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factor de ganancia de energía de fusión

La explosión de la bomba de hidrógeno Ivy Mike . La bomba de hidrógeno fue el primer dispositivo capaz de lograr un factor de ganancia de energía de fusión significativamente ma...

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La explosión de la bomba de hidrógeno Ivy Mike . La bomba de hidrógeno fue el primer dispositivo capaz de lograr un factor de ganancia de energía de fusión significativamente mayor que 1.

El factor de ganancia de energía de fusión , generalmente expresado con el símbolo Q , es la relación entre la potencia de fusión producida en un reactor de fusión nuclear y la potencia necesaria para mantener el plasma en estado estacionario . La condición de Q  =  1, cuando la potencia liberada por las reacciones de fusión es igual a la potencia de calentamiento requerida, se conoce como punto de equilibrio o, en algunas fuentes, punto de equilibrio científico .

La energía liberada por las reacciones de fusión puede ser capturada dentro del combustible, lo que produce autocalentamiento . La mayoría de las reacciones de fusión liberan al menos parte de su energía en una forma que no puede ser capturada dentro del plasma, por lo que un sistema con Q  =  1 se enfriará sin calentamiento externo. Con combustibles típicos, no se espera que el autocalentamiento en los reactores de fusión iguale las fuentes externas hasta que Q  ≈  5. Si Q aumenta más allá de este punto, el aumento del autocalentamiento eventualmente elimina la necesidad de calentamiento externo. En este punto, la reacción se vuelve autosostenible, una condición llamada ignición , y generalmente se considera altamente deseable para diseños prácticos de reactores. La ignición corresponde a Q infinito . [ 1 ]

Con el tiempo, varios términos relacionados se han incorporado al léxico de la fusión. La energía que no se captura dentro del combustible se puede capturar externamente para producir electricidad. Esa electricidad se puede usar para calentar el plasma a temperaturas operativas. Un sistema que se autoalimenta de esta manera se denomina que opera en el punto de equilibrio de ingeniería . Operando por encima del punto de equilibrio de ingeniería, una máquina produciría más electricidad de la que consume y podría vender ese excedente. A una que vende suficiente electricidad para cubrir sus costos operativos se la conoce a veces como punto de equilibrio económico . Además, los combustibles de fusión, especialmente el tritio , son muy caros, por lo que muchos experimentos se realizan con varios gases de prueba como el hidrógeno o el deuterio . Un reactor que funciona con estos combustibles y que alcanza las condiciones de punto de equilibrio si se introdujera tritio se dice que está en el punto de equilibrio extrapolado .

El récord actual de Q más alto en un tokamak (registrado durante la fusión DT real) lo estableció JET en Q = 0,67 en 1997. El récord de Q ext (el valor Q teórico de la fusión DT extrapolado a partir de los resultados de DD) en un tokamak lo ostenta JT-60 , con Q ext = 1,25, superando ligeramente el Q ext = 1,14 anterior de JET . En diciembre de 2022, la Instalación Nacional de Ignición , o NIF, una instalación de confinamiento inercial , alcanzó Q = 1,54 con una salida de 3,15 MJ a partir de un calentamiento láser de 2,05 MJ. [ 2 ] NIF logró la ignición siete veces. La mayor ganancia a partir de 2025de Q = 4,13 produjo 8,6 MJ a partir de 2,08 MJ de energía láser. [ 3 ] [ 4 ]

Concepto

Q [ a ] ​​es la comparación de la potencia liberada por las reacciones de fusión en un reactor, P fus , con la potencia de calentamiento constante suministrada, P heat , en condiciones normales de funcionamiento. Para aquellos diseños que no funcionan en estado estacionario, sino que son pulsados, el mismo cálculo se puede realizar sumando toda la energía de fusión producida en P fus y toda la energía gastada en producir el pulso en P heat . [ b ] Sin embargo, existen varias definiciones de punto de equilibrio que consideran pérdidas de potencia adicionales.

Punto de equilibrio

En 1955, John Lawson fue el primero en explorar en detalle los mecanismos del balance energético, inicialmente en trabajos clasificados pero publicados abiertamente en un ahora famoso artículo de 1957. En este artículo consideró y perfeccionó el trabajo de investigadores anteriores, en particular Hans Thirring , Peter Thonemann y un artículo de revisión de Richard Post . Ampliando todos estos trabajos, el artículo de Lawson hizo predicciones detalladas sobre la cantidad de energía que se perdería a través de varios mecanismos y la comparó con la energía necesaria para mantener la reacción. [ 5 ] Este balance se conoce hoy como el criterio de Lawson .

En un diseño exitoso de reactor de fusión, las reacciones de fusión generan una cantidad de energía denominada P fus . [ c ] Parte de esta energía, P loss , se pierde a través de diversos mecanismos, principalmente la convección del combustible hacia las paredes de la cámara del reactor y diversas formas de radiación que no pueden capturarse para generar energía. Para mantener la reacción en marcha, el sistema debe proporcionar calor para compensar estas pérdidas, donde P loss = P calor para mantener el equilibrio térmico. [ 6 ]

La definición más básica de punto de equilibrio es cuando Q = 1, [ d ] es decir, P fus = P calor .

Punto de equilibrio científico

Con el tiempo, se propusieron nuevos tipos de dispositivos de fusión con diferentes sistemas operativos. Cabe destacar el concepto de fusión por confinamiento inercial (FCI). Los métodos magnéticos, abreviados como FCM, generalmente están diseñados para operar en estado (cuasi)estacionario. Es decir, el plasma se mantiene en condiciones de fusión durante escalas de tiempo mucho mayores que las reacciones de fusión, del orden de segundos o minutos. El objetivo es permitir que la mayor parte del combustible experimente una reacción de fusión. En cambio, las reacciones de FCI duran solo un tiempo del orden de docenas de reacciones de fusión, y en su lugar intentan asegurar que las condiciones sean tales que gran parte del combustible experimente fusión incluso en este lapso de tiempo tan corto. Para ello, los dispositivos de FCI comprimen el combustible a condiciones extremas, donde las reacciones de auto calentamiento ocurren muy rápidamente. [ 7 ]

En un dispositivo MCF, el plasma inicial se genera y mantiene mediante grandes imanes, lo que en los dispositivos superconductores modernos requiere muy poca energía para su funcionamiento. Una vez generado, el estado estacionario se mantiene inyectando calor en el plasma con diversos dispositivos. Estos dispositivos representan la gran mayoría de la energía necesaria para el funcionamiento del sistema. Además, son relativamente eficientes, ya que hasta la mitad de la electricidad suministrada se convierte en energía en el plasma. Por esta razón, el calor P en estado estacionario es prácticamente la totalidad de la energía suministrada al reactor, y la eficiencia de los sistemas de calentamiento generalmente se ignora. Cuando se considera la eficiencia total, esta no suele formar parte del cálculo de Q , sino que se incluye en el cálculo del punto de equilibrio de ingeniería, Q eng (véase más adelante).

En contraste, en los dispositivos ICF la energía necesaria para crear las condiciones requeridas es enorme, y los dispositivos que lo hacen, típicamente láseres , son extremadamente ineficientes, alrededor del 1%. [ 8 ] Si se utilizara una definición similar de calor P , es decir, toda la energía que se alimenta al sistema, entonces los dispositivos ICF son extremadamente ineficientes. Por ejemplo, el NIF utiliza más de 400 MJ (0,11 MWh) de energía eléctrica para producir una salida de 3,15 MJ (0,00088 MWh) , una relación de 127 a 1. A diferencia del MCF, esta energía debe suministrarse para iniciar cada reacción, no solo para poner en marcha el sistema. [ 9 ] [ 10 ]    

Los defensores de la fusión por confinamiento inercial (ICF) señalan que podrían utilizarse "inductores" alternativos que mejorarían esta relación al menos diez veces. Si se intenta comprender las mejoras en el rendimiento de un sistema ICF, entonces lo interesante no es el rendimiento de los inductores, sino el del proceso de fusión en sí. Por lo tanto, es habitual definir el calor P para los dispositivos ICF como la cantidad de energía del inductor que realmente incide sobre el combustible, aproximadamente 2 MJ (0,56 kWh) en el caso de NIF. Utilizando esta definición de calor P , se obtiene un Q de 1,5. Esta es, en última instancia, la misma definición que la utilizada en MCF, pero las pérdidas aguas arriba son menores en esos sistemas y no es necesario hacer distinción.  

Para dejar clara esta distinción, los trabajos modernos a menudo se refieren a esta definición como punto de equilibrio científico , Q sci o a veces Q plasma , para contrastarla con términos similares. [ 11 ] [ 12 ]

Punto de equilibrio extrapolado

Desde la década de 1950, la mayoría de los diseños de reactores de fusión comerciales se han basado en una mezcla de deuterio y tritio como combustible principal; otros combustibles tienen características atractivas, pero son mucho más difíciles de encender. Dado que el tritio es radiactivo, altamente bioactivo y altamente móvil, representa un importante problema de seguridad y aumenta el costo de diseño y operación de dicho reactor. [ 13 ]

Para reducir costos, muchas máquinas experimentales están diseñadas para funcionar únicamente con combustibles de prueba de hidrógeno o deuterio, sin incluir el tritio. En este caso, el término punto de equilibrio extrapolado , Q ext , se utiliza para definir el rendimiento esperado de la máquina que funciona con combustible DT, basándose en el rendimiento cuando funciona únicamente con hidrógeno o deuterio. [ 14 ]

Los registros de punto de equilibrio extrapolado son ligeramente superiores a los registros de punto de equilibrio científico. Tanto JET como JT-60 han alcanzado valores cercanos a 1,25 (véase más abajo para más detalles) al funcionar con combustible DD. Al funcionar con DT, lo cual solo es posible en JET, el rendimiento máximo es aproximadamente la mitad del valor extrapolado. [ 15 ]

Punto de equilibrio de ingeniería

Otro término relacionado, el punto de equilibrio de ingeniería , denotado Q E , Q eng o Q total según la fuente, considera la necesidad de extraer la energía del reactor, convertirla en energía eléctrica y reinyectar parte de ella al sistema de calefacción. [ 14 ] Este circuito cerrado que envía electricidad desde la fusión de vuelta al sistema de calefacción se conoce como recirculación . En este caso, la definición básica cambia al añadir términos adicionales al lado P fus para considerar la eficiencia de estos procesos. [ 16 ]

Las reacciones DT liberan la mayor parte de su energía como neutrones y una cantidad menor como partículas cargadas, como las partículas alfa . Los neutrones son eléctricamente neutros y salen del plasma antes de poder depositar energía en él. Esto significa que solo las partículas cargadas de las reacciones pueden ser capturadas dentro de la masa de combustible y generar autocalentamiento. Si la fracción de la energía liberada en las partículas cargadas es f ch , entonces la potencia en estas partículas es P ch = f ch P fus . Si este proceso de autocalentamiento es perfecto, es decir, si toda P ch es capturada en el combustible, eso significa que la potencia disponible para generar electricidad es la potencia que no se libera en esa forma, o (1  − f ch ) P fus . [ 17 ] 

En el caso de neutrones que transportan la mayor parte de la energía práctica, como ocurre en el combustible DT, esta energía neutrónica normalmente se captura en una " manta " de litio que produce más tritio, el cual se utiliza para alimentar el reactor. Debido a diversas reacciones exotérmicas y endotérmicas , la manta puede tener un factor de ganancia de potencia M R . M R suele estar en el orden de 1,1 a 1,3, lo que significa que también produce una pequeña cantidad de energía. El resultado neto, la cantidad total de energía liberada al medio ambiente y, por lo tanto, disponible para la producción de energía, se denomina P R , la potencia neta de salida del reactor. [ 17 ]

Luego, la manta se enfría y el fluido refrigerante se utiliza en un intercambiador de calor que acciona turbinas de vapor y generadores convencionales . Esa electricidad se reintroduce en el sistema de calefacción. [ 17 ] Cada uno de estos pasos en la cadena de generación tiene una eficiencia que debe considerarse. En el caso de los sistemas de calefacción por plasma,ηhmiat{\displaystyle \eta _{heat}}es del orden del 60 al 70%, mientras que los sistemas de generadores modernos basados ​​en el ciclo Rankine tienenηmilmido{\displaystyle \eta _{elec}}alrededor del 35 al 40%. Combinando estos obtenemos una eficiencia neta del ciclo de conversión de energía en su conjunto,ηnortePAGdo{\displaystyle \eta _{NPC}}, de alrededor de 0,20 a 0,25. Es decir, alrededor del 20 al 25% dePAGR{\displaystyle P_{R}}puede recircularse. [ 17 ]

Por lo tanto, el factor de ganancia de energía de fusión requerido para alcanzar el punto de equilibrio de ingeniería se define como: [ 18 ]Qmi≡PAGfusPAGcalor=1ηcalor⋅Frecirculación⋅ηelectricidad⋅(1−Fch){\displaystyle Q_{E}\equiv {\frac {P_{\text{fus}}}{P_{\text{heat}}}}={\frac {1}{\eta _{\text{heat}}\cdot f_{\text{recirc}}\cdot \eta _{\text{elec}}\cdot (1-f_{\text{ch}})}}}

Para entender cómoQmi{\displaystyle Q_{E}}Se utiliza, consideremos un reactor que opera a 20  MW y Q = 2. Q = 2 a 20 MW implica que el calor P es de 10 MW. De esos 20 MW originales, aproximadamente el 20% son alfas, por lo que, suponiendo una captura completa, 4 MW de calor P se autoabastecen. Necesitamos un total de 10 MW de calentamiento y obtenemos 4 de ellos a través de alfas, por lo que necesitamos otros 6 MW de potencia. De los 20 MW de salida originales, 4 MW quedan en el combustible, por lo que tenemos 16 MW de salida neta. Usando M R de 1,15 para el manto, obtenemos P R de aproximadamente 18,4 MW. Suponiendo un buenηnortePAGdo{\displaystyle \eta _{NPC}}de 0,25, eso requiere 24 MW P R , por lo que un reactor con Q = 2 no puede alcanzar el punto de equilibrio de ingeniería. Con Q = 4 se necesitan 5 MW de calentamiento, 4 de los cuales provienen de la fusión, dejando 1 MW de potencia externa requerida, que puede generarse fácilmente con la salida neta de 18,4 MW. Por lo tanto, para este diseño teórico, Q E está entre 2 y 4.

Considerando las pérdidas y eficiencias del mundo real, los valores Q entre 5 y 8 se suelen indicar para que los dispositivos de confinamiento magnético alcancenQmi=1{\displaystyle Q_{E}=1}, [ 17 ] mientras que los dispositivos inerciales tienen valores dramáticamente más bajos paraηcalor{\displaystyle \eta _{\text{heat}}}y por lo tanto requieren valores Q mucho más altos, del orden de 50 a 100. [ 19 ]

Encendido

A medida que aumenta la temperatura del plasma, la tasa de reacciones de fusión crece rápidamente y, con ella, la tasa de auto-calentamiento. En cambio, las pérdidas de energía no capturables, como los rayos X, no crecen al mismo ritmo. Por lo tanto, en términos generales, el proceso de auto-calentamiento se vuelve más eficiente a medida que aumenta la temperatura, y se necesita menos energía de fuentes externas para mantenerlo caliente. [ 20 ]

Finalmente, el calor P llega a cero, es decir, toda la energía necesaria para mantener el plasma a la temperatura operativa es suministrada por el auto calentamiento, y la cantidad de energía externa que se necesita agregar se reduce a cero. Este punto se conoce como ignición . En el caso del combustible DT, donde solo el 20 % de la energía se libera como partículas alfa que dan lugar al auto calentamiento, esto no puede ocurrir hasta que el plasma libere al menos cinco veces la potencia necesaria para mantenerlo a su temperatura de funcionamiento. [ 20 ]

La ignición, por definición, corresponde a un Q infinito , pero esto no significa que f recircula caiga a cero, ya que los demás disipadores de potencia del sistema, como los imanes y los sistemas de refrigeración, aún necesitan alimentación. Sin embargo, en general, estos son mucho menores que la energía de los calentadores y requieren un f recircula mucho menor . Más importante aún, es más probable que este valor sea casi constante, lo que significa que futuras mejoras en el rendimiento del plasma darán como resultado más energía que se puede utilizar directamente para la generación comercial, en lugar de para la recirculación. [ 21 ]

Punto de equilibrio comercial

La definición final de punto de equilibrio es el punto de equilibrio comercial , que se produce cuando el valor económico de cualquier electricidad neta sobrante después de la recirculación es suficiente para pagar el reactor y todos los procesos para recolectar y transportar reactivos , como tritio y deuterio , al reactor. [ 14 ] Este valor depende tanto del costo de capital del reactor y cualquier costo de financiamiento relacionado con este, sus costos operativos , incluidos el combustible y el mantenimiento, y el precio spot de la energía eléctrica. [ 14 ] [ 22 ]

El punto de equilibrio comercial depende de factores ajenos a la tecnología del reactor en sí, y es posible que incluso un reactor con un plasma completamente encendido que opere muy por encima del punto de equilibrio de ingeniería no genere suficiente electricidad con la rapidez necesaria para ser rentable. [ 23 ] En el sector se debate si alguno de los conceptos principales, como ITER, puede alcanzar este objetivo. Una de las principales razones de estos debates es la actual falta de tecnología y la falta de interés y financiación en el área en su etapa actual. [ 24 ] Los científicos apenas han llegado al punto en el proceso de fusión en el que obtienen una ganancia de energía positiva, lo que significa que la energía producida es ligeramente superior a la energía necesaria para iniciar el proceso de fusión. [ 25 ] Los físicos nucleares están seguros de que existe una cantidad máxima de energía que se puede aprovechar de las reacciones de fusión, pero dicha cantidad máxima se desconoce actualmente. [ 26 ] Con suficiente inversión, es posible aumentar el Q y generar un incremento definitivo en la energía y los beneficios, pero eso no significa que sea suficiente para alcanzar el punto de equilibrio comercial. [ 27 ]

Ejemplo práctico

La mayoría de los diseños de reactores de fusión que se estaban estudiando a partir de 2017se basan en la reacción DT, ya que es, con mucho, la más fácil de encender y es energéticamente densa. [ 28 ] Esta reacción libera la mayor parte de su energía en forma de un único neutrón de alta energía, y solo el 20% de la energía en forma de alfa. Por lo tanto, para la reacción DT, f ch = 0,2. Esto significa que el auto calentamiento no se iguala al calentamiento externo hasta al menos Q = 5. [ 20 ]

Los valores de eficiencia dependen de los detalles del diseño, pero pueden estar en el rango de η calor = 0,7 (70 %) y η electricidad = 0,4 (40 %). El propósito de un reactor de fusión es producir energía, no recircularla, por lo que un reactor práctico debe tener f recirculación = 0,2 aproximadamente. Un valor menor sería mejor, pero será difícil de lograr. Usando estos valores, encontramos para un reactor práctico Q = 22. [ 29 ]

Transitorio vs. continuo

Muchos de los primeros dispositivos de fusión funcionaban durante microsegundos, utilizando algún tipo de fuente de energía pulsada para alimentar su sistema de confinamiento magnético , mientras que la compresión generada por el confinamiento servía como fuente de calor. Lawson definió el punto de equilibrio en este contexto como la energía total liberada por todo el ciclo de reacción en comparación con la energía total suministrada a la máquina durante el mismo ciclo. [ 15 ] [ 29 ]

Con el tiempo, a medida que el rendimiento aumentó en órdenes de magnitud, los tiempos de reacción se extendieron de microsegundos a segundos, e ITER está diseñado para tener disparos que duran varios minutos. En este caso, la definición de "el ciclo de reacción completo" se vuelve difusa. En el caso de un plasma encendido, por ejemplo, el calor P puede ser bastante alto mientras se configura el sistema y luego caer a cero cuando está completamente desarrollado, por lo que uno podría verse tentado a elegir un instante en el tiempo en el que esté operando en su mejor momento para determinar un Q alto, o infinito . Una mejor solución en estos casos es usar la definición original de Lawson promediada sobre la reacción para producir un valor similar a la definición original. [ 15 ]

Existe una complicación adicional. Durante la fase de calentamiento, cuando el sistema alcanza las condiciones operativas, parte de la energía liberada por las reacciones de fusión se utiliza para calentar el combustible circundante y, por lo tanto, no se libera al ambiente. Esto deja de ser cierto cuando el plasma alcanza su temperatura operativa y entra en equilibrio térmico. Por lo tanto, si se promedia sobre todo el ciclo, esta energía se incluirá como parte del término de calentamiento; es decir, parte de la energía capturada para el calentamiento se habría liberado en P fus y, por consiguiente, no es indicativa de un Q operativo . [ 15 ]

Los operadores del reactor JET argumentaron que este aporte debería eliminarse del total: Q∗≡PAGfusPAGcalor−PAGtemperatura{\displaystyle Q^{*}\equiv {\frac {P_{\text{fus}}}{P_{\text{heat}}-P_{\text{temp}}}}} dónde: PAGtemperatura=dWpagdt{\displaystyle P_{\text{temp}}={\frac {dWp}{dt}}}

Es decir, P temp es la potencia aplicada para elevar la energía interna del plasma. Esta es la definición que se utilizó al informar el valor récord de 0,67 de JET. [ 15 ]

Persiste cierto debate sobre esta definición. En 1998, los operadores del JT-60 afirmaron haber alcanzado Q = 1,25 funcionando con combustible DD, logrando así el punto de equilibrio extrapolado. Esta medición se basó en la definición de Q* del JET. Utilizando esta definición, el JET también había alcanzado el punto de equilibrio extrapolado algún tiempo antes. [ 30 ] Si se considera el balance energético en estas condiciones y el análisis de máquinas anteriores, se argumenta que debería utilizarse la definición original, y por lo tanto ambas máquinas permanecen muy por debajo del punto de equilibrio de cualquier tipo. [ 15 ]

Punto de equilibrio científico en NIF

El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), líder en investigación de ICF, utiliza la Q modificada que define P calor como la energía suministrada por el impulsor a la cápsula, en contraposición a la energía suministrada al impulsor por una fuente de alimentación externa. Esta definición produce valores de Q mucho más altos y cambia la definición de punto de equilibrio a P fus / P láser = 1. En ocasiones, se referían a esta definición como "punto de equilibrio científico". [ 31 ] [ 32 ] Este término no se utilizó universalmente; otros grupos adoptaron la redefinición de Q , pero continuaron refiriéndose a P fus = P láser simplemente como punto de equilibrio. [ 33 ]

El 7 de octubre de 2013, LLNL anunció que aproximadamente una semana antes, el 29 de septiembre, había alcanzado el punto de equilibrio científico en la Instalación Nacional de Ignición (NIF). [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] En este experimento, P fus fue aproximadamente 14  kJ, mientras que la salida del láser fue 1,8  MJ. Según su definición anterior, esto sería un Q de 0,0077. Para este comunicado de prensa, redefinieron Q una vez más, esta vez igualando P calor a solo la cantidad de energía entregada a "la porción más caliente del combustible", calculando que solo 10  kJ de la energía láser original llegó a la parte del combustible que estaba experimentando reacciones de fusión. Este comunicado ha sido duramente criticado en el campo. [ 37 ] [ 38 ]

El 17 de agosto de 2021, el NIF anunció que, a principios de agosto de 2021, un experimento había alcanzado un valor Q de 0,7, produciendo 1,35 MJ de energía a partir de una cápsula de combustible al enfocar 1,9 MJ de energía láser sobre la cápsula. El resultado representó un aumento de ocho veces con respecto a cualquier producción de energía anterior. [ 39 ]

El 13 de diciembre de 2022, el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció que NIF había superado el hito, hasta entonces difícil de alcanzar, de Q ≥ 1 el 5 de diciembre de 2022. Esto se logró produciendo 3,15 MJ después de entregar 2,05  MJ al objetivo, para un Q  equivalente de  1,54. [ 40 ] [ 41 ]

Notas

  1. ↑ O muy raramente, Q fus .
  2. ↑ En este caso, "calor" es un término un tanto inapropiado.
  3. ↑ Esto se denotó P R en el artículo original de Lawson, [ 5 ] pero se cambió aquí para que coincidiera con la terminología moderna.
  4. ↑ En el artículo original de Lawson, el término Q se usaba para denotar la energía total liberada por las reacciones de fusión individuales, en MeV, y R se refería al balance de potencia. [ 5 ] Trabajos posteriores usaron Q para referirse al balance de potencia, como se usa en este artículo.

Referencias

Citas

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Bibliografía

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