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Fusión catalizada por muones

La fusión catalizada por muones (abreviada μCF o MCF ) es un proceso que permite que la fusión nuclear ocurra a temperaturas significativamente más bajas que las necesarias para...

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La fusión catalizada por muones (abreviada μCF o MCF ) es un proceso que permite que la fusión nuclear ocurra a temperaturas significativamente más bajas que las necesarias para la fusión termonuclear , incluso a temperatura ambiente o inferior. Es uno de los pocos métodos conocidos para catalizar reacciones de fusión nuclear.

Los muones son partículas subatómicas inestables , similares a los electrones pero 207 veces más masivas. Si un muón reemplaza a uno de los electrones en una molécula de hidrógeno , los núcleos se acercan 186 veces más que en una molécula normal, [ 1 ] [ 2 ] debido a que la masa reducida es 186 veces mayor que la de un electrón. Al acercarse los núcleos, aumenta la probabilidad de fusión, hasta el punto de que puede ocurrir un número significativo de eventos de fusión a temperatura ambiente.

Sin embargo, los métodos para obtener muones requieren mucha más energía de la que pueden producir las reacciones de fusión resultantes. Los muones tienen una vida media de2,2 μs  , mucho más largo que el de muchas otras partículas subatómicas, pero aun así demasiado breve para permitir su almacenamiento útil. [ 3 ]

Para crear una fusión útil a temperatura ambiente catalizada por muones, los reactores necesitarían una fuente de muones barata y eficiente y/o una forma de que cada muón individual catalice muchas más reacciones de fusión.

Historia

Andrei Sakharov y FC Frank [ 4 ] predijeron el fenómeno de la fusión catalizada por muones sobre bases teóricas antes de 1950. Yakov Borisovich Zel'dovich [ 5 ] también escribió sobre el fenómeno de la fusión catalizada por muones en 1954. Luis W. Alvarez et al., [ 6 ] al analizar el resultado de algunos experimentos con muones incidentes en una cámara de burbujas de hidrógeno en Berkeley en 1956, observaron la catálisis por muones de la fusión nuclear exotérmica p–d, de protón y deuterón , que resulta en un helio , un rayo gamma y una liberación de aproximadamente 5,5  MeV de energía. Los resultados experimentales de Alvarez, en particular, impulsaron a John David Jackson a publicar uno de los primeros estudios teóricos completos de la fusión catalizada por muones en su innovador artículo de 1957. [ 7 ] Este artículo contenía las primeras especulaciones serias sobre la liberación de energía útil de la fusión catalizada por muones. Jackson concluyó que sería poco práctico como fuente de energía, a menos que se pudiera resolver el "problema de adherencia alfa" (véase más abajo), lo que podría conducir a una forma energéticamente más barata y eficiente de utilizar muones catalizadores. [ 7 ]

A partir de 2026Al menos dos empresas están desarrollando reactores de fusión catalizados por muones, ambos alimentados por reacciones de deuterio - tritio : Acceleron Fusion, en Estados Unidos, fundada en 2008 como parte de NK Labs, LLC, y luego escindida en 2022, [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] y Norrønt AS, en Noruega, fundada en 2016 como Ultrafusion Nuclear Power, y luego fusionada con Norrønt en 2017. [ 11 ] [ 12 ]

Beneficios potenciales

Si la fusión nuclear d-t catalizada por muones se logra en la práctica, será una forma mucho más atractiva de generar energía que los reactores de fisión nuclear convencionales , porque la fusión nuclear d-t catalizada por muones (al igual que la mayoría de los otros tipos de fusión nuclear ) produce muchos menos desechos radiactivos dañinos (y de vida mucho más corta).

La gran cantidad de neutrones producidos en las fusiones nucleares d-t catalizadas por muones puede utilizarse para generar combustibles fisionables a partir de material fértil ; por ejemplo, el torio -232 podría generar uranio -233 de esta manera. [ nota 1 ] Los combustibles fisionables generados pueden luego "quemarse", ya sea en un reactor de fisión nuclear crítico convencional o en un reactor de fisión subcrítico no convencional , por ejemplo, un reactor que utiliza la transmutación nuclear para procesar residuos nucleares , o un reactor que utiliza el concepto de amplificador de energía ideado por Carlo Rubbia y otros.

Otra ventaja de la fusión catalizada por muones es que el proceso puede comenzar con gas deuterio puro, sin tritio. Los reactores de fusión de plasma como ITER o Wendelstein X7 necesitan tritio para iniciar la fusión y también requieren una planta de producción de tritio. La fusión catalizada por muones genera tritio durante su funcionamiento y aumenta la eficiencia operativa hasta un punto óptimo cuando la relación deuterio-tritio alcanza aproximadamente 1:1. La fusión catalizada por muones puede funcionar como una planta de producción de tritio y suministrarlo para la investigación en fusión de materiales y plasma.

Viabilidad como fuente de energía

Problemas que enfrenta la explotación práctica

Salvo algunas mejoras, poco ha cambiado desde la evaluación de Jackson de 1957 sobre la viabilidad de la fusión catalizada por muones, aparte de la predicción de Vesman de 1967 sobre la formación resonante hiperfina del ion molecular muónico (d–μ–t) + que posteriormente se observó experimentalmente. Esto contribuyó a despertar un renovado interés en todo el campo de la fusión catalizada por muones, que sigue siendo un área activa de investigación a nivel mundial. Sin embargo, como observó Jackson en su artículo, es "improbable" que la fusión catalizada por muones proporcione "una producción de energía útil... a menos que se encuentre una forma energéticamente más barata de producir mesones μ − [ nota 2 ] ". [ 7 ]

Un problema práctico del proceso de fusión catalizada por muones es que los muones son inestables y se desintegran en2,2 μs  (en su marco de referencia en reposo ). [ 13 ] Por lo tanto, se necesita algún medio barato para producir muones, y los muones deben estar dispuestos para catalizar tantas reacciones de fusión nuclear como sea posible antes de desintegrarse.

Otro problema, y ​​en muchos sentidos más grave, es el problema de la "adherencia alfa", reconocido por Jackson en su artículo de 1957. [ 7 ] [ nota 3 ] El problema de la adherencia alfa es la probabilidad aproximada del 1% de que el muón se "adhiera" a la partícula alfa resultante de la fusión nuclear deuterón-tritón , eliminando así por completo el muón del proceso de catálisis muónica. Incluso si los muones fueran absolutamente estables, cada muón podría catalizar, en promedio, solo unas 100 fusiones d-t antes de adherirse a una partícula alfa, lo que representa solo una quinta parte del número de fusiones d-t catalizadas por muones necesarias para alcanzar el punto de equilibrio , donde se genera tanta energía térmica como la energía eléctrica consumida para producir los muones inicialmente, según la estimación aproximada de Jackson. [ 7 ]

Mediciones más recientes parecen apuntar a valores más alentadores para la probabilidad de adhesión α, encontrando que la probabilidad de adhesión α es de alrededor del 0,3% al 0,5%, lo que podría significar hasta aproximadamente 200 (incluso hasta 350) fusiones d–t catalizadas por muones por muón. [ 14 ] De hecho, el equipo liderado por Steven E. Jones logró 150 fusiones d–t por muón (promedio) en la Instalación de Física de Mesones de Los Alamos . [ 15 ] Los resultados fueron prometedores y casi suficientes para alcanzar el punto de equilibrio teórico. Desafortunadamente, estas mediciones para el número de fusiones d–t catalizadas por muones por muón todavía no son suficientes para alcanzar el punto de equilibrio industrial. Incluso con el punto de equilibrio, la eficiencia de conversión de energía térmica a energía eléctrica es de solo alrededor del 40%, lo que limita aún más la viabilidad. Las mejores estimaciones recientes del "costo energético" eléctrico por muón son aproximadamente6  GeV con aceleradores que (casualmente) tienen una eficiencia de aproximadamente el 40% en la transformación de la energía eléctrica de la red eléctrica en aceleración de los deuterones.

Hasta 2012, no se había publicado ningún método práctico para producir energía por este medio, aunque algunos descubrimientos que utilizan el efecto Hall son prometedores. [ 16 ]

Estimación alternativa del punto de equilibrio

Según Gordon Pusch, físico del Laboratorio Nacional Argonne , varios cálculos de punto de equilibrio en la fusión catalizada por muones omiten la energía térmica que el propio haz de muones deposita en el blanco. [ 17 ] Al tener en cuenta este factor, la fusión catalizada por muones puede superar el punto de equilibrio; sin embargo, la potencia recirculada suele ser muy grande en comparación con la potencia que sale a la red eléctrica (aproximadamente 3 a 5 veces mayor, según las estimaciones). A pesar de esta potencia recirculada bastante alta, la eficiencia general del ciclo es comparable a la de los reactores de fisión convencionales; sin embargo, la necesidad de 4 a 6  MW de capacidad de generación eléctrica por cada megavatio que sale a la red probablemente representa una inversión de capital inaceptablemente grande. Pusch sugirió utilizar el concepto de haz autocolisionante " migma " de Bogdan Maglich para aumentar significativamente la eficiencia de producción de muones, eliminando las pérdidas del blanco y utilizando núcleos de tritio como haz impulsor, para optimizar el número de muones negativos.

En 2021, Kelly, Hart y Rose produjeron un modelo μCF en el que se optimizó la relación, Q , de la energía térmica producida a la energía cinética de los deuterones acelerados utilizados para crear piones negativos (y por lo tanto muones negativos a través de la desintegración del pión). [ 18 ] En este modelo, la energía calorífica de los deuterones entrantes, así como la de las partículas producidas debido al impacto del haz de deuterones sobre un blanco de tungsteno, se recapturó en la medida de lo posible, como sugirió Gordon Pusch en el párrafo anterior. Además, se recapturó la energía calorífica debida a la producción de tritio en una capa de litio-plomo, como sugirieron Jändel, Danos y Rafelski en 1988. [ 19 ] El mejor valor de Q se encontró en aproximadamente 130% suponiendo que el 50% de los muones producidos catalizan la fusión. Además, suponiendo que un acelerador tiene una eficiencia del 18 % en la transformación de energía eléctrica en energía cinética de deuterones y una eficiencia de conversión de energía térmica en energía eléctrica del 60 %, estiman que, actualmente, la cantidad de energía eléctrica que podría producir un reactor μCF sería el 14 % de la energía eléctrica consumida. Para mejorar esta situación, sugieren que se necesita una combinación de factores que incluyan: a) aumentar la eficiencia del acelerador y b) incrementar el número de reacciones de fusión por muón negativo por encima del nivel supuesto de 150.

Proceso

Para crear este efecto, se envía un flujo de muones negativos, generalmente generados por la desintegración de piones , a un bloque compuesto por los tres isótopos de hidrógeno (protio, deuterio y/o tritio). El bloque suele estar congelado y a temperaturas de aproximadamente 3 kelvin (−270  °C). El muón puede desplazar el electrón de uno de los isótopos de hidrógeno. El muón, 207 veces más masivo que el electrón, apantalla y reduce eficazmente la repulsión electromagnética entre los dos núcleos, atrayéndolos mucho más cerca en un enlace covalente que un electrón. Debido a esta proximidad, la fuerza nuclear fuerte logra unirlos. Se fusionan, liberando el muón catalítico (en la mayoría de los casos), y parte de la masa original de ambos núcleos se libera como partículas energéticas, al igual que en cualquier otro tipo de fusión nuclear . La liberación del muón catalítico es fundamental para que las reacciones continúen. La mayoría de los muones siguen uniéndose a otros isótopos de hidrógeno y fusionando núcleos. Sin embargo, no todos los muones se reciclan: algunos se unen a otros residuos emitidos tras la fusión de los núcleos (como partículas alfa y heliones ), lo que los excluye del proceso catalítico. Esto reduce gradualmente la velocidad de las reacciones, ya que los muones con los que pueden unirse los núcleos se agotan. El número promedio de reacciones alcanzadas en el laboratorio puede llegar a ser de hasta 150 fusiones d-t por muón.

Deuterio-tritio (d-t o dt)

En la fusión catalizada por muones de mayor interés, un deuterón con carga positiva (d), un tritón con carga positiva (t) y un muón forman esencialmente un ion molecular de hidrógeno pesado muónico con carga positiva (d–μ–t) + . El muón, con una masa en reposo 207 veces mayor que la masa en reposo de un electrón, [ 13 ] es capaz de arrastrar al tritón y al deuterón, más masivos, 207 veces más cerca entre sí [ 1 ] [ 2 ] en el ion molecular muónico (d–μ–t) + que un electrón en el ion molecular electrónico correspondiente (d–e–t) + . La separación promedio entre el tritón y el deuterón en el ion molecular electrónico es de aproximadamente un angstrom (100 pm ), [ 7 ] [ nota 4 ] por lo que la separación promedio entre el tritón y el deuterón en el ion molecular muónico es 207 veces menor que esa. [ nota 5 ] Debido a la fuerte fuerza nuclear , cuando el tritón y el deuterón en el ion molecular muónico se acercan aún más durante sus movimientos vibracionales periódicos, aumenta considerablemente la probabilidad de que el tritón y el deuterón, ambos con carga positiva, experimenten un efecto túnel cuántico a través de la barrera de Coulomb repulsiva que los mantiene separados. De hecho, la probabilidad de efecto túnel cuántico depende aproximadamente de forma exponencial de la separación promedio entre el tritón y el deuterón, lo que permite que un solo muón catalice la fusión nuclear d–t en menos de medio picosegundo , una vez formado el ion molecular muónico. [ 7 ]

El tiempo de formación del ion molecular muónico es uno de los "pasos limitantes de la velocidad" en la fusión catalizada por muones que puede tomar fácilmente hasta diez mil o más picosegundos en una mezcla líquida molecular de deuterio y tritio (D 2 , DT, T 2 ), por ejemplo. [ 7 ] Cada muón catalizador pasa así la mayor parte de su existencia efímera de 2,2 microsegundos, [ 13 ] medida en su marco de referencia en reposo , vagando en busca de deuterones y tritones adecuados con los que unirse.

Otra forma de ver la fusión catalizada por muones es intentar visualizar la órbita del estado fundamental de un muón alrededor de un deuterón o un tritón. Supongamos que el muón cae inicialmente en una órbita alrededor de un deuterón, lo cual tiene aproximadamente un 50 % de probabilidad de ocurrir si hay aproximadamente el mismo número de deuterones y tritones presentes, formando un átomo de deuterio muónico eléctricamente neutro (d–μ) 0 que se comporta de forma similar a un "neutrón pesado y robusto" debido tanto a su tamaño relativamente pequeño (de nuevo, 207 veces menor que un átomo de deuterio electrónico eléctricamente neutro (d–e) 0 ) como al "apantallamiento" muy efectivo que ejerce el muón sobre la carga positiva del protón en el deuterón. Aun así, el muón tiene muchas más probabilidades de transferirse a cualquier tritón que se acerque lo suficiente al deuterio muónico que de formar un ion molecular muónico. El átomo de tritio muónico eléctricamente neutro (t–μ) 0 así formado actuará de forma similar a un neutrón aún más "masivo y pesado", pero lo más probable es que conserve su muón, formando finalmente un ion molecular muónico, probablemente debido a la formación resonante de un estado molecular hiperfino dentro de una molécula de deuterio D 2 (d=e 2 =d), con el ion molecular muónico actuando como un "núcleo más pesado y pesado" de la molécula de deuterio "muónico/electrónico" neutra "más pesada y pesada" ([d–μ–t]=e 2 =d), como predijo Vesman, un estudiante de posgrado estonio, en 1967. [ 20 ]

Una vez que se forma el estado de ion molecular muónico, el apantallamiento por el muón de las cargas positivas del protón del tritón y del protón del deuterón entre sí permite que el tritón y el deuterón atraviesen por efecto túnel la barrera de Coulomb en un lapso de tiempo del orden de un nanosegundo [ 21 ]. El muón sobrevive a la reacción de fusión nuclear catalizada por muones d–t y permanece disponible (generalmente) para catalizar más fusiones nucleares catalizadas por muones d–t. Cada fusión nuclear exotérmica d–t libera aproximadamente 17,6 MeV de energía en forma de un neutrón "muy rápido" con una energía cinética de aproximadamente 14,1 MeV y una partícula alfa α (un núcleo de helio -4) con una energía cinética de aproximadamente 3,5 MeV. [ 7 ] Se pueden obtener otros 4,8 MeV moderando los neutrones rápidos en una "manta" adecuada que rodee la cámara de reacción, la cual contiene litio -6, cuyos núcleos, conocidos por algunos como "litiones", absorben fácilmente y de forma exotérmica los neutrones térmicos , transmutándose así el litio-6 en una partícula alfa y un tritón. [ nota 6 ]    

Deuterio-deuterio y otros tipos

El primer tipo de fusión catalizada por muones que se observó experimentalmente, por LW Alvarez et al. , [ 6 ] fue la fusión catalizada por muones de protio (H o 1H1 ) y deuterio (D o 1H2 ) . Se ha estimado que la tasa de fusión para la fusión catalizada por muones p-d (o pd) es aproximadamente un millón de veces más lenta que la tasa de fusión para la fusión catalizada por muones d-t . [ 7 ] [ nota 7 ]

De mayor interés práctico, la fusión catalizada por muones de deuterio-deuterio se ha observado con frecuencia y se ha estudiado ampliamente de forma experimental, en gran parte porque el deuterio ya existe en relativa abundancia y, al igual que el protio, no es radiactivo en absoluto. El tritio rara vez se encuentra en la naturaleza y es radiactivo con una vida media de aproximadamente 12,5 años. [ 13 ]

Se ha estimado que la tasa de fusión para la fusión catalizada por muones d–d es solo alrededor del 1% de la tasa de fusión para la fusión catalizada por muones d–t, pero esto aún da aproximadamente una fusión nuclear d–d cada 10 a 100 picosegundos aproximadamente. [ 7 ] Sin embargo, la energía liberada con cada reacción de fusión catalizada por muones d–d es solo alrededor del 20% de la energía liberada con cada reacción de fusión catalizada por muones d–t. [ 7 ] Además, el muón catalizador tiene una probabilidad de adherirse a al menos uno de los productos de la reacción de fusión catalizada por muones d–d que Jackson en este artículo de 1957 [ 7 ] estimó que es al menos 10 veces mayor que la probabilidad correspondiente de que el muón catalizador se adhiera a al menos uno de los productos de la reacción de fusión catalizada por muones d–t, por lo que impide que el muón catalice más fusiones nucleares. En efecto, esto significa que cada muón que cataliza reacciones de fusión catalizadas por muones d-d en deuterio puro solo puede catalizar aproximadamente una décima parte del número de reacciones de fusión catalizadas por muones d-t que cada muón puede catalizar en una mezcla de cantidades iguales de deuterio y tritio, y cada fusión d-d solo produce aproximadamente una quinta parte del rendimiento de cada fusión d-t, lo que hace que las perspectivas de liberación de energía útil de la fusión catalizada por muones d-d sean al menos 50 veces peores que las ya escasas perspectivas de liberación de energía útil de la fusión catalizada por muones d-t.

Las posibles posibilidades de fusión nuclear "aneutrónica" (o sustancialmente aneutrónica) , que resultan en prácticamente ningún neutrones entre los productos de la fusión nuclear, casi con certeza no son muy adecuadas para la fusión catalizada por muones. [ 7 ] Una de estas reacciones de fusión nuclear esencialmente aneutrónicas implica la fusión de un deuterón del deuterio con un helión (He +2 ) del helio-3 , lo que produce una partícula alfa energética y un protón mucho más energético , ambos con carga positiva (con algunos neutrones provenientes de las inevitables reacciones secundarias de fusión nuclear d–d ). Sin embargo, un muón con una sola carga eléctrica negativa es incapaz de proteger ambas cargas positivas de un helión de la única carga positiva de un deuterón. Las probabilidades de que los dos muones necesarios estén presentes simultáneamente son excepcionalmente remotas.

En la cultura

El término "fusión fría" fue acuñado para referirse a la fusión catalizada por muones en un artículo del New York Times de 1956 sobre el trabajo de Luis W. Alvarez . [ 22 ]

En 1957, Theodore Sturgeon escribió una novela corta, « La cápsula en la barrera », en la que la humanidad posee reactores de fusión fría omnipresentes que funcionan con muones. La reacción es: «Cuando el hidrógeno uno y el hidrógeno dos se encuentran en presencia de mesones mu, se fusionan en helio tres, con un rendimiento energético en electronvoltios de 5,4 veces diez a la quinta potencia». A diferencia de la bomba termonuclear contenida en la cápsula (que se utiliza para destruir la Barrera), estos reactores pueden quedar temporalmente inutilizados por una «incredulidad concentrada» sobre la eficacia de la fusión muónica. [ 23 ]

En 2061: Odisea Tres, la tercera novela de Sir Arthur C. Clarke en la serie 2061: Odisea Tres , la fusión catalizada por muones es la tecnología que permite a la humanidad realizar viajes interplanetarios con facilidad. El protagonista, Heywood Floyd, compara a Luis Álvarez con Lord Rutherford por subestimar el potencial futuro de sus descubrimientos.

Véase también

Notas

  1. ↑ La reproducción se produce debido a ciertas reacciones nucleares de captura de neutrones, seguidas de desintegraciones beta , la eyección de electrones y neutrinos de los núcleos a medida que los neutrones dentro de los núcleos se desintegran en protones como resultado de fuerzas nucleares débiles.
  2. ↑ Los muones no son mesones ; son leptones . Sin embargo, esto no estuvo claro hasta 1947, y el nombre "mesón mu" persistió durante algún tiempo tras la identificación del muón como un leptón.
  3. ↑ Eugene P. Wigner le señaló a Jackson el problema de la adherencia α.
  4. ↑ Según Cohen, S.; Judd, DL; Riddell, Jr., RJ (1960). "Moléculas μ-mesónicas. II. Formación de iones moleculares y catálisis nuclear". Physical Review . 119 (1): 397. Bibcode : 1960PhRv..119..397C . doi : 10.1103/PhysRev.119.397 .(Nota al pie 16: Jackson pudo haber sido demasiado optimista en el Apéndice D de su artículo de 1957 en su "estimación aproximada" de la tasa de formación de un ion molecular muónico (p–μ–p) + por un factor de aproximadamente un millón).
  5. ↑ En otras palabras, la separación en el caso muónico es de aproximadamente 500 femtómetros.
  6. ↑ Los " neutrones térmicos " son neutrones que han sido "moderados" al ceder la mayor parte de su energía cinética en colisiones con los núcleos de los "materiales moderadores" o moderadores , enfriándose hasta la " temperatura ambiente " y teniendo una energía cinética termalizada de aproximadamente 0,025 eV, lo que corresponde a una "temperatura" promedio de unos300 K. 
  7. ↑ En principio, por supuesto, la fusión nuclear p–d podría ser catalizada por los electrones presentes en las moléculas de agua "pesadas" de DO que se encuentran naturalmente en un nivel del 0,0154% en el agua ordinaria (H 2 O). Sin embargo, debido a que el protón y el deuterón estarían más de 200 veces más separados en el caso de la molécula electrónica HDO que en el caso del ion molecular muónico (p–μ–d) + , Jackson estima que la tasa de fusión catalizada por "electrones" p–d (eCF) es aproximadamente 38 órdenes de magnitud (10 38 ) más lenta que la tasa de fusión catalizada por muones p–d (μCF), que Jackson estima en aproximadamente 10 6 por segundo, por lo que se espera que las fusiones catalizadas por "electrones" p–d (eCF) ocurran a una tasa de aproximadamente 10 −32 por segundo, lo que significa que una fusión catalizada por "electrones" p–d (eCF) podría ocurrir una vez cada 10 24 años aproximadamente.

Referencias

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