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fusión aneutrónica

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Reacción de fusión litio-6 - deuterio : una reacción de fusión aneutrónica, en la que la energía liberada es transportada por partículas alfa , no por neutrones.

La fusión aneutrónica es cualquier forma de energía de fusión en la que muy poca de la energía liberada es transportada por neutrones . Mientras que las reacciones de fusión nuclear de umbral más bajo liberan hasta el 80 % de su energía como energía cinética de neutrones , las reacciones aneutrónicas liberan energía como energía cinética de partículas cargadas , típicamente protones o partículas alfa . Una fusión aneutrónica exitosa reduciría considerablemente los problemas asociados con la radiación de neutrones, como la radiación ionizante dañina , la activación de neutrones , el mantenimiento del reactor y los requisitos de blindaje biológico, manipulación remota y seguridad.

Dado que es más sencillo convertir la energía de partículas cargadas en energía eléctrica que convertir la energía de partículas sin carga, una reacción aneutrónica sería atractiva para los sistemas de energía. Algunos defensores ven un potencial para reducciones drásticas de costos al convertir la energía directamente en electricidad, así como al eliminar la radiación de neutrones, que es difícil de proteger. [ 1 ] [ 2 ] Sin embargo, las condiciones requeridas para aprovechar la fusión aneutrónica son mucho más extremas que las requeridas para la fusión deuterio-tritio (D-T), como la de ITER .

Historia

Los primeros experimentos en este campo comenzaron en 1939, y los esfuerzos serios han sido continuos desde principios de la década de 1950.

Uno de los primeros partidarios fue Richard F. Post, del Lawrence Livermore . Propuso capturar la energía cinética de las partículas cargadas al ser expulsadas de un reactor de fusión y convertirla en voltaje para generar corriente. [ 3 ] Post ayudó a desarrollar los fundamentos teóricos de la conversión directa, demostrada posteriormente por Barr y Moir. Demostraron una eficiencia de captura de energía del 48 % en el experimento Tandem Mirror en 1981. [ 4 ]

La fusión por Polywell fue desarrollada por el fallecido Robert W. Bussard en 1995 y financiada por la Marina de los EE . UU. Polywell utiliza confinamiento electrostático inercial . Fundó EMC2 para continuar la investigación sobre Polywell. [ 5 ] [ 6 ]

Un pulso de picosegundos de un láser de 10 teravatios produjo fusiones aneutrónicas de hidrógeno y boro para un equipo ruso en 2005. [ 7 ] Sin embargo, el número de partículas α resultantes (alrededor de 10 3 por pulso láser) fue bajo.

En 2006, la máquina Z del Laboratorio Nacional Sandia , un dispositivo de compresión Z , alcanzó los 2 mil millones de kelvin y los 300  keV. [ 8 ]

En 2011, Lawrenceville Plasma Physics publicó resultados iniciales y describió una teoría y un programa experimental para la fusión aneutrónica con el foco de plasma denso (DPF). [ 9 ] [ 10 ] El esfuerzo fue financiado inicialmente por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA . [ 11 ] El apoyo para otras investigaciones de fusión aneutrónica con DPF provino del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea . [ 12 ]

Un equipo de investigación francés fusionó protones y núcleos de boro-11 utilizando un haz de protones acelerado por láser y un pulso láser de alta intensidad. [ 13 ] En octubre de 2013 informaron de un estimado de 80 millones de reacciones de fusión durante un pulso láser de 1,5 nanosegundos. [ 13 ]

En 2021, TAE Technologies anunció que su dispositivo Norman , con su configuración de campo invertido, producía regularmente un plasma estable a temperaturas superiores a 50 millones de grados. [ 14 ]

En 2021, un equipo ruso informó resultados experimentales en un dispositivo miniatura con confinamiento de plasma electrodinámico (oscilatorio) . Utilizó una  descarga de vacío de nanosegundos de ~1–2 J con un cátodo virtual. Su campo acelera iones de boro y protones a ~  100–300  keV bajo colisiones de iones oscilantes. Partículas α de aproximadamenteSe obtuvieron 5 × 10 4 /4π (~  10  partículas α/ns) durante los 4  μs de voltaje aplicado. [ 15 ]

La empresa australiana derivada HB11 Energy se creó en septiembre de 2019. [ 16 ] En 2022, afirmaron ser la primera empresa comercial en demostrar la fusión. [ 17 ] [ 18 ]

Definición

Las reacciones de fusión se pueden clasificar según su neutronicidad: la fracción de la energía de fusión liberada como neutrones energéticos. El estado de Nueva Jersey definió una reacción aneutrónica como aquella en la que los neutrones no transportan más del 1 % de la energía total liberada, [ 19 ] aunque muchos artículos sobre el tema [ 20 ] incluyen reacciones que no cumplen este criterio.

barrera de Coulomb

La barrera de Coulomb es la energía mínima necesaria para que los núcleos en una reacción de fusión superen su repulsión electrostática mutua . Una vez que los reactivos están lo suficientemente cerca, se ven fuertemente atraídos por la fuerza nuclear , que predomina sobre la repulsión electrostática.

La fuerza repulsiva entre una partícula con carga Z 1 y otra con Z 2 es proporcional a ( Z 1 × Z 2 ) / r 2 , donde r es la distancia entre ellas. La barrera de Coulomb que enfrenta un par de partículas cargadas que reaccionan depende tanto de la carga total como de la igualdad en la distribución de dichas cargas; la barrera es mínima cuando una partícula de bajo Z reacciona con una de alto Z y máxima cuando los reactivos tienen cargas aproximadamente iguales. Por lo tanto, la energía de la barrera se minimiza para aquellos iones con el menor número de protones .

Cuando los dos núcleos se aproximan a una distancia de aproximadamente 2 femtómetros (unos 3 radios de protón ), la interacción nuclear fuerte y atractiva entre sus nucleones se vuelve apreciable. A esa distancia, la atracción nuclear puede dominar la repulsión de Coulomb restante e impulsar el sistema hacia la fusión. Cuando el sistema fusionado tiene menor masa, la diferencia se libera en forma de energía nuclear.(metrobmiFormi−metroaFtmir)do2{\displaystyle (m_{antes}-m_{después})c^{2}}, arrastradas por la energía cinética de los fragmentos resultantes.

Un mayor número de nucleones puede generar mayor energía de enlace nuclear, ya que hay más protones y neutrones que la fuerza nuclear fuerte puede unir. Sin embargo, los protones también se repelen entre sí, por lo que añadir protones también incrementa la repulsión eléctrica. La proporción neutrón/protón es importante porque los núcleos con una proporción incorrecta son inestables.

En la mayoría de los conceptos de fusión, la energía necesaria para superar la barrera de Coulomb se obtiene mediante colisiones con otros iones de combustible. En un fluido termalizado como un plasma, la temperatura corresponde a un espectro de energía según la distribución de Maxwell-Boltzmann . Los gases en este estado contienen partículas de alta energía, aunque la energía promedio sea mucho menor. Los dispositivos de fusión se basan en esta distribución; incluso a temperaturas globales muy inferiores a la energía de la barrera de Coulomb, la energía liberada por las reacciones es lo suficientemente grande como para que, al capturar parte de ella, se puedan obtener suficientes iones de alta energía para mantener la reacción en marcha.

Así, el funcionamiento estable del reactor se basa en un equilibrio entre la velocidad a la que se añade energía al combustible mediante reacciones de fusión y la velocidad a la que se pierde energía en el entorno. Este concepto se expresa mejor como el triple producto de fusión , producto de la temperatura, la densidad y el "tiempo de confinamiento", es decir, el tiempo que la energía permanece en el combustible antes de escapar al ambiente. El producto de la temperatura y la densidad da la velocidad de reacción para cualquier combustible dado. La velocidad de reacción es proporcional a la sección transversal nuclear ( σ ). [ 1 ] [ 21 ]

Cualquier dispositivo puede soportar una presión máxima de plasma. Un dispositivo eficiente operaría continuamente cerca de este máximo. Dada esta presión, la mayor producción de fusión se obtiene cuando la temperatura es tal que σv / T² alcanza su valor máximo . Esta es también la temperatura a la que el valor del triple producto nTτ requerido para la ignición es mínimo, ya que dicho valor es inversamente proporcional a σv / T² . Un plasma se considera "encendido" si las reacciones de fusión producen suficiente energía para mantener la temperatura sin calentamiento externo.

Debido a que la barrera de Coulomb es proporcional al producto del número de protones ( Z₁ × Z₂ ) de los dos reactivos, las variedades de hidrógeno pesado, deuterio y tritio (D-T) dan como resultado el combustible con la menor barrera de Coulomb total. Todos los demás combustibles potenciales tienen barreras de Coulomb más altas y, por lo tanto, requieren temperaturas de operación más elevadas. Además, los combustibles D-T tienen las secciones transversales nucleares más altas, lo que significa que las tasas de reacción son mayores que las de cualquier otro combustible. Esto hace que la fusión D-T sea la más fácil de lograr.

Comparación del potencial de otros combustibles con la reacción D–T: La tabla siguiente muestra la temperatura de ignición y la sección transversal de tres de las reacciones aneutrónicas candidatas, en comparación con la reacción D–T:

Para estimar la temperatura en Kelvin, multiplique la temperatura en keV por diez millones. La reacción aneutrónica más fácil de iniciar, D– 3He , tiene una temperatura de ignición cuatro veces mayor que la de la reacción D–T y, en consecuencia, secciones transversales menores, mientras que la reacción p– 11B es casi diez veces más difícil de iniciar.

Reacciones de los candidatos

Varias reacciones de fusión no producen neutrones en ninguna de sus ramas. Las que tienen las secciones transversales más grandes [ 1 ] son:

Combustibles candidatos

3 Él

El helio-3 se ha investigado como combustible candidato para la fusión aneutrónica porque varias reacciones que involucran 3He producen predominantemente partículas cargadas en lugar de neutrones , lo que potencialmente reduce el daño al material inducido por neutrones y la activación radiactiva en comparación con la fusión deuterio-tritio (DT). [ 22 ]

Una reacción de tercera generación teóricamente totalmente aneutrónica es la fusión 3He – 3He :

³₂He + ³₂He → ⁴₂He + 2¹₁p + 26,2 MeV.

Aunque esta reacción produce únicamente partículas cargadas, requiere temperaturas de plasma extremadamente altas y confinamiento, y no se ha demostrado en condiciones relevantes para un reactor, lo que limita su aplicabilidad práctica a los conceptos de fusión aneutrónica. [ 23 ]

Por lo tanto, la investigación sobre fusión aneutrónica que involucra 3He se ha centrado principalmente en la reacción deuterio-helio-3 (D–³He),

D + ³He → ⁴He + p + 18,3 MeV,

que produce un núcleo de helio-4 y un protón , partículas cargadas que, en principio, podrían confinarse y convertirse directamente en electricidad, ofreciendo una vía para reducir los requisitos de blindaje de neutrones y simplificar la conversión de energía. [ 24 ] [ 25 ] Sin embargo, la fusión D–³He requiere temperaturas de plasma sustancialmente más altas y un confinamiento mejorado en comparación con D–T, lo que hace que sea más difícil lograrla experimentalmente. [ 24 ] Además, en plasmas reales ocurren inevitablemente reacciones secundarias inevitables como la fusión deuterio-deuterio (D–D), que producen neutrones e introducen un flujo de neutrones pequeño pero distinto de cero; si bien esta producción de neutrones es significativamente menor que en la fusión D–T, limita hasta qué punto los sistemas D–³He pueden considerarse estrictamente aneutrónicos. [ 24 ] [ 26 ]

A mediados de la década de 2020, ningún sistema de fusión aneutrónica había demostrado un funcionamiento sostenido o de energía neta utilizando ciclos de combustible basados ​​en ³He. En 2022, Helion Energy declaró que su prototipo de séptima generación, Polaris , tenía como objetivo demostrar la generación neta de electricidad a partir de la fusión y la producción de ³He mediante fusión D-D dentro de un diseño de ciclo de combustible cerrado de alta eficiencia . [ 27 ] Estas declaraciones representan objetivos de desarrollo; a fecha de 2025, la producción neta de electricidad de Polaris no se había demostrado públicamente. [ 28 ]

La limitada disponibilidad de 3He en la Tierra sigue siendo una limitación importante para los conceptos de fusión aneutrónica basados ​​en 3He . [ 22 ] Si bien se han propuesto fuentes extraterrestres, su relevancia para la fusión aneutrónica práctica depende de los avances futuros en el rendimiento de los reactores y sigue siendo especulativa. [ 29 ]

Deuterio

Aunque las reacciones de deuterio (deuterio + 3He y deuterio + 6Li ) no liberan neutrones por sí mismas, en un reactor de fusión el plasma también produciría reacciones secundarias D–D que dan como resultado un producto de reacción de 3He más un neutrón. Si bien la producción de neutrones puede minimizarse haciendo funcionar una reacción de plasma caliente y pobre en deuterio, la fracción de energía liberada como neutrones es probablemente de varios por ciento, por lo que estos ciclos de combustible, aunque pobres en neutrones, no alcanzan el umbral del 1%. Véase 3He . La reacción D– 3He también sufre el problema de la disponibilidad de combustible de 3He , como se mencionó anteriormente.

Litio

Las reacciones de fusión que involucran litio están bien estudiadas debido a su uso para la producción de tritio en armas termonucleares . Su dificultad de ignición es intermedia entre las reacciones que involucran especies con menor número atómico, H y He, y la reacción 11B .

La reacción p– 7 Li, aunque altamente energética, libera neutrones debido a la alta sección transversal para la reacción alternativa productora de neutrones 1 p + 7 Li → 7 Be + n [ 30 ]

Boro

Muchos estudios sobre la fusión aneutrónica se centran en la reacción p– 11B , [ 31 ] [ 32 ] que utiliza combustible fácilmente disponible. La fusión del núcleo de boro con un protón produce partículas alfa energéticas (núcleos de helio).

Dado que encender la reacción p– 11B es mucho más difícil que la D–T, se suelen proponer alternativas a los reactores de fusión tokamak habituales , como la fusión por confinamiento inercial . [ 33 ] Un método propuesto utiliza un láser para crear un plasma de boro-11 y otro para crear un flujo de protones que chocan contra el plasma. El haz de protones produce un aumento de diez veces en la fusión porque los protones y los núcleos de boro colisionan directamente. Los métodos anteriores utilizaban un blanco sólido de boro, "protegido" por sus electrones, lo que reducía la tasa de fusión. [ 34 ] Los experimentos sugieren que un pulso láser de escala petavatio podría iniciar una reacción de fusión en "avalancha", [ 33 ] [ 35 ] aunque esto sigue siendo controvertido. [ 36 ] El plasma dura aproximadamente un nanosegundo , lo que requiere que el pulso de picosegundos de protones esté sincronizado con precisión. A diferencia de los métodos convencionales, este enfoque no requiere un plasma confinado magnéticamente. El haz de protones está precedido por un haz de electrones, generado por el mismo láser, que arranca electrones del plasma de boro, aumentando la probabilidad de que los protones colisionen con los núcleos de boro y se fusionen. [ 34 ]

Radiación residual

Los cálculos muestran que al menos el 0,1% de las reacciones en un plasma térmico p– 11B producen neutrones, aunque su energía representa menos del 0,2% de la energía total liberada. [ 37 ]

Estos neutrones provienen principalmente de la reacción: [ 38 ]

11 B + α → 14 N + n + 157  keV

La reacción en sí produce solo 157 keV, pero el neutrón transporta una gran fracción de la energía alfa, cercana a E fusión /3 =2,9 MeV  . Otra fuente importante de neutrones es:

11 B + p → 11 C + n - 2,8  MeV.

Estos neutrones son menos energéticos, con una energía comparable a la temperatura del combustible. Además, el 11C en sí mismo es radiactivo, pero se desintegra rápidamente en 11B con una vida media de tan solo 20 minutos.

Dado que estas reacciones involucran los reactivos y productos de la reacción primaria, es difícil reducir la producción de neutrones en una fracción significativa. Un ingenioso sistema de confinamiento magnético podría, en principio, suprimir la primera reacción extrayendo las partículas alfa a medida que se generan, pero entonces su energía no estaría disponible para mantener el plasma caliente. La segunda reacción podría, en principio, suprimirse en relación con la fusión deseada eliminando la cola de alta energía de la distribución de iones, pero esto probablemente se vería impedido por la potencia necesaria para evitar que la distribución se termalice.

Además de neutrones, la radiación de frenado produce grandes cantidades de rayos X duros, y la reacción de fusión produce rayos gamma de 4, 12 y 16 MeV.

11 B + p → 12 C + γ + 16,0  MeV

con una probabilidad de ramificación relativa a la reacción de fusión primaria de aproximadamente 10 −4 . [ nota 1 ]

El hidrógeno debe ser isotópicamente puro y la entrada de impurezas al plasma debe controlarse para evitar reacciones secundarias productoras de neutrones, tales como:

11 B + d → 12 C + n + 13,7  MeV
d + d → 3 He + n + 3,27  MeV

El diseño del blindaje reduce la dosis ocupacional de radiación de neutrones y gamma a un nivel insignificante. Los componentes principales son agua (para moderar los neutrones rápidos), boro (para absorber los neutrones moderados) y metal (para absorber los rayos X). El espesor total se estima en aproximadamente un metro, compuesto principalmente de agua. [ 39 ]

Tecnología láser

La potencia del láser ha estado aumentando aproximadamente 10³ veces por década en medio de la disminución de los costos. Los avances incluyen: [ 40 ]

  • Los láseres de estado sólido bombeados por diodos (DPSSL) convierten una mayor cantidad de energía eléctrica en luz, reduciendo así el calor residual.
  • Amplificación óptica paramétrica de pulsos modulados en frecuencia (OPCPA): Estos sistemas utilizan procesos ópticos no lineales para reducir la carga térmica y aumentar la eficiencia.
  • Compresión de pulsos basada en plasma: El plasma se puede utilizar para comprimir pulsos láser, logrando una alta potencia máxima con una mínima pérdida de energía.
  • La combinación coherente de haces (CBC, por sus siglas en inglés) fusiona varios haces en uno solo, más potente, distribuyendo la carga térmica de varios haces al tiempo que combina coherentemente su energía.
  • Los sistemas de refrigeración eficientes, ya sean por gas o criogénicos, son esenciales para el funcionamiento de láseres de alta potencia.
  • Los materiales de ganancia, como los cristales o las cerámicas dopadas con iterbio, ofrecen mejores propiedades térmicas y una mayor capacidad de almacenamiento de energía.
  • Los investigadores crearon un prototipo de láser de titanio-zafiro de un solo chip que es 10⁴ veces más pequeño y 10³ veces más económico que los modelos anteriores.

Captura de energía

La fusión aneutrónica produce energía en forma de partículas cargadas en lugar de neutrones . Esto significa que la energía de la fusión aneutrónica podría capturarse directamente en lugar de bombardear un objetivo con neutrones para hervir algo. La conversión directa puede ser inductiva, basada en cambios en campos magnéticos; electrostática, basada en enfrentar partículas cargadas contra un campo eléctrico; o fotoeléctrica, en la que la energía luminosa se captura en modo pulsado. [ 41 ]

La conversión electrostática utiliza el movimiento de partículas cargadas para generar un voltaje que produce corriente eléctrica. Es el proceso inverso al que utiliza un voltaje para poner una partícula en movimiento. Se ha descrito como un acelerador lineal funcionando en sentido inverso. [ 42 ]

La fusión aneutrónica pierde gran parte de su energía en forma de luz. Esta energía resulta de la aceleración y desaceleración de partículas cargadas. Estos cambios de velocidad pueden ser causados ​​por la radiación de frenado , la radiación ciclotrónica , la radiación sincrotrónica o las interacciones del campo eléctrico. La radiación se puede estimar utilizando la fórmula de Larmor y se presenta en los espectros de rayos X, ultravioleta, visible e infrarrojo. Parte de la energía radiada como rayos X puede convertirse directamente en electricidad. Debido al efecto fotoeléctrico , los rayos X que atraviesan una matriz de láminas conductoras transfieren parte de su energía a los electrones, que luego pueden ser capturados electrostáticamente. Dado que los rayos X pueden atravesar espesores de material mucho mayores que los electrones, se necesitan cientos o miles de capas para absorberlos. [ 43 ]

Desafíos técnicos

La comercialización de la fusión aneutrónica se enfrenta a numerosos desafíos.

Temperatura

La gran mayoría de la investigación sobre fusión se ha centrado en la fusión deuterio-tritio (D-T), que es la más fácil de lograr. Los experimentos de fusión suelen utilizar la fusión deuterio-deuterio (D-D) porque el deuterio es barato y fácil de manipular, además de no ser radiactivo. Experimentar con la fusión D-T es más difícil porque el tritio es caro y radiactivo, lo que requiere medidas adicionales de protección ambiental y seguridad.

La combinación de una sección transversal menor y tasas de pérdida más altas en la fusión D– ³He se compensa en cierta medida porque los reactivos son principalmente partículas cargadas que depositan su energía en el plasma. Esta combinación de características compensatorias exige una temperatura de funcionamiento aproximadamente cuatro veces mayor que la de un sistema D–T. Sin embargo, debido a las altas tasas de pérdida y al consiguiente ciclo rápido de energía, el tiempo de confinamiento de un reactor en funcionamiento debe ser aproximadamente cincuenta veces mayor que el de D–T, y la densidad de energía aproximadamente ochenta veces mayor. Esto requiere avances significativos en la física del plasma. [ 44 ]

La fusión protón-boro requiere energías iónicas y, por lo tanto, temperaturas de plasma, aproximadamente nueve veces mayores que las de la fusión D-T. Para cualquier densidad dada de los núcleos reactivos, la tasa de reacción para protón-boro alcanza su tasa máxima alrededor de 600 keV (6.600 millones de grados Celsius o 6,6 gigakelvins ) [ 45 ] , mientras que D-T tiene un pico alrededor de 66 keV (765 millones de grados Celsius o 0,765 gigakelvins). Para conceptos de confinamiento limitado por presión, las temperaturas de operación óptimas son aproximadamente 5 veces menores, pero la relación sigue siendo aproximadamente de diez a uno.  

equilibrio de potencia

La tasa de reacción máxima de p– 11B es solo un tercio de la de D–T, lo que requiere un mejor confinamiento del plasma. El confinamiento se caracteriza generalmente por el tiempo τ durante el cual se retiene la energía de modo que la potencia liberada supere la necesaria para calentar el plasma. Se pueden derivar varios requisitos, siendo el más común el criterio de Lawson, el producto de la densidad, nτ , y el producto con la presión nTτ . El nτ requerido para p– 11B es 45 veces mayor que el de D–T. El nTτ requerido es 500 veces mayor. [ nota 2 ] Dado que las propiedades de confinamiento de los enfoques de fusión convencionales, como el tokamak y la fusión de pellets láser, son marginales, la mayoría de las propuestas aneutrónicas utilizan conceptos de confinamiento radicalmente diferentes.

En la mayoría de los plasmas de fusión, la radiación de frenado es un importante canal de pérdida de energía. (Véase también pérdidas por radiación de frenado en plasmas isotrópicos cuasineutrales ). Para la reacción p– ¹¹B , algunos cálculos indican que la potencia de la radiación de frenado será al menos 1,74 veces mayor que la potencia de fusión. La relación correspondiente para la reacción ³He – ³He es solo ligeramente más favorable, con un valor de 1,39. Esto no se aplica a plasmas no neutros y difiere en plasmas anisotrópicos.

En los diseños de reactores convencionales, ya sean basados ​​en confinamiento magnético o inercial , la radiación de frenado puede escapar fácilmente del plasma y se considera un término de pérdida de energía pura. El panorama sería más favorable si el plasma pudiera reabsorber la radiación. La absorción ocurre principalmente a través de la dispersión de Thomson en los electrones , [ 46 ] que tiene una sección transversal total de σT =  6,65 × 10 −29  m 2 . En una mezcla 50–50 D–T esto corresponde a un rango de6,3  g/cm² . [ 47 ] Esto es considerablemente mayor que el criterio de Lawson de ρR > 1  g/cm² , que ya es difícil de alcanzar, pero podría ser alcanzable en sistemas de confinamiento inercial. [ 48 ]

En campos magnéticos de megateslas, un efecto mecánico cuántico podría suprimir la transferencia de energía de los iones a los electrones. [ 49 ] Según un cálculo, [ 50 ] las pérdidas por bremsstrahlung podrían reducirse a la mitad de la potencia de fusión o menos. En un campo magnético fuerte, la radiación ciclotrónica es incluso mayor que la bremsstrahlung. En un campo de megateslas, un electrón perdería su energía por radiación ciclotrónica en unos pocos picosegundos si la radiación pudiera escapar. Sin embargo, en un plasma suficientemente denso ( n e >2,5 × 10 30  m −3 , una densidad mayor que la de un sólido [ 51 ] ), la frecuencia ciclotrónica es menor que el doble de la frecuencia plasmática . En este caso bien conocido, la radiación ciclotrónica queda atrapada dentro del plasmoide y no puede escapar, excepto a través de una capa superficial muy delgada.

Aunque aún no se han alcanzado campos de megateslas, se han producido campos de 0,3 megateslas con láseres de alta intensidad, [ 52 ] y se han observado campos de 0,02–0,04 megateslas con el dispositivo de enfoque de plasma denso . [ 53 ] [ 54 ]

A densidades mucho más altas ( n e >6,7 × 10 34  m −3 ), los electrones serán degenerados de Fermi , lo que suprime las pérdidas por bremsstrahlung, tanto directamente como reduciendo la transferencia de energía de los iones a los electrones. [ 55 ] Si se pueden alcanzar las condiciones necesarias, puede ser posible la producción neta de energía a partir del combustible p– 11 B o D– 3 He. Sin embargo, la probabilidad de un reactor factible basado únicamente en este efecto sigue siendo baja, porque se predice que la ganancia será menor de 20, mientras que generalmente se considera necesario más de 200.

Densidad de potencia

En todos los diseños publicados de centrales de fusión nuclear, la parte que produce las reacciones de fusión es mucho más costosa que la que convierte la energía nuclear en electricidad. En ese caso, como en la mayoría de los sistemas eléctricos, la densidad de potencia es una característica importante. [ nota 3 ] Duplicar la densidad de potencia reduce al menos a la mitad el costo de la electricidad. Además, el tiempo de confinamiento requerido depende de la densidad de potencia.

Sin embargo, no es trivial comparar la densidad de potencia producida por diferentes ciclos de combustible de fusión. El caso más favorable para el p– 11B en relación con el combustible D–T es un dispositivo de confinamiento (hipotético) que solo funciona bien a temperaturas iónicas superiores a unos 400  keV, en el que el parámetro de velocidad de reacción σv es igual para ambos combustibles y que opera con baja temperatura electrónica. El p– 11B no requiere un tiempo de confinamiento tan prolongado porque la energía de sus productos cargados es dos veces y media mayor que la del D–T. Sin embargo, si se relajan estas suposiciones, por ejemplo, considerando electrones calientes, permitiendo que la reacción del D–T se produzca a una temperatura más baja o incluyendo la energía de los neutrones en el cálculo, la ventaja en densidad de potencia se inclina hacia el D–T.

La suposición más común es comparar las densidades de potencia a la misma presión, eligiendo la temperatura iónica para cada reacción para maximizar la densidad de potencia, y con la temperatura electrónica igual a la temperatura iónica. Aunque los esquemas de confinamiento pueden estar, y a veces están, limitados por otros factores, la mayoría de los esquemas bien investigados tienen algún tipo de límite de presión. Bajo estas suposiciones, la densidad de potencia para p– 11 B es aproximadamenteEs 2100 veces menor que la de D–T. El uso de electrones fríos reduce la proporción a aproximadamente 700. Estas cifras son otro indicio de que la energía de fusión aneutrónica no es posible con los conceptos de confinamiento convencionales.

Véase también

Notas

  1. ↑ Al igual que con la dosis de neutrones, el blindaje es esencial con este nivel de radiación gamma. El cálculo de neutrones de la nota anterior se aplicaría si la tasa de producción se redujera en un factor de diez y el factor de calidad disminuyera de 20 a 1. Sin blindaje, la dosis ocupacional de un reactor pequeño (30 kW) se alcanzaría en aproximadamente una hora.
  2. ↑ Ambas figuras suponen que los electrones tienen la misma temperatura que los iones. Si es posible operar con electrones fríos, como se analiza más adelante, la desventaja relativa de p– 11 B sería un factor de tres menor, como se calcula aquí .
  3. ↑ Comparar dos tipos diferentes de sistemas de energía implica considerar muchos factores además de la densidad de potencia. Dos de los más importantes son el volumen en el que se produce la energía en comparación con el volumen total del dispositivo, y el costo y la complejidad del mismo. En cambio, la comparación de dos ciclos de combustible diferentes en el mismo tipo de máquina suele ser mucho más sólida.

Referencias

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  • Sociedad de Fusión de Enfoque
  • Prototipo de fusión protón-boro
  • Fusión aneutrónica en un plasma degenerado
  • Los láseres provocan una fusión más limpia (news@nature.com, 26 de agosto de 2005)
  • Observación de reacciones de fusión sin neutrones en plasmas láser de picosegundos (Physical Review E 72, 2005)
  • Nuevas oportunidades para la fusión en el siglo XXI – Advanced Fuels Archivado el 15/04/2016 en Wayback Machine , GL Kulcinski y JFSantarius, 14.ª Reunión Temática sobre la Tecnología de la Energía de Fusión, 15-19 de octubre de 2000.
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