadas las secciones transversales de interacción extremadamente bajas, el número de partículas necesarias en la zona de reacción es enorme, muy superior a cualquier tecnología existente. Sin embargo, esto supone que las partículas en cuestión solo pasan una vez por el sistema. Si las partículas que no colisionan pueden reciclarse de forma que se conserve su energía y tengan múltiples oportunidades de colisionar, se puede reducir el desequilibrio energético. [ 9 ]

Una posible solución sería colocar la zona de reacción de un sistema de dos haces entre los polos de un potente imán. El campo provocaría que las partículas cargadas eléctricamente se desviaran en trayectorias circulares y volvieran a entrar en la zona de reacción. Sin embargo, estos sistemas desenfocan las partículas de forma natural, por lo que no las guiarían de vuelta a sus trayectorias originales con la precisión suficiente para obtener las densidades deseadas. [ 9 ]

Una mejor solución es usar un anillo de almacenamiento dedicado que incluya sistemas de enfoque para mantener la precisión del haz. Sin embargo, estos solo aceptan partículas en una selección relativamente estrecha de trayectorias originales. Si dos partículas se acercan y se dispersan en un ángulo, ya no se reciclarán en el área de almacenamiento. [ 1 ] Es fácil demostrar que la tasa de pérdida por tales dispersiones es mucho mayor que la tasa de fusión. [ 13 ] Se han hecho muchos intentos para abordar este problema de dispersión.

Migma

El dispositivo Migma es quizás el primer intento significativo de resolver el problema de la recirculación. Utiliza un sistema de almacenamiento que, en efecto, consistía en un número infinito de anillos de almacenamiento dispuestos en diferentes ubicaciones y ángulos. Esto no se logra mediante componentes adicionales ni configuraciones de hardware, sino mediante una cuidadosa disposición de los campos magnéticos dentro de una cámara de vacío cilíndrica ancha pero plana. Solo se perderían los iones que experimentaran eventos de dispersión de ángulo muy alto, y los cálculos sugieren que la tasa de estos eventos era tal que cualquier ion dado pasaría por el área de reacción 10⁸ veces antes de dispersarse. Esto sería suficiente para mantener una salida de energía positiva. [ 14 ]

Se construyeron varios dispositivos Migma que mostraron cierto potencial, pero el proyecto no avanzó más allá de dispositivos de tamaño moderado. Surgieron varias preocupaciones teóricas basadas en consideraciones sobre el límite de carga espacial , lo que sugería que aumentar la densidad del combustible a niveles útiles requeriría imanes enormes para confinarlo. Durante las rondas de financiación, el sistema se vio envuelto en un acalorado debate con las diversas agencias de energía y su desarrollo posterior finalizó en la década de 1980. [ 15 ]

Tri-Alfa

TAE Technologies , antes conocida como Tri-Alpha Energy (TAE), está intentando un concepto similar , basado en gran medida en las ideas de Norman Rostoker, profesor de la Universidad de California, Irvine . Las primeras publicaciones de principios de la década de 1990 muestran dispositivos que utilizan anillos de almacenamiento convencionales que se cruzan y sistemas de reenfoque, pero documentos posteriores de 1996 utilizan un sistema muy diferente que dispara iones de combustible en una configuración de campo invertido (FRC). [ 16 ]

El FRC es una disposición autoestable de plasma cuya geometría se asemeja a una mezcla de un anillo de vórtice y un tubo de paredes gruesas. Los campos magnéticos mantienen las partículas atrapadas entre las paredes del tubo, circulando rápidamente. TAE pretende primero producir un FRC estable y luego usar aceleradores para inyectar iones de combustible adicionales en él, de modo que queden atrapados. Los iones compensan las pérdidas radiativas del FRC e inyectan mayor helicidad magnética para mantener su forma. Los iones de los aceleradores colisionan para producir fusión. [ 16 ]

Cuando se reveló el concepto por primera vez, recibió varias críticas negativas en las revistas. [ 17 ] [ 18 ] Estos problemas se explicaron y se procedió a la construcción de varios dispositivos experimentales pequeños. A partir de 2018El mejor rendimiento reportado del sistema está aproximadamente entre 10 y 12 veces por debajo del punto de equilibrio. A principios de 2019, se anunció que el sistema se desarrollaría utilizando combustibles DT convencionales y la empresa cambió su nombre a TAE. [ 19 ]

Confinamiento electrostático inercial

Se proponen varios tipos de dispositivos de confinamiento electrostático inercial (IEC, por sus siglas en inglés) como reactores.

Fusor

El ejemplo clásico de un dispositivo IEC es un fusor . Un fusor típico tiene dos jaulas metálicas esféricas, una dentro de la otra, en el vacío. Se aplica un alto voltaje entre las dos jaulas. Se inyecta gas combustible. [ 20 ] [ 21 ] El combustible se ioniza y se acelera hacia la jaula interior. Los iones que no alcanzan la jaula interior pueden fusionarse.

Los fusores no se consideran parte de la familia CBFR, porque tradicionalmente no utilizan haces de partículas.

El fusor presenta numerosos problemas como reactor de fusión nuclear . Uno de ellos es que las rejillas eléctricas se cargan hasta el punto de generar una fuerte fuerza mecánica que las atrae entre sí, lo que limita el tamaño mínimo de los materiales de la rejilla. Esto resulta en una tasa mínima de colisiones entre los iones y las rejillas, lo que provoca la pérdida de energía del sistema. Además, estas colisiones desprenden partículas metálicas que caen en el combustible, causando una rápida pérdida de energía por radiación. Es posible que incluso el material de rejilla más pequeño posible sea lo suficientemente grande como para que las colisiones con los iones extraigan energía del sistema a un ritmo mayor que la tasa de fusión. Asimismo, existen varios mecanismos de pérdida que sugieren que la radiación de rayos X de dicho sistema también extraerá energía a un ritmo mayor que el que la fusión puede suministrar. [ 21 ]

Cuerpo N

En 2017, la Universidad de Maryland simuló un sistema de haces de N cuerpos para determinar si los haces de iones recirculantes podían alcanzar las condiciones de fusión. Los modelos demostraron que el concepto tenía limitaciones fundamentales, ya que no podía alcanzar las densidades suficientes necesarias para la energía de fusión.

Polywell

Robert Bussard intentó evitar los problemas de colisión de la rejilla en su diseño Polywell . Este diseño utiliza configuraciones de campo magnético en forma de cúspide para producir "electrodos virtuales" formados por electrones atrapados. El resultado es un campo acelerador similar al producido por los cables de la rejilla en el fusor, pero sin cables. Si bien son posibles las colisiones con los electrones en los electrodos virtuales, a diferencia del fusor, estas no causan pérdidas por desprendimiento de iones metálicos. [ 22 ]

El mayor defecto del polywell es su capacidad para mantener un plasma negativo durante un tiempo significativo. En la práctica, cualquier cantidad significativa de carga negativa desaparece rápidamente. Además, un análisis realizado por Todd Rider en 1995 sugiere que cualquier sistema con plasmas en desequilibrio sufrirá pérdidas rápidas de energía por bremsstrahlung . El bremsstrahlung se produce cuando una partícula cargada se acelera rápidamente, emitiendo rayos X y, por lo tanto, perdiendo energía. En el caso de los dispositivos IEC, incluidos el fusor y el polywell, las colisiones entre los iones recientemente acelerados que entran en la zona de reacción y los iones y electrones de baja energía forman un límite inferior para el bremsstrahlung que parece ser mucho mayor que cualquier posible tasa de fusión. [ 23 ]

Notas

Referencias

Citas

  1. 1 2 3 Tecnología de aceleradores . Aceleración y detección de partículas. 2020. doi : 10.1007/978-3-030-62308-1 . ISBN 978-3-030-62307-4. S2CID 229610872 . 
  2. 1 2 3 4 5 WNA 2019 .
  3. ↑ "Los primeros ciclotrones" . Instituto Americano de Física .
  4. 1 2 Oliphant, Harteck y Rutherford 1934 .
  5. ↑ Tuck 1958 .
  6. ↑ Ruggiero 1992 , pág. 1.
  7. ↑ Ruggiero 1992 , págs. 1, 2.
  8. 1 2 3 4 Ruggiero 1992 , pág. 3.
  9. 1 2 3 Ruggiero 1992 , pág. 4.
  10. 1 2 3 Ruggiero 1992 , pág. 5.
  11. ↑ Ruggiero 1992 , pág. 7.
  12. ↑ Pralavorio, Corinne (13 de noviembre de 2017). "La ejecución de protones de 2017 del LHC ha finalizado con una luminosidad récord" . CERN .
  13. ↑ Lampe, Martin; Manheimer, Wallace (1998). Comentarios sobre el reactor de fusión de haces colisionantes propuesto por Rostoker, Binderbauer y Monkhorst para su uso con la reacción de fusión p - B11 (PDF) (Informe técnico). Laboratorio de Investigación Naval.
  14. ^ Maglich 1973 , págs .
  15. ↑ Pliegue 1989 .
  16. ^ Rostoker , Binderbauer y Monkhorst 1997 .
  17. ↑ Nevins y Carlson 1998 .
  18. ↑ Wong .
  19. ↑ McMahon 2019 .
  20. ↑ Spangler 2013 .
  21. 1 2 Fusor .
  22. ↑ NBC 2013 .
  23. ↑ Rider 1995 .

Bibliografía

  • Crease, Robert (27 de noviembre de 1989). "La cruzada de un físico visionario sirve como lección de futilidad" . The Scientist .
  • Maglich, Bogdan (1973). "El principio Migma de fusión controlada". Nuclear Instruments and Methods . 111 (2): 213– 235. Bibcode : 1973NucIM.111..213M . doi : 10.1016/0029-554X(73)90068-2 .
  • McMahon, Jeff (14 de enero de 2019). "Energía de fusión en 'un par de años', dice el director ejecutivo, comercialización en cinco" . Forbes .
  • Nevins, WM; Carlson, A. (17 de julio de 1998). "Viabilidad de un reactor de fusión por colisión de haces" . Science . 281 (5375): 307. Bibcode : 1998Sci...281..307C . doi : 10.1126/science.281.5375.307a .
  • Rider, Todd (junio de 1995). "Una crítica general de los sistemas de fusión por confinamiento electrostático inercial" (PDF) . Physics of Plasmas . 2 (6): 1853– 1872. Bibcode : 1995PhPl....2.1853R . doi : 10.1063/1.871273 . hdl : 1721.1/29869 . S2CID 12336904 . 
  • Rostoker, Norman; Binderbauer, Michl; Monkhorst, Hendrik (21 de noviembre de 1997). "Reactor de fusión por colisión de haces". Science . 278 (5342): 1419– 1422. Bibcode : 1997Sci...278.1419R . doi : 10.1126/science.278.5342.1419 . PMID 9367946 . 
  • Ruggiero, Alessandro (septiembre de 1992). Fusión nuclear de protones con boro (PDF) . Conferencia sobre perspectivas de la fusión inercial de iones pesados. Aghia Pelaghia, Creta, Grecia.
  • Spangler, Dan (1 de noviembre de 2013). "Make a Fusor" . Make . Vol.  36. pág.  90.
  • "El Fusor: un método conocido desde hace mucho tiempo" . Universidad Tecnológica de Eindhoven .
  • Wong, H. Vernon; Breizman, BN; Van Dam, JW. Reactor de fusión por colisión de haces protón-boro (p − B11) (PDF) (Informe técnico). Instituto de Estudios de Fusión, Universidad de Texas en Austin.
  • "Proyecto de fusión nuclear de bajo costo sale a la luz y busca financiación" . NBC News . 14 de junio de 2013.
  • Oliphant, ML; Harteck, P.; Rutherford, E. (17 de marzo de 1934). "Efectos de transmutación observados con hidrógeno pesado" . Nature . 133 (413): 413. Bibcode : 1934Natur.133..413O . doi : 10.1038/133413a0 . S2CID 4078529 . 
  • Tuck, James (1958). Revisión de la investigación termonuclear controlada en Los Alamos para mediados de 1958 (Informe técnico). Los Alamos. CiteSeerX 10.1.1.455.1581 . 
  • "Energía de fusión nuclear" . Asociación Nuclear Mundial . Julio de 2019.