Fusor

La fusión se produce cuando los núcleos se aproximan a una distancia tal que la fuerza nuclear puede atraerlos hacia un único núcleo más grande. Las cargas positivas de los núcleos se oponen a esta aproximación, separándolos debido a la fuerza electrostática . Para que se produzca la fusión, los núcleos deben tener una energía inicial lo suficientemente grande como para superar esta barrera de Coulomb . Dado que la fuerza nuclear aumenta con el número de nucleones, protones y neutrones, y la fuerza electromagnética aumenta solo con el número de protones, los átomos más fáciles de fusionar son los isótopos de hidrógeno, el deuterio con un neutrón y el tritio con dos. Con combustibles de hidrógeno, se necesitan entre 3 y 10  keV para que tenga lugar la reacción. ^{[ 19 ]}

Los enfoques tradicionales para la energía de fusión generalmente han intentado calentar el combustible a temperaturas donde la distribución de Maxwell-Boltzmann de sus energías resultantes sea lo suficientemente alta como para que algunas de las partículas en la cola larga tengan la energía requerida. ^{[ 19 ]} Lo suficientemente alta en este caso significa que la tasa de las reacciones de fusión produce suficiente energía para compensar las pérdidas de energía al entorno y, por lo tanto, calentar el combustible circundante a las mismas temperaturas y producir una reacción autosostenida conocida como ignición . Los cálculos muestran que esto ocurre a unos 50  millones de kelvin (K), aunque valores más altos del orden de 100 millones de K son deseables en máquinas prácticas. Debido a las temperaturas extremadamente altas, las reacciones de fusión también se denominan termonucleares .   

Cuando los átomos se calientan a temperaturas de miles de grados, los electrones se liberan progresivamente de su núcleo. Esto da lugar a un estado de la materia similar a un gas, conocido como plasma , compuesto por núcleos libres llamados iones y sus antiguos electrones. Dado que el plasma está formado por cargas libres, puede controlarse mediante campos magnéticos y eléctricos. Los dispositivos de fusión utilizan esta capacidad para mantener el combustible a millones de grados.

El fusor forma parte de una clase más amplia de dispositivos que intentan proporcionar al combustible energías relevantes para la fusión mediante la aceleración directa de los iones entre sí. En el caso del fusor, esto se logra mediante fuerzas electrostáticas. Por cada voltio que un ion con carga ±1 es acelerado, gana 1 electronvoltio de energía. Para alcanzar los ~10  keV requeridos, se necesita un voltaje de 10  kV, aplicado a ambas partículas. En comparación, el cañón de electrones de un tubo de rayos catódicos de televisión típico tiene un voltaje del orden de 3 a 6 kV, por lo que la complejidad de dicho dispositivo es bastante limitada. Por diversas razones, se utilizan  energías del orden de 15 keV. Esto corresponde a la energía cinética promedio a una temperatura de aproximadamente 174 millones de Kelvin, una temperatura típica de plasma de fusión por confinamiento magnético .   

El problema con este método de fusión por colisión de haces , en general, es que los iones probablemente nunca chocarán entre sí, por muy precisos que sean los disparos. Incluso la más mínima desalineación provocará que las partículas se dispersen y, por lo tanto, no se fusionen. Es fácil demostrar que la probabilidad de dispersión es varios órdenes de magnitud mayor que la tasa de fusión, lo que significa que la gran mayoría de la energía suministrada a los iones se desperdiciará y las reacciones de fusión que se produzcan no podrán compensar estas pérdidas. Para que un dispositivo de fusión sea energéticamente positivo, debe reciclar estos iones en la masa de combustible para que tengan miles o millones de oportunidades de fusionarse, y su energía debe conservarse al máximo durante este período.

El fusor intenta cumplir este requisito mediante la disposición esférica de su sistema de rejilla aceleradora. Los iones que no se fusionan pasan por el centro del dispositivo y regresan al acelerador en el lado opuesto, donde se aceleran de nuevo hacia el centro. No se pierde energía en esta acción y, en teoría, suponiendo que los cables de la rejilla sean infinitamente delgados, los iones pueden circular indefinidamente sin necesidad de energía adicional. Incluso aquellos que se dispersan simplemente adoptan una nueva trayectoria, salen de la rejilla en algún punto nuevo y se aceleran de nuevo hacia el centro, proporcionando la circulación necesaria para que finalmente se produzca la fusión. ^{[ 20 ]}

Es importante considerar la secuencia de arranque de un fusor para comprender su funcionamiento. Normalmente, el sistema se vacía hasta alcanzar el vacío y luego se introduce una pequeña cantidad de gas en la cámara de vacío. Este gas se expande para llenar el volumen. Al aplicar voltaje a los electrodos, los átomos entre ellos experimentan un campo que provoca su ionización y su aceleración hacia el interior. Dado que los átomos se distribuyen aleatoriamente al inicio, la cantidad de energía que adquieren varía; los átomos cercanos al ánodo adquieren una gran parte del voltaje aplicado, por ejemplo, 15  keV. Los que se encuentran cerca del cátodo adquieren mucha menos energía, posiblemente demasiado baja para fusionarse con sus homólogos situados en el extremo opuesto de la zona de reacción central. ^{[ 20 ]}

Los átomos de combustible dentro del área interna durante el período de arranque no se ionizan. Los iones acelerados se dispersan con estos y pierden su energía, mientras ionizan el átomo previamente frío. Este proceso, junto con la dispersión de otros iones, provoca que las energías iónicas se distribuyan aleatoriamente y que el combustible adquiera rápidamente una distribución no térmica. Por esta razón, la energía necesaria en un sistema de fusor es mayor que en uno donde el combustible se calienta por algún otro método, ya que parte de ella se "pierde" durante el arranque. ^{[ 20 ]}

Los electrodos reales no son infinitamente delgados, y la posibilidad de dispersión en los cables o incluso la captura de iones dentro de los electrodos es un problema significativo que causa altas pérdidas por conducción . Estas pérdidas pueden ser al menos cinco órdenes de magnitud mayores que la energía liberada por la reacción de fusión, incluso cuando el fusor está en modo estrella, lo que minimiza estas reacciones. ^{[ 22 ]}

Existen además otros numerosos mecanismos de pérdida. Entre ellos se incluye el intercambio de carga entre iones de alta energía y partículas neutras de baja energía, lo que provoca que el ion capture el electrón, se vuelva eléctricamente neutro y abandone el fusor al no ser acelerado de vuelta a la cámara. Esto deja tras de sí un átomo recién ionizado de menor energía, enfriando así el plasma. La dispersión también puede aumentar la energía de un ion, permitiéndole pasar el ánodo y escapar; en este ejemplo, cualquier energía superior a 15  keV. ^{[ 20 ]}

Además, la dispersión tanto de los iones como, especialmente, de las impurezas que quedan en la cámara, produce una importante radiación de frenado (Bremsstrahlung ), generando rayos X que transportan energía fuera del combustible. ^{[ 20 ]} Este efecto aumenta con la energía de las partículas, lo que significa que el problema se acentúa a medida que el sistema se acerca a las condiciones de operación relevantes para la fusión. ^{[ 23 ]}

Como resultado de estos mecanismos de pérdida, ningún fusor se ha acercado jamás al punto de equilibrio en la producción de energía y parece que nunca podrá hacerlo. ^{[ 20 ] [ 23 ]}

Las fuentes comunes de alto voltaje son las fuentes flyback de alto voltaje ZVS y los transformadores de letreros de neón . También se le puede llamar acelerador de partículas electrostático .

Los diseños originales de fusores de Farnsworth se basaban en disposiciones cilíndricas de electrodos, como los multipactores originales. El combustible se ionizaba y luego se disparaba desde pequeños aceleradores a través de orificios en los electrodos externos (físicos). Una vez que atravesaban el orificio, se aceleraban hacia la zona de reacción interna a alta velocidad. La presión electrostática de los electrodos cargados positivamente mantenía el combustible alejado de las paredes de la cámara, y los impactos de nuevos iones mantenían el plasma más caliente en el centro. A esto lo denominó confinamiento electrostático inercial , término que se sigue utilizando hoy en día. El voltaje entre los electrodos debe ser de al menos 25 kV para que se produzca la fusión.

Todo este trabajo se había realizado en los laboratorios de Farnsworth Television , que habían sido adquiridos en 1949 por ITT Corporation , como parte de su plan para convertirse en la próxima RCA , y habían sido liderados por Farnsworth. ^{[ 24 ]} Sin embargo, un proyecto de investigación sobre fusión no se consideraba inmediatamente rentable. En 1965, el consejo de administración empezó a pedirle a Harold Geneen que vendiera la división de Farnsworth, pero este consiguió que se aprobara su presupuesto de 1966 con financiación hasta mediados de 1967. Se denegó más financiación, y Farnsworth enfermó y se retiró por motivos médicos, lo que puso fin a los experimentos de ITT con la fusión. ^{[ 24 ]}

Las cosas cambiaron drásticamente con la llegada de Robert Hirsch y la introducción de la patente modificada del fusor Hirsch-Meeks. ^{[ 25 ]} Los nuevos fusores basados ​​en el diseño de Hirsch se construyeron por primera vez entre 1964 y 1967. ^{[ 2 ]} Hirsch publicó su diseño en un artículo en 1967. Su diseño incluía haces de iones para disparar iones a la cámara de vacío. ^{[ 2 ]}

El equipo recurrió entonces a la AEC , encargada en aquel momento de la financiación de la investigación en fusión nuclear, y les proporcionó un dispositivo de demostración montado sobre un carrito de servicio que producía más fusión que cualquier dispositivo "clásico" existente. Los observadores quedaron atónitos, pero el momento no era el adecuado; el propio Hirsch había revelado recientemente los grandes avances que los soviéticos estaban logrando con el tokamak . En respuesta a este sorprendente acontecimiento, la AEC decidió concentrar la financiación en grandes proyectos de tokamak y reducir el apoyo a conceptos alternativos.

George H. Miley, de la Universidad de Illinois, reexaminó el fusor y lo reintrodujo en el campo. Desde entonces, ha persistido un interés bajo pero constante en el fusor. Un avance importante fue la exitosa introducción comercial de un generador de neutrones basado en fusores . Desde 2006 hasta su muerte en 2007, Robert W. Bussard dio charlas sobre un reactor de diseño similar al fusor, ahora llamado polywell , que, según él, sería capaz de generar energía útil. ^{[ 26 ]} Más recientemente, el fusor ha ganado popularidad entre los aficionados, quienes lo eligen como proyecto doméstico debido a sus requisitos relativamente bajos de espacio, dinero y energía. Una comunidad en línea de "fusioneros", el Consorcio de Investigación de Fusores de Código Abierto, o Fusor.net, se dedica a informar sobre los avances en el mundo de los fusores y a ayudar a otros aficionados en sus proyectos. El sitio incluye foros, artículos y documentos sobre el fusor, incluyendo la patente original de Farnsworth, así como la patente de Hirsch de su versión de la invención. ^{[ 27 ]}

La fusión nuclear se refiere a reacciones en las que núcleos más ligeros se combinan para formar núcleos más pesados. Este proceso transforma la masa en energía, la cual, a su vez, puede capturarse para generar energía de fusión . Muchos tipos de átomos pueden fusionarse. Los más fáciles de fusionar son el deuterio y el tritio . Para que se produzca la fusión, los iones deben estar a una temperatura de al menos 4  keV ( kiloelectronvoltios ), o aproximadamente 45  millones de kelvin . La segunda reacción más fácil es la fusión del deuterio consigo mismo. Debido a que este gas es más económico, es el combustible que suelen usar los aficionados. La facilidad para realizar una reacción de fusión se mide por su sección transversal . ^{[ 28 ]}

En tales condiciones, los átomos se ionizan y forman un plasma . La energía generada por fusión dentro de una nube de plasma caliente se puede calcular con la siguiente ecuación. ^{[ 29 ]}

${\displaystyle P_{\text{fusión}}=n_{A}n_{B}\langle \sigma v_{A,B}\rangle E_{\text{fusión}},}$

dónde

${\displaystyle P_{\text{fusión}}}$es la densidad de potencia de fusión (energía por tiempo por volumen),

n es la densidad numérica de la especie A o B (partículas por volumen),

${\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }$es el producto de la sección transversal de colisión σ (que depende de la velocidad relativa) y la velocidad relativa v de las dos especies, promediada sobre todas las velocidades de las partículas en el sistema,

${\displaystyle E_{\text{fusión}}}$es la energía liberada por una sola reacción de fusión.

Esta ecuación muestra que la energía varía con la temperatura, la densidad, la velocidad de colisión y el combustible utilizado. Para alcanzar la potencia neta, las reacciones de fusión deben ocurrir lo suficientemente rápido como para compensar las pérdidas de energía. Cualquier central eléctrica que utilice fusión se mantendrá en esta nube caliente. Las nubes de plasma pierden energía por conducción y radiación . ^{[ 29 ]} La conducción es cuando los iones , electrones o neutros tocan una superficie y se escapan. La energía se pierde con la partícula. La radiación es cuando la energía sale de la nube en forma de luz. La radiación aumenta a medida que aumenta la temperatura. Para obtener potencia neta de la fusión es necesario superar estas pérdidas. Esto conduce a una ecuación para la potencia de salida.

${\displaystyle P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}(P_{\text{fusion}}-P_{\text{conduction}}-P_{\text{radiation}}).}$

dónde:

η es la eficiencia,

${\displaystyle P_{\text{conducción}}}$es la potencia de las pérdidas por conducción a medida que la masa cargada de energía se va,

${\displaystyle P_{\text{radiación}}}$es el poder de las pérdidas de radiación a medida que la energía sale como luz,

${\displaystyle P_{\text{salida}}}$es la potencia neta de la fusión.

John Lawson utilizó esta ecuación para estimar algunas condiciones para la potencia neta ^{[ 29 ]} basándose en una nube maxwelliana . ^{[ 29 ]} Esto se convirtió en el criterio de Lawson . Los fusores suelen sufrir pérdidas por conducción debido a que la jaula de alambre se encuentra en la trayectoria del plasma recirculante.

En el diseño original del fusor, varios aceleradores de partículas pequeños , esencialmente tubos de televisión sin los extremos, inyectan iones a un voltaje relativamente bajo en una cámara de vacío . En la versión Hirsch del fusor, los iones se producen ionizando un gas diluido en la cámara. En ambas versiones hay dos electrodos esféricos concéntricos , el interior cargado negativamente con respecto al exterior (a unos 80 kV). Una vez que los iones entran en la región entre los electrodos, se aceleran hacia el centro.

En el fusor, los iones se aceleran a varios keV mediante los electrodos, por lo que no es necesario calentarlos (siempre que los iones se fusionen antes de perder energía por cualquier proceso). Si bien 45 megakelvin es una temperatura muy alta para cualquier estándar, el voltaje correspondiente es de solo 4 kV, un nivel común en dispositivos como letreros de neón y televisores CRT. En la medida en que los iones mantengan su energía inicial, esta puede ajustarse para aprovechar el pico de la sección transversal de reacción o para evitar reacciones desventajosas (por ejemplo, que producen neutrones) que podrían ocurrir a energías más altas.

Se han realizado diversos intentos para aumentar la tasa de ionización del deuterio, incluyendo calentadores en "cañones de iones" (similares al "cañón de electrones" que constituye la base de los tubos de visualización de los televisores antiguos), así como dispositivos tipo magnetrón (que son las fuentes de energía de los hornos microondas), los cuales pueden mejorar la formación de iones mediante campos electromagnéticos de alto voltaje. Se espera que cualquier método que aumente la densidad iónica (dentro de los límites que preservan el recorrido libre medio de los iones) o la energía iónica, mejore el rendimiento de la fusión, que generalmente se mide en el número de neutrones producidos por segundo.

La facilidad con la que se puede aumentar la energía de los iones parece ser particularmente útil cuando se consideran reacciones de fusión de "alta temperatura" , como la fusión protón-boro , que cuenta con abundante combustible, no requiere tritio radiactivo y no produce neutrones en la reacción primaria.

Los fusores tienen al menos dos modos de operación (posiblemente más): modo estrella y modo halo . El modo halo se caracteriza por un brillo amplio y simétrico, con uno o dos haces de electrones que salen de la estructura. Hay poca fusión. ^{[ 30 ]} El modo halo ocurre en tanques de mayor presión, y a medida que mejora el vacío, el dispositivo pasa al modo estrella. El modo estrella aparece como brillantes haces de luz que emanan del centro del dispositivo. ^{[ 30 ]}

Debido a que el campo eléctrico generado por las jaulas es negativo, no puede atrapar simultáneamente iones con carga positiva y electrones con carga negativa. Por lo tanto, deben existir regiones de acumulación de carga , lo que resultará en un límite superior para la densidad alcanzable. Esto podría limitar la densidad de potencia de la máquina, lo que podría hacerla demasiado baja para la producción de energía.

Cuando los iones caen por primera vez en el centro del fusor, todos tendrán la misma energía, pero la distribución de velocidad se aproximará rápidamente a una distribución de Maxwell-Boltzmann . Esto ocurriría mediante colisiones de Coulomb simples en cuestión de milisegundos, pero las inestabilidades entre haces se producirían órdenes de magnitud más rápido. En comparación, cualquier ion requerirá unos minutos antes de experimentar una reacción de fusión, por lo que la descripción monoenergética del fusor, al menos para la producción de energía, no es apropiada. Una consecuencia de la termalización es que algunos iones ganarán suficiente energía para abandonar el pozo de potencial, llevándose consigo su energía, sin haber experimentado una reacción de fusión.

Existen varios desafíos sin resolver con los electrodos en un sistema de energía de fusor. Para empezar, los electrodos no pueden influir en el potencial interno, por lo que a primera vista parecería que el plasma de fusión estaría en contacto más o menos directo con el electrodo interno, lo que resultaría en la contaminación del plasma y la destrucción del electrodo. Sin embargo, la mayor parte de la fusión tiende a ocurrir en microcanales formados en áreas de potencial eléctrico mínimo, ^{[ 31 ]} vistos como "rayos" visibles que penetran el núcleo. Estos se forman porque las fuerzas dentro de la región corresponden a "órbitas" aproximadamente estables. Aproximadamente el 40% de los iones de alta energía en una rejilla típica que opera en modo estrella pueden estar dentro de estos microcanales. ^{[ 32 ]} No obstante, las colisiones de rejilla siguen siendo el principal mecanismo de pérdida de energía para los fusores de Farnsworth-Hirsch. Un problema que complica las cosas es el desafío de enfriar el electrodo central; cualquier fusor que produzca suficiente energía para alimentar una central eléctrica parece destinado a destruir también su electrodo interno. Como limitación fundamental, cualquier método que produzca un flujo de neutrones que se capture para calentar un fluido de trabajo también bombardeará sus electrodos con ese flujo, calentándolos igualmente.

Entre los intentos por resolver estos problemas se incluyen el sistema Polywell de Bussard , el método de trampa de Penning modificado de DC Barnes y el fusor de la Universidad de Illinois, que conserva las rejillas pero intenta concentrar los iones con mayor precisión en microcanales para evitar pérdidas. Si bien los tres son dispositivos de confinamiento electrostático inercial (IEC), solo el último es propiamente un "fusor".

Las partículas cargadas irradian energía en forma de luz cuando cambian de velocidad. ^{[ 33 ]} Esta tasa de pérdida puede estimarse para partículas no relativistas utilizando la fórmula de Larmor . Dentro de un fusor hay una nube de iones y electrones . Estas partículas se aceleran o desaceleran al moverse. Estos cambios de velocidad hacen que la nube pierda energía en forma de luz. La radiación de un fusor puede estar (al menos) en el espectro visible , ultravioleta y de rayos X , dependiendo del tipo de fusor utilizado. Estos cambios de velocidad pueden deberse a interacciones electrostáticas entre partículas (ión con ión, ión con electrón, electrón con electrón). Esto se conoce como radiación de frenado y es común en los fusores. Los cambios de velocidad también pueden deberse a interacciones entre la partícula y el campo eléctrico. Dado que no hay campos magnéticos, los fusores no emiten radiación ciclotrónica a bajas velocidades ni radiación sincrotrónica a altas velocidades.

En « Limitaciones fundamentales en sistemas de fusión de plasma que no están en equilibrio termodinámico» , Todd Rider argumenta que un plasma isotrópico cuasineutral perderá energía debido a la radiación de frenado a una tasa prohibitiva para cualquier combustible que no sea DT (o posiblemente DD o D-He3). Este artículo no es aplicable a la fusión IEC, ya que un plasma cuasineutral no puede ser contenido por un campo eléctrico, que es una parte fundamental de la fusión IEC. Sin embargo, en un artículo anterior, «Una crítica general de los sistemas de fusión por confinamiento electrostático inercial» , Rider aborda directamente los dispositivos IEC comunes, incluido el fusor. En el caso del fusor, los electrones generalmente se separan de la masa del combustible aislado cerca de los electrodos, lo que limita la tasa de pérdida. Sin embargo, Rider demuestra que los fusores prácticos operan en una gama de modos que conducen a una mezcla y pérdidas significativas de electrones, o bien a densidades de potencia más bajas. Esto parece ser una especie de círculo vicioso que limita la producción de cualquier sistema tipo fusor.

La construcción y el funcionamiento de un fusor implican varias consideraciones clave de seguridad. En primer lugar, está el alto voltaje involucrado. En segundo lugar, están las posibles emisiones de rayos X y neutrones. Asimismo, existen consideraciones sobre la publicidad y la desinformación ante las autoridades locales y reguladoras.

Se ha demostrado que el fusor es una fuente de neutrones viable . Los fusores típicos no pueden alcanzar flujos tan altos como los de un reactor nuclear o un acelerador de partículas , pero son suficientes para muchos usos. Es importante destacar que el generador de neutrones se coloca fácilmente sobre una mesa de trabajo y se puede apagar con solo pulsar un interruptor. Entre 1996 y principios de 2001 , DaimlerChrysler Aerospace – Space Infrastructure, Bremen, desarrolló un fusor comercial como actividad secundaria. ^{[ 9 ]} Tras la finalización del proyecto, el antiguo director del proyecto fundó una empresa llamada NSD-Fusion. ^{[ 12 ]} Hasta la fecha, el mayor flujo de neutrones alcanzado por un dispositivo similar a un fusor ha sido de 3 × ^10¹¹ neutrones por segundo con la reacción de fusión deuterio-deuterio. ^{[ 10 ]}

Las empresas emergentes comerciales han utilizado los flujos de neutrones generados por los fusores para generar Mo-99 , un precursor del Tecnecio-99m , un isótopo utilizado en atención médica. ^{[ 10 ] [ 11 ]}