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Confinamiento electrostático inercial

Un fusor que muestra fusión nuclear en modo estrella .

El confinamiento electrostático inercial , o IEC , es una clase de dispositivos de energía de fusión que utilizan campos eléctricos para confinar el plasma en lugar del enfoque más común que utiliza campos magnéticos que se encuentra en los diseños de fusión por confinamiento magnético (MCF). La mayoría de los dispositivos IEC aceleran directamente su combustible a condiciones de fusión, evitando así las pérdidas de energía observadas durante las etapas de calentamiento más largas de los dispositivos MCF. En teoría, esto los hace más adecuados para el uso de combustibles de fusión aneutrónicos alternativos , que ofrecen una serie de importantes beneficios prácticos y hacen que los dispositivos IEC sean uno de los enfoques más estudiados para la fusión.

Como los electrones con carga negativa y los iones con carga positiva del plasma se mueven en direcciones diferentes en un campo eléctrico, el campo debe estar dispuesto de alguna manera para que las dos partículas permanezcan juntas. La mayoría de los diseños IEC logran esto tirando de los electrones o iones a través de un pozo de potencial, más allá del cual el potencial cae y las partículas continúan moviéndose debido a su inercia . La fusión ocurre en esta área de potencial más bajo cuando los iones que se mueven en direcciones diferentes chocan. Debido a que el movimiento proporcionado por el campo crea los niveles de energía necesarios para la fusión, no colisiones aleatorias con el resto del combustible, la mayor parte del plasma no tiene que estar caliente y los sistemas en su conjunto funcionan a temperaturas y niveles de energía mucho más bajos que los dispositivos MCF.

Uno de los dispositivos IEC más simples es el fusor , que consiste en dos rejillas esféricas de alambre de metal concéntrico. Cuando las rejillas se cargan a un alto voltaje , el gas combustible se ioniza. El campo entre las dos acelera entonces el combustible hacia adentro, y cuando pasa la rejilla interna el campo cae y los iones continúan hacia adentro, hacia el centro. Si impactan con otro ion, pueden sufrir fusión. Si no lo hacen, viajan fuera del área de reacción hacia el área cargada nuevamente, donde son acelerados nuevamente hacia adentro. En general, el proceso físico es similar a la fusión de haz en colisión , aunque los dispositivos de haz son lineales en lugar de esféricos. Otros diseños IEC, como el polywell , difieren en gran medida en la disposición de los campos utilizados para crear el pozo de potencial.

Varios estudios teóricos detallados han señalado que el método IEC está sujeto a una serie de mecanismos de pérdida de energía que no están presentes si el combustible se calienta de manera uniforme, o "maxwelliano" . Estos mecanismos de pérdida parecen ser mayores que la tasa de fusión en dichos dispositivos, lo que significa que nunca pueden alcanzar el punto de equilibrio de la fusión y, por lo tanto, usarse para la producción de energía. Estos mecanismos son más poderosos cuando aumenta la masa atómica del combustible, lo que sugiere que IEC tampoco tiene ninguna ventaja con los combustibles aneutrónicos. Si estas críticas se aplican a dispositivos IEC específicos sigue siendo muy controvertido.

Mecanismo

Por cada voltio que se acelera un ion, su ganancia de energía cinética corresponde a un aumento de temperatura de 11.604 kelvin (K). Por ejemplo, un plasma de fusión por confinamiento magnético típico tiene 15 keV, lo que corresponde a 170 megakelvin (MK). Un ion con una carga de uno puede alcanzar esta temperatura al ser acelerado a través de una caída de 15.000 V. Este tipo de voltaje se logra fácilmente en dispositivos eléctricos comunes; un tubo de rayos catódicos típico opera en este rango.

En los fusores, la caída de tensión se produce con una jaula de alambre. Sin embargo, se producen grandes pérdidas de conducción en los fusores porque la mayoría de los iones caen en la jaula antes de que pueda producirse la fusión. Esto impide que los fusores actuales produzcan potencia neta.

Esta es una ilustración del mecanismo básico de fusión en fusores. (1) El fusor contiene dos jaulas de alambre concéntricas. El cátodo está dentro del ánodo. (2) Los iones positivos son atraídos hacia el cátodo interior. Caen por la caída de tensión. El campo eléctrico realiza trabajo sobre los iones calentándolos hasta las condiciones de fusión. (3) Los iones no alcanzan la jaula interior. (4) Los iones chocan en el centro y pueden fusionarse. [1] [2]

Historia

Década de 1930

Mark Oliphant adapta el acelerador de partículas de Cockcroft y Walton en el Laboratorio Cavendish para crear tritio y helio-3 mediante fusión nuclear. [3]

Década de 1950

Esta imagen muestra el diseño de ánodo/cátodo para diferentes conceptos y experimentos IEC.

Tres investigadores del LANL , entre ellos Jim Tuck, exploraron por primera vez la idea, de manera teórica, en un artículo de 1959. [4] La idea había sido propuesta por un colega. [5] El concepto consistía en capturar electrones dentro de una jaula positiva. Los electrones acelerarían los iones hasta alcanzar las condiciones de fusión.

Se estaban desarrollando otros conceptos que luego se fusionarían en el campo IEC. Estos incluyen la publicación del criterio de Lawson por John D. Lawson en 1957 en Inglaterra. [6] Esto establece criterios mínimos para los diseños de plantas de energía que realizan fusión utilizando nubes de plasma maxwelliano caliente. Además, el trabajo que explora cómo se comportan los electrones dentro de la cúspide bicónica , realizado por el grupo de Harold Grad en el Instituto Courant en 1957. [7] [8] Una cúspide bicónica es un dispositivo con dos polos magnéticos iguales enfrentados (es decir, norte-norte). Los electrones e iones pueden quedar atrapados entre estos.

Década de 1960

Patente estadounidense 3.386.883 : Esquema de la patente de Philo Farnsworth de 1968. Este dispositivo tiene una jaula interior para crear el campo y cuatro cañones de iones en el exterior.

En su trabajo con tubos de vacío, Philo Farnsworth observó que la carga eléctrica se acumularía en regiones del tubo. Hoy, este efecto se conoce como el efecto multipactor . [9] Farnsworth razonó que si los iones se concentraban lo suficientemente alto podrían colisionar y fusionarse. En 1962, presentó una patente sobre un diseño que utilizaba una jaula interna positiva para concentrar plasma, con el fin de lograr la fusión nuclear. [10] Durante este tiempo, Robert L. Hirsch se unió a los laboratorios de Farnsworth Television y comenzó a trabajar en lo que se convirtió en el fusor . Hirsch patentó el diseño en 1966 [11] y publicó el diseño en 1967. [12] La máquina de Hirsch era una máquina de 17,8 cm de diámetro con una caída de voltaje de 150 kV a través de ella y usaba haces de iones para ayudar a inyectar material.

Simultáneamente, Lyman Spitzer publicó un texto clave sobre física del plasma en Princeton en 1963. [13] Spitzer tomó las leyes de los gases ideales y las adaptó a un plasma ionizado, desarrollando muchas de las ecuaciones fundamentales utilizadas para modelar un plasma. Mientras tanto, el grupo de Richard F. Post en el LLNL desarrolló la teoría del espejo magnético y la conversión directa de energía . [14] [15] Un espejo magnético o una botella magnética es similar a una cúspide bicónica excepto que los polos están invertidos.

Década de 1980

En 1980, Robert W. Bussard desarrolló un cruce entre un fusor y un espejo magnético , el polywell . La idea era confinar un plasma no neutro utilizando campos magnéticos. Esto, a su vez, atraería iones. Esta idea había sido publicada previamente, en particular por Oleg Lavrentiev en Rusia. [16] [17] [18] Bussard patentó [19] el diseño y recibió financiación de la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa , DARPA y la Marina de los EE. UU. para desarrollar la idea. [20]

Década de 1990

Bussard y Nicholas Krall publicaron la teoría y los resultados experimentales a principios de los noventa. [21] [22] En respuesta, Todd Rider en el MIT , bajo la dirección de Lawrence Lidsky, desarrolló modelos generales del dispositivo. [23] Rider argumentó que el dispositivo estaba fundamentalmente limitado. Ese mismo año, 1995, William Nevins en LLNL publicó una crítica del polywell. [24] Nevins argumentó que las partículas acumularían un momento angular , lo que provocaría que el núcleo denso se degradara.

A mediados de los noventa, las publicaciones de Bussard impulsaron el desarrollo de fusores en la Universidad de Wisconsin-Madison y en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . La máquina de Madison se construyó por primera vez en 1995. [25] El equipo de George H. Miley en Illinois construyó un fusor de 25 cm que ha producido 10 7 neutrones utilizando gas deuterio [26] y descubrió el "modo estrella" de funcionamiento del fusor en 1994. [27] El año siguiente, se llevó a cabo el primer "Taller EE. UU.-Japón sobre fusión IEC". Esta es ahora la principal conferencia para investigadores IEC. En ese momento, en Europa, Daimler-Chrysler Aerospace desarrolló un dispositivo IEC como fuente de neutrones comercial con el nombre de FusionStar. [28] A fines de los noventa, el aficionado Richard Hull comenzó a construir fusores amateur en su casa. [29] En marzo de 1999, logró una tasa de neutrones de 10 5 neutrones por segundo. [30] Hull y Paul Schatzkin iniciaron fusor.net en 1998. [31] A través de este foro abierto, una comunidad de fusionistas aficionados ha realizado fusión nuclear utilizando fusores caseros.

Década de 2000

A pesar de que en el año 2000 se demostró que la cámara de reacción sellada con control automático funcionaba durante 7200 horas sin degradación a alta potencia, el proyecto FusionStar se canceló y se fundó la empresa NSD Ltd. La tecnología esférica FusionStar se desarrolló posteriormente como un sistema de geometría lineal con una eficiencia mejorada y una mayor salida de neutrones por parte de NSD Ltd., que en 2005 se convirtió en NSD-Fusion GmbH.

A principios de 2000, Alex Klein desarrolló un cruce entre un polywell y haces de iones. [32] Utilizando la lente Gabor , el Dr. Klein intentó enfocar el plasma en nubes no neutrales para la fusión. Fundó FP generation, que en abril de 2009 recaudó $3 millones en financiación de dos fondos de riesgo. [33] [34] La empresa desarrolló la máquina MIX y Marble, pero se topó con desafíos técnicos y cerró.

En respuesta a las críticas de Riders, los investigadores del LANL razonaron que un plasma oscilante podría estar en equilibrio termodinámico local; esto impulsó las máquinas de trampas POPS y Penning. [35] [36] En ese momento, los investigadores del MIT se interesaron en los fusores para la propulsión espacial [37] y la propulsión de vehículos espaciales. [38] En concreto, los investigadores desarrollaron fusores con múltiples jaulas internas. En 2005, Greg Piefer fundó Phoenix Nuclear Labs para desarrollar el fusor en una fuente de neutrones para la producción en masa de isótopos médicos. [39]

Robert Bussard comenzó a hablar abiertamente sobre Polywell en 2006. [40] Intentó generar interés [41] en la investigación, antes de fallecer de mieloma múltiple en 2007. [42] Su compañía pudo recaudar más de diez millones en fondos de la Marina de los EE. UU. en 2008 [43] [44] y 2009. [45]

Década de 2010

Las publicaciones de Bussard impulsaron a la Universidad de Sydney a iniciar investigaciones sobre el atrapamiento de electrones en polywells en 2010. [46] El grupo ha explorado la teoría, [47] modelado dispositivos, [48] construido dispositivos, medido el atrapamiento [49] y simulado el atrapamiento. Todas estas máquinas eran de bajo consumo y costo y todas tenían una pequeña relación beta . En 2010, Carl Greninger fundó el consorcio nuclear del noroeste, una organización que enseña principios de ingeniería nuclear a estudiantes de secundaria, utilizando un fusor de 60 kvoltios. [50] [51] En 2012, Mark Suppes recibió atención, [52] [53] por un fusor. Suppes también midió el atrapamiento de electrones dentro de un polywell. [54] En 2013, el primer libro de texto IEC fue publicado por George H. Miley . [55]

Década de 2020

Avalanche Energy es una empresa emergente con aproximadamente 51 millones de dólares en financiación de riesgo/DOD que está trabajando en baterías de fusión pequeñas (decenas de centímetros), modulares y que producen 5kWe. Su objetivo es alcanzar los 600 kV para su dispositivo con el fin de lograr ciertos objetivos de diseño. Su concepto Orbitron confina electrostáticamente (magnetrón aumentado) los iones que orbitan alrededor de un cátodo de alto voltaje (cientos de kV) en un entorno de alto vacío (p< 10 −8 Torr) rodeado por una o dos capas de ánodo separadas por un dieléctrico. Las preocupaciones incluyen la ruptura del vacío/dieléctrico y la descarga disruptiva de la superficie del aislador. Los generadores de campo magnético de imán permanente /electroimán están dispuestos coaxialmente alrededor del ánodo. La intensidad del campo magnético está destinada a superar una condición de corte de Hull , que oscila entre 50 y 4000 kV. Los iones candidatos incluyen protones (m/z=1), deuterio (m/z=2), tritio (m/z=3), litio-6 (m/z=6) y boro-11 (m/z=11). Los avances recientes incluyen pruebas exitosas de un aislador de 300 kV . [56]

Diseños con jaula

Fusor

El dispositivo IEC más conocido es el fusor. [12] Este dispositivo normalmente consta de dos jaulas de alambre dentro de una cámara de vacío. Estas jaulas se conocen como rejillas. La jaula interior se mantiene a un voltaje negativo contra la jaula exterior. Se introduce una pequeña cantidad de combustible de fusión (el gas deuterio es el más común). El voltaje entre las rejillas hace que el combustible se ionice. Los iones positivos caen por la caída de voltaje hacia la jaula interior negativa. A medida que aceleran, el campo eléctrico realiza un trabajo sobre los iones, acelerándolos hasta las condiciones de fusión. Si estos iones chocan, pueden fusionarse. Los fusores también pueden utilizar cañones de iones en lugar de rejillas eléctricas. Los fusores son populares entre los aficionados, [57] porque se pueden construir fácilmente, pueden producir fusión regularmente y son una forma práctica de estudiar la física nuclear . Los fusores también se han utilizado como generador de neutrones comercial para aplicaciones industriales. [58]

Ningún fusor se ha acercado a producir una cantidad significativa de energía de fusión . Pueden ser peligrosos si no se toman los cuidados adecuados porque requieren altos voltajes y pueden producir radiación dañina ( neutrones y rayos X ). A menudo, los iones chocan con las jaulas o la pared. Esto conduce la energía fuera del dispositivo, lo que limita su rendimiento. Además, las colisiones calientan las rejillas, lo que limita los dispositivos de alta potencia. Las colisiones también rocían iones de alta masa en la cámara de reacción, contaminan el plasma y enfrían el combustible.

POPS

Al examinar el plasma no térmico , los trabajadores del LANL se dieron cuenta de que la dispersión era más probable que la fusión. Esto se debía a que la sección transversal de dispersión de Coulomb era mayor que la sección transversal de fusión. [59] En respuesta, construyeron POPS, [60] [61] una máquina con una jaula de alambre, donde los iones se mueven en estado estable u oscilan alrededor. Dicho plasma puede estar en equilibrio termodinámico local. [62] Se predice que la oscilación de iones mantiene la distribución de equilibrio de los iones en todo momento, lo que eliminaría cualquier pérdida de potencia debido a la dispersión de Coulomb, lo que resultaría en una ganancia neta de energía . Trabajando a partir de este diseño, los investigadores en Rusia simularon el diseño POPS utilizando un código de partículas en celda en 2009. [63] Este concepto de reactor se vuelve cada vez más eficiente a medida que se reduce el tamaño del dispositivo. Sin embargo, se requieren transparencias muy altas (> 99,999 %) para el funcionamiento exitoso del concepto POPS. Con este fin, S. Krupakar Murali et al. sugirieron que los nanotubos de carbono se pueden utilizar para construir las rejillas del cátodo. [64] Esta es también la primera aplicación (sugerida) de nanotubos de carbono directamente en cualquier reactor de fusión.

Diseños con campos

Existen varios esquemas que intentan combinar el confinamiento magnético y los campos electrostáticos con IEC. El objetivo es eliminar la jaula de alambre interna del fusor y los problemas resultantes.

Pozo polivinílico

El polywell utiliza un campo magnético para atrapar electrones. Cuando los electrones o iones se mueven en un campo denso, pueden ser reflejados por el efecto de espejo magnético. [15] Un polywell está diseñado para atrapar electrones en el centro, con un campo magnético denso que los rodea. [49] [65] [66] Esto se hace típicamente usando seis electroimanes en una caja. Cada imán está posicionado de manera que sus polos miren hacia adentro, creando un punto nulo en el centro. Los electrones atrapados en el centro forman un "electrodo virtual" [67] Idealmente, esta nube de electrones acelera los iones a condiciones de fusión. [19]

Trampa de corral

Sección transversal de la trampa de Penning. El eje es vertical. Los electrones orbitan alrededor del centro bajo confinamiento electrostático de CC (azul) y magnético de CC (rojo). En este diagrama, las partículas confinadas son positivas; para confinar los electrones, se deben intercambiar las polaridades de los electrodos.

Una trampa de Penning utiliza un campo eléctrico y uno magnético para atrapar partículas, un campo magnético para confinar las partículas radialmente y un campo eléctrico cuadrupolar para confinar las partículas axialmente. [68]

En un reactor de fusión con trampa de Penning, primero se activan los campos magnéticos y eléctricos. Luego, se emiten electrones hacia la trampa, se capturan y se miden. Los electrones forman un electrodo virtual similar al de un polywell, descrito anteriormente. Estos electrones están destinados a atraer iones, acelerándolos hasta las condiciones de fusión. [69]

En la década de 1990, los investigadores del LANL construyeron una trampa de Penning para realizar experimentos de fusión. Su dispositivo (PFX) era una máquina pequeña (de milímetros) y de bajo consumo (una quinta parte de un tesla , menos de diez mil voltios). [36]

Mármol

MARBLE (experimento de línea de haz recirculante ambipolar múltiple ) era un dispositivo que movía electrones e iones de un lado a otro en una línea. [34] Los haces de partículas se reflejaban utilizando óptica electrostática . [70] Estas ópticas crearon superficies de voltaje estático en el espacio libre. [ cita requerida ] Tales superficies reflejan solo partículas con una energía cinética específica, mientras que las partículas de mayor energía pueden atravesar estas superficies sin impedimentos, aunque no sin verse afectadas. La captura de electrones y el comportamiento del plasma se midieron con la sonda Langmuir . [34] Marble mantuvo los iones en órbitas que no intersectan los cables de la red; esto último también mejora las limitaciones de carga espacial mediante la anidación múltiple de haces de iones a varias energías. [71] Los investigadores encontraron problemas con pérdidas de iones en los puntos de reflexión. Los iones se ralentizaban al girar, pasando mucho tiempo allí, lo que provocaba altas pérdidas de conducción . [72]

MEZCLA

El experimento de haz de iones multipolar (MIX) aceleró iones y electrones en un electroimán con carga negativa. [32] Los iones se enfocaron utilizando lentes de Gabor . El investigador tuvo problemas con una región de giro de iones muy delgada muy cerca de una superficie sólida [32] donde los iones podían ser conducidos.

Aislado magnéticamente

Se han propuesto dispositivos en los que la jaula negativa está aislada magnéticamente de los plasmas entrantes. [73]

Crítica general

En 1995, Todd Rider criticó todos los esquemas de energía de fusión que utilizan sistemas de plasma que no están en equilibrio termodinámico. [23] Rider asumió que las nubes de plasma en equilibrio tenían las siguientes propiedades:

Rider argumentó que si dicho sistema se calentaba lo suficiente, no se podía esperar que produjera energía neta, debido a las elevadas pérdidas de rayos X.

Otros investigadores de la fusión, como Nicholas Krall , [74] Robert W. Bussard , [67] Norman Rostoker y Monkhorst no están de acuerdo con esta evaluación. Argumentan que las condiciones del plasma dentro de las máquinas IEC no son cuasineutrales y tienen distribuciones de energía no térmicas . [75] Debido a que el electrón tiene una masa y un diámetro mucho más pequeños que el ion, la temperatura del electrón puede ser varios órdenes de magnitud diferente a la de los iones. Esto puede permitir optimizar el plasma, por lo que los electrones fríos reducirían las pérdidas de radiación y los iones calientes aumentarían las tasas de fusión . [41]

Termalización

Esta es una comparación de distribución de energía de iones termalizados y no termalizados.

El principal problema que Rider ha planteado es la termalización de los iones. Rider argumentó que, en un plasma cuasineutral donde todos los positivos y negativos están distribuidos equitativamente, los iones interactuarán. A medida que lo hacen, intercambian energía, lo que hace que su energía se distribuya (en un proceso de Wiener ) en dirección a una curva de campana (o función gaussiana ) de energía. Rider centró sus argumentos en la población de iones y no abordó el intercambio de energía electrón-ion o los plasmas no térmicos .

Esta dispersión de energía provoca varios problemas. Uno de ellos es la generación de cada vez más iones fríos, que son demasiado fríos para fusionarse, lo que reduciría la potencia de salida. Otro problema son los iones de mayor energía, que tienen tanta energía que pueden escapar de la máquina. Esto reduce las tasas de fusión y aumenta las pérdidas por conducción, porque cuando los iones salen, se llevan consigo la energía.

Radiación

Rider estimó que una vez que el plasma se termaliza, las pérdidas de radiación superarían cualquier cantidad de energía de fusión generada. Se centró en un tipo específico de radiación: la radiación de rayos X. Una partícula en un plasma irradiará luz cada vez que acelere o desacelere. Esto se puede estimar utilizando la fórmula de Larmor . Rider estimó esto para D–T (fusión deuterio-tritio), D–D (fusión deuterio) y D–He3 (fusión deuterio-helio 3), y que la operación de equilibrio con cualquier combustible excepto D–T es difícil. [23]

Enfoque central

En 1995, Nevins argumentó que tales máquinas necesitarían gastar una gran cantidad de energía para mantener el foco de iones en el centro. Los iones necesitan estar enfocados para que puedan encontrarse, colisionar y fusionarse. Con el tiempo, los iones positivos y los electrones negativos se mezclarían naturalmente debido a la atracción electrostática . Esto hace que se pierda el foco. Esto es la degradación del núcleo. Nevins argumentó matemáticamente que la ganancia de fusión (la relación entre la potencia de fusión producida y la potencia necesaria para mantener la función de distribución de iones de no equilibrio) está limitada a 0,1 suponiendo que el dispositivo se alimenta con una mezcla de deuterio y tritio . [24]

El problema del enfoque central también fue identificado en los fusores por Tim Thorson en la Universidad de Wisconsin-Madison durante su trabajo de doctorado de 1996. [1] Los iones cargados tendrían algún movimiento antes de comenzar a acelerar en el centro. Este movimiento podría ser un movimiento de torsión, donde el ion tuviera un momento angular , o simplemente una velocidad tangencial. Este movimiento inicial hace que la nube en el centro del fusor quede desenfocada.

Límite de Brillouin

En 1945, el profesor de la Universidad de Columbia, Léon Brillouin, sugirió que había un límite en la cantidad de electrones que se podían agrupar en un volumen determinado. [76] Este límite se conoce comúnmente como límite de Brillouin o densidad de Brillouin, [77] que se muestra a continuación. [36]

Donde B es el campo magnético, la permeabilidad del espacio libre, m la masa de las partículas confinadas y c la velocidad de la luz. Esto puede limitar la densidad de carga dentro de los dispositivos IEC.

Aplicaciones comerciales

Dado que las reacciones de fusión generan neutrones, el fusor se ha desarrollado como una familia de generadores de neutrones compactos con cámara de reacción sellada [78] para una amplia gama de aplicaciones que necesitan tasas de salida de neutrones moderadas a un precio moderado. Las fuentes de neutrones de salida muy alta se pueden utilizar para fabricar productos como molibdeno-99 [39] y nitrógeno-13 , isótopos médicos utilizados para exploraciones PET . [79]

Dispositivos

Gobierno y comercio

Universidades

Véase también

Patentes

Referencias

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