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polipozo

El polipozo es un diseño propuesto para un reactor de fusión que utiliza un campo eléctrico y magnético para calentar iones hasta las condiciones de fusión.

El diseño está relacionado con el fusor , el reactor de alta fusión beta , el espejo magnético y la cúspide bicónica . Un conjunto de electroimanes genera un campo magnético que atrapa electrones . Esto crea un voltaje negativo, que atrae iones positivos . A medida que los iones aceleran hacia el centro negativo, su energía cinética aumenta. Los iones que chocan a energías suficientemente altas pueden fusionarse .

Mecanismo

Calefacción por fusor

Un fusor casero
Fusor Farnsworth-Hirsch durante el funcionamiento en el llamado "modo estrella", caracterizado por "rayos" de plasma brillante que parecen emanar de los huecos de la rejilla interior.

Un fusor Farnsworth-Hirsch consta de dos jaulas de alambre, una dentro de la otra, a menudo denominadas rejillas, que se colocan dentro de una cámara de vacío . La jaula exterior tiene un voltaje positivo frente a la jaula interior. En esta cámara se inyecta un combustible, típicamente gas deuterio . Se calienta más allá de su temperatura de ionización , generando iones positivos . Los iones son positivos y se mueven hacia la jaula interior negativa. Aquellos que no tocan los cables de la jaula interior vuelan a través del centro del dispositivo a altas velocidades y pueden salir volando por el otro lado de la jaula interior. A medida que los iones se mueven hacia afuera, una fuerza de Coulomb los impulsa de regreso al centro. Con el tiempo, se puede formar un núcleo de gas ionizado dentro de la jaula interior. Los iones pasan de un lado a otro a través del núcleo hasta que chocan contra la rejilla o contra otro núcleo. La mayoría de los choques con núcleos no resultan en fusión. Los golpes contra la red pueden elevar la temperatura de la misma además de erosionarla. Estos golpes alejan la masa y la energía del plasma, además de desprender iones metálicos hacia el gas, lo que lo enfría.

En los fusores el pozo de potencial se realiza con una jaula de alambre. Debido a que la mayoría de los iones y electrones caen sobre la jaula, los fusores sufren altas pérdidas de conducción . Por lo tanto, ningún fusor se ha acercado al punto de equilibrio energético.

Figura 1 : Ilustración del mecanismo básico de fusión en fusores. (1) El fusor contiene dos jaulas de alambre concéntricas. El cátodo (azul) está dentro del ánodo (rojo). (2) Los iones positivos son atraídos hacia el cátodo interno. El campo eléctrico trabaja sobre los iones calentándolos hasta alcanzar condiciones de fusión. (3) Los iones no llegan a la jaula interior. (4) Los iones chocan en el centro y pueden fusionarse. [1] [2]

Atrapamiento de plasma diamagnético

El Polywell intenta contener un plasma diamagnético , un material que rechaza los campos magnéticos externos creados por los electroimanes. Este tipo de comportamiento no es normal en los plasmas fusionados.

Tanto el Polywell como el reactor de alta fusión beta presuponen que el campo autogenerado del plasma es tan fuerte que rechazará el campo exterior. Bussard llamó más tarde a este tipo de confinamiento Wiffle-Ball . Esta analogía se utilizó para describir el atrapamiento de electrones dentro del campo. Las canicas pueden quedar atrapadas dentro de una bola Wiffle , una esfera hueca y perforada; Si se meten canicas en su interior, pueden rodar y, en ocasiones, escaparse por los agujeros de la esfera. La topología magnética de un polipozo beta alto actúa de manera similar con los electrones. En junio de 2014, EMC2 publicó una preimpresión [3] que proporciona (1) mediciones de rayos X y (2) de bucle de flujo de que el efecto diamagnético afectará el campo externo.

Esta figura muestra el desarrollo del concepto de confinamiento propuesto como "bola de wiffle". Se muestran tres filas de figuras: el campo magnético, el movimiento de los electrones y la densidad del plasma dentro del polipozo. (A) El campo es la superposición de seis anillos en una caja. En el centro hay un punto nulo, una zona sin campo magnético. [4] El plasma está magnetizado , lo que significa que el plasma y el campo magnético se mezclan. (B) A medida que se inyecta plasma, la densidad aumenta. (C) A medida que aumenta la densidad del plasma, el plasma se vuelve más diamagnético , lo que hace que rechace el campo magnético exterior. A medida que el plasma presiona hacia afuera, aumenta la densidad del campo magnético circundante. Esto refuerza el movimiento en espiral de las partículas fuera del centro. Se forma un límite definido. [3] Se predice que se formará una corriente [5] [6] en este límite. (D) Si las presiones encuentran el equilibrio en una beta de uno, esto determina la forma de la nube de plasma. (E) En el centro, no hay campo magnético de los anillos. Esto significa que su movimiento dentro del radio libre del campo debe ser relativamente recto o balístico. [4]

Según Bussard, la tasa de fuga de cúspide típica es tal que un electrón realiza de 5 a 8 pasos antes de escapar a través de una cúspide en una cúspide bicónica de confinamiento de espejo estándar; de 10 a 60 pases en un polipozo bajo confinamiento en espejo (beta baja) que llamó confinamiento en cúspide; y varios miles de pases en confinamiento Wiffle-Ball (beta alta). [7] [8]

En febrero de 2013, Lockheed Martin Skunk Works anunció una nueva máquina de fusión compacta, el reactor de alta fusión beta , [9] [10] que puede estar relacionado con la cúspide bicónica y el polipozo, y que funciona a β  = 1.

Otros mecanismos de captura

espejo magnético

El espejo magnético domina en los diseños de beta baja. Tanto los iones como los electrones se reflejan desde campos de alta a baja densidad. Esto se conoce como efecto espejo magnético. [11] Los anillos del polipozo están dispuestos de manera que los campos más densos estén en el exterior, atrapando electrones en el centro. Esto puede atrapar partículas con valores beta bajos.

Confinamiento de cúspide

Figura 3 : cúspides de Polywell. La línea cúspide discurre a lo largo de la costura entre dos electroimanes. La cúspide divertida es la cúspide entre tres imanes que se extienden a lo largo de las esquinas. La cúspide puntual se encuentra en el centro de un electroimán.

En condiciones de beta alta, la máquina puede funcionar con confinamiento de cúspides. [12] Esta es una mejora con respecto al espejo magnético más simple. [13] El MaGrid tiene seis cúspides puntiagudas, cada una ubicada en el medio de un anillo; y dos cúspides lineales muy modificadas, que unen las ocho cúspides angulares situadas en los vértices del cubo. La clave es que estas cúspides de dos líneas son mucho más estrechas que la cúspide de una sola línea en las máquinas de espejo magnético, por lo que las pérdidas netas son menores. Las pérdidas de las cúspides de dos líneas son similares o menores que las de las cúspides de seis puntos centrados en la cara. [14] En 1955, Harold Grad teorizó que una presión de plasma beta alta combinada con un campo magnético en cúspide mejoraría el confinamiento del plasma. [5] Un plasma diamagnético rechaza los campos externos y tapa las cúspides. Este sistema sería una trampa mucho mejor.

El confinamiento en cúspides se exploró teóricamente [6] y experimentalmente. [15] Sin embargo, la mayoría de los experimentos culminantes fracasaron y desaparecieron de los programas nacionales en 1980.

Beta en trampas magnéticas

Figura 2 : Un gráfico del campo magnético generado por MaGrid dentro de un polipozo. El punto nulo está marcado en rojo en el centro.

Los campos magnéticos ejercen una presión sobre el plasma. Beta es la relación entre la presión del plasma y la intensidad del campo magnético. Se puede definir por separado para electrones e iones. El polipozo se ocupa únicamente del electrón beta, mientras que el ión beta es de mayor interés en Tokamak y otras máquinas de plasma neutro. Los dos varían en una proporción muy grande, debido a la enorme diferencia de masa entre un electrón y cualquier ion. Normalmente, en otros dispositivos se ignora el electrón beta, ya que el ión beta determina parámetros plasmáticos más importantes. Este es un importante punto de confusión para los científicos más familiarizados con la física del plasma de fusión más "convencional".

Tenga en cuenta que para el electrón beta, solo se utilizan la densidad del número de electrones y la temperatura, ya que ambas, pero especialmente la última, pueden variar significativamente de los parámetros del ion en la misma ubicación.

[dieciséis]

La mayoría de los experimentos en polipozos involucran regímenes de plasma de beta baja (donde β <1), [17] donde la presión del plasma es débil en comparación con la presión magnética . Varios modelos describen el atrapamiento magnético en polipozos. [ cita necesaria ] Las pruebas indicaron que el confinamiento del plasma aumenta en una configuración de cúspide magnética cuando β (presión plasmática / presión del campo magnético) es de orden unidad. Esta mejora es necesaria para que sea viable un reactor de energía de fusión basado en confinamiento en cúspide. [18]

Diseño

Figura 1 : Bosquejo de un MaGrid en un polipozo

El principal problema del fusor es que la jaula interior conduce demasiada energía y masa. La solución, sugerida por Robert Bussard y Oleg Lavrentiev , [19] fue reemplazar la jaula negativa con un "cátodo virtual" hecho de una nube de electrones.

Un polipozo consta de varias partes. Estos se colocan dentro de una cámara de vacío [20]

La densidad de energía magnética necesaria para confinar electrones es mucho menor que la necesaria para confinar iones directamente, como se hace en otros proyectos de fusión como ITER . [21] [24] [25]

Otro comportamiento

Movimiento de un solo electrón

Figura 4 : Ilustración del movimiento de un solo electrón dentro del polipozo. Se basa en cifras de "Confinamiento beta bajo en un polipozo modelado con teorías de cúspides puntuales convencionales", pero no es una copia exacta.

Cuando un electrón entra en un campo magnético, siente una fuerza de Lorentz y gira en tirabuzón. El radio de este movimiento es el giroradio . A medida que se mueve pierde algo de energía en forma de rayos X , cada vez que cambia de velocidad. El electrón gira más rápido y con mayor fuerza en campos más densos cuando ingresa al MaGrid. Dentro de MaGrid, los electrones individuales viajan directamente a través del punto nulo, debido a su radio de giro infinito en regiones sin campo magnético. A continuación, se dirigen hacia los bordes del campo MaGrid y se ajustan más en espiral a lo largo de las líneas más densas del campo magnético. [17] [26] Este es el típico movimiento de resonancia de ciclotrón de electrones . Su giroradio se reduce y cuando chocan con un denso campo magnético pueden reflejarse mediante el efecto de espejo magnético. [27] [28] [29] Se ha medido la captura de electrones en polipocillos con sondas Langmuir . [21] [22] [4]

El polipozo intenta confinar los iones y electrones a través de dos medios diferentes, tomados de fusores y espejos magnéticos . Los electrones son más fáciles de confinar magnéticamente porque tienen mucha menos masa que los iones. [30] La máquina confina los iones utilizando un campo eléctrico de la misma manera que un fusor confina los iones: en el polipozo, los iones son atraídos por la nube de electrones negativos en el centro. En el fusor, son atraídos por una jaula de alambre negativa en el centro.

Recirculación de plasma

La recirculación del plasma mejoraría significativamente el funcionamiento de estas máquinas. Se ha argumentado que la recirculación eficiente es la única forma en que pueden ser viables. [31] [32] Los electrones o iones se mueven a través del dispositivo sin golpear una superficie, lo que reduce las pérdidas de conducción . Bussard destacó esto; enfatizando específicamente que los electrones necesitan moverse a través de todas las cúspides de la máquina. [33] [34]

Figura 5 : Distribución de energía de iones de plasma termalizados dentro de un polipozo. [31] Este modelo supone una población de iones maxwellianos, dividida en diferentes grupos. (1) Los iones que no tienen suficiente energía para fusionarse, (2) los iones con la energía de inyección (3) los iones que tienen tanta energía cinética que escapan.

Modelos de distribución de energía.

Figura 6 : Distribución de energía de plasma no termalizado dentro de un polipozo. [35] Se argumenta que la región del espacio no magnetizado conduce a la dispersión de electrones, lo que conduce a una distribución monoenergética con una cola de electrones fría. Esto está respaldado por simulaciones bidimensionales de partículas en celdas.

Hasta 2015 no se había determinado de manera concluyente cuál es la distribución de energía de iones o electrones. La distribución de energía del plasma se puede medir utilizando una sonda Langmuir . Esta sonda absorbe carga del plasma a medida que cambia su voltaje, formando una curva IV . [36] A partir de esta señal, se puede calcular la distribución de energía. La distribución de energía impulsa y es impulsada por varias tasas físicas, [31] la tasa de pérdida de electrones e iones, la tasa de pérdida de energía por radiación , la tasa de fusión y la tasa de colisiones sin fusión. La tasa de colisiones puede variar mucho en todo el sistema: [ cita necesaria ]

Los críticos afirmaron que tanto las poblaciones de electrones como de iones tienen una distribución en curva de campana ; [31] que el plasma está termalizado . La justificación dada es que cuanto más se mueven los electrones y los iones dentro del polipozo, más interacciones sufren, lo que conduce a la termalización. Este modelo para [31] la distribución de iones se muestra en la Figura 5.

Los partidarios modelaron un plasma no térmico . [33] La justificación es la gran cantidad de dispersión en el centro del dispositivo. [37] Sin un campo magnético, los electrones se dispersan en esta región. Afirmaron que esta dispersión conduce a una distribución monoenergética, como la que se muestra en la Figura 6. Este argumento está respaldado por simulaciones bidimensionales de partículas en células. [37] Bussard argumentó que la inyección constante de electrones tendría el mismo efecto. [20] Tal distribución ayudaría a mantener un voltaje negativo en el centro, mejorando el rendimiento. [20]

Consideraciones para la potencia neta

Tipo de combustible

Figura 7 : Gráfico de la sección transversal de diferentes reacciones de fusión.

La fusión nuclear se refiere a reacciones nucleares que combinan núcleos más ligeros para convertirse en núcleos más pesados. Todos los elementos químicos se pueden fusionar; Para elementos con menos protones que el hierro, este proceso transforma la masa en energía que potencialmente puede capturarse para proporcionar energía de fusión .

La probabilidad de que ocurra una reacción de fusión está controlada por la sección transversal del combustible, [38] que a su vez es función de su temperatura. Los núcleos más fáciles de fusionar son el deuterio y el tritio . Su fusión se produce cuando los iones alcanzan los 4 keV ( kiloelectronvoltios ), o unos 45 millones de kelvin . El Polywell lograría esto acelerando un ion con una carga de 1 en un campo eléctrico de 4.000 voltios. El alto costo, la corta vida media y la radiactividad del tritio dificultan su trabajo.

La segunda reacción más sencilla es fusionar el deuterio consigo mismo. Debido a su bajo costo, los aficionados a Fusor suelen utilizar el deuterio. Los experimentos con polipozos de Bussard se realizaron utilizando este combustible. La fusión de deuterio o tritio produce un neutrón rápido y, por tanto, produce residuos radiactivos. La elección de Bussard fue fusionar el boro-11 con protones; esta reacción es aneutrónica (no produce neutrones). Una ventaja del p- 11 B como combustible de fusión es que la salida del reactor primario serían partículas alfa energéticas, que pueden convertirse directamente en electricidad con alta eficiencia mediante la conversión directa de energía . La conversión directa ha logrado una eficiencia energética del 48% [39] frente a una eficiencia teórica del 80-90%. [11]

criterio de lawson

La energía generada por la fusión dentro de una nube de plasma caliente se puede encontrar con la siguiente ecuación: [40]

dónde:

La energía varía con la temperatura, la densidad, la velocidad de colisión y el combustible. Para alcanzar la producción neta de energía, las reacciones deben ocurrir con la suficiente rapidez para compensar las pérdidas de energía. Las nubes de plasma pierden energía por conducción y radiación . [40] La conducción es cuando iones , electrones o neutros tocan una superficie y escapan. La energía se pierde con la partícula. La radiación es cuando la energía se escapa en forma de luz. La radiación aumenta con la temperatura. Para obtener energía neta de la fusión, es necesario superar estas pérdidas. Esto conduce a una ecuación para la producción de energía.

Potencia neta = Eficiencia × (Fusión - Pérdida por radiación - Pérdida por conducción)

Lawson utilizó esta ecuación para estimar las condiciones de potencia neta [40] basándose en una nube de Maxwell . [40]

Sin embargo, el criterio de Lawson no se aplica a Polywells si la conjetura de Bussard de que el plasma no es térmico es correcta. Lawson afirmó en su informe fundacional: [40] "Por supuesto, es fácil postular sistemas en los que la distribución de velocidades de la partícula no sea maxwelliana. Estos sistemas están fuera del alcance de este informe". También descartó la posibilidad de que se encienda un plasma no térmico: "No se puede ganar nada usando un sistema en el que los electrones estén a una temperatura más baja [que los iones]. La pérdida de energía en tal sistema por transferencia a los electrones siempre será mayor que la energía que irradiarían los electrones si tuvieran la [misma] temperatura".

Crítica

Hay varias críticas generales al Polywell:

Crítica del ciclista

Todd Rider (ingeniero biológico y antiguo estudiante de física del plasma) [41] calculó que las pérdidas por radiación de rayos X con este combustible superarían la producción de energía de fusión en al menos un 20%. El modelo de Rider utilizó los siguientes supuestos: [31] [32]

Basándose en estos supuestos, Rider utilizó ecuaciones generales [43] para estimar las tasas de diferentes efectos físicos. Estos incluían la pérdida de iones por dispersión ascendente, la tasa de termalización de iones, la pérdida de energía debido a la radiación de rayos X y la tasa de fusión. [31] Sus conclusiones fueron que el dispositivo adolecía de "defectos fundamentales". [31]

Por el contrario, Bussard argumentó [8] que el plasma tenía una estructura, distribución de temperatura y perfil de pozo diferentes. Estas características no se han medido completamente y son fundamentales para la viabilidad del dispositivo. Los cálculos de Bussard indicaron que las pérdidas por bremsstrahlung serían mucho menores. [44] [45] Según Bussard, la alta velocidad y, por lo tanto, la baja sección transversal para las colisiones de Coulomb de los iones en el núcleo hacen que las colisiones termales sean muy improbables, mientras que la baja velocidad en el borde significa que la termalización allí casi no tiene impacto en la velocidad de los iones. en el núcleo. [46] [47] Bussard calculó que un reactor Polywell con un radio de 1,5 metros produciría energía neta fusionando deuterio . [48]

Otros estudios refutaron algunas de las suposiciones hechas por Rider y Nevins, argumentando que la tasa de fusión real y la potencia de recirculación asociada (necesaria para superar el efecto termalizante y mantener el perfil iónico no maxwelliano) solo podrían estimarse con un tratamiento colisional autoconsistente. de la función de distribución de iones, que falta en el trabajo de Rider. [49]

Captura de energía

Se ha propuesto que se pueda extraer energía de los polipozos mediante captura de calor o, en el caso de fusión aneutrónica como D- 3 He o p - 11 B, conversión directa de energía , aunque ese esquema enfrenta desafíos. Las energéticas partículas alfa (de hasta unos pocos MeV) generadas por la reacción de fusión aneutrónica saldrían de MaGrid a través de las seis cúspides axiales en forma de conos (haces de iones extendidos). Los colectores de conversión directa dentro de la cámara de vacío convertirían la energía cinética de las partículas alfa en una corriente continua de alto voltaje . Las partículas alfa deben reducir su velocidad antes de que entren en contacto con las placas colectoras para lograr una alta eficiencia de conversión. [50] En experimentos, la conversión directa ha demostrado una eficiencia de conversión del 48%. [51]

Historia

A finales de los años 1960 varias investigaciones estudiaron los campos magnéticos poliédricos como una posibilidad para confinar un plasma de fusión. [52] [53] La primera propuesta para combinar esta configuración con un pozo de potencial electrostático para mejorar el confinamiento de electrones fue hecha por Oleg Lavrentiev en 1975. [19] La idea fue retomada por Robert Bussard en 1983. Su solicitud de patente de 1989 citó a Lavrentiev, [14] aunque en 2006 parece afirmar haber (re)descubierto la idea de forma independiente. [54]

HEPS

La investigación fue financiada primero por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa a partir de 1987 y más tarde por DARPA . [22] : 32:30  Esta financiación dio como resultado una máquina conocida como experimento de fuente de energía de alta energía (HEPS). Fue construida por Directed Technologies Inc. [55] Esta máquina era grande (1,9 m de ancho), con los anillos fuera de la cámara de vacío. [22] : 32:33  Esta máquina funcionó mal porque los campos magnéticos enviaron electrones a las paredes, lo que provocó pérdidas de conducción. Estas pérdidas se atribuyeron a una mala inyección de electrones. [55] La Marina de los EE. UU. comenzó a proporcionar financiación de bajo nivel para el proyecto en 1992. [56] Krall publicó los resultados en 1994. [55]

Bussard, que había sido un defensor de la investigación del Tokamak , se volvió a defender este concepto, por lo que la idea quedó asociada con su nombre. En 1995 envió una carta al Congreso de los Estados Unidos afirmando que sólo había apoyado a los Tokamaks para que el gobierno patrocinara la investigación sobre la fusión, pero ahora creía que había mejores alternativas.

EMC2, Inc.

Bussard fundó Energy/Matter Conversion Corporation, Inc. (también conocida como EMC2) en 1985 [22] [14] y después de que finalizó el programa HEPS, la empresa continuó su investigación. Se fabricaron sucesivas máquinas, evolucionando de la WB-1 a la WB-8. La empresa ganó una subvención SBIR I en 1992–93 y una subvención SBIR II en 1994–95, ambas de la Marina de los EE. UU. [54] En 1993, recibió una subvención del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica . [54] En 1994, la empresa recibió pequeñas subvenciones de la NASA y LANL . [54] A partir de 1999, la empresa fue financiada principalmente por la Marina de los EE. UU. [54]

WB-1 tenía seis imanes convencionales en un cubo. Este dispositivo tenía 10 cm de ancho. [54] WB-2 utilizó bobinas de cables para generar el campo magnético. Cada electroimán tenía una sección transversal cuadrada que creaba problemas. Los campos magnéticos impulsaron electrones hacia los anillos metálicos, aumentando las pérdidas de conducción y el atrapamiento de electrones. Este diseño también sufrió pérdidas de "cúspides curiosas" en las uniones entre imanes. WB-6 intentó abordar estos problemas utilizando anillos circulares y espaciándolos más. [22] El siguiente dispositivo, PXL-1, se construyó en 1996 y 1997. Esta máquina tenía 26 cm de ancho y usaba anillos más planos para generar el campo. [54] De 1998 a 2005, la empresa construyó una sucesión de seis máquinas: WB-3, MPG-1,2, WB-4, PZLx-1, MPG-4 y WB-5. Todos estos reactores eran diseños de seis imanes construidos como un cubo o un cubo truncado . Tenían un radio de entre 3 y 40 cm. [54]

Las dificultades iniciales en el confinamiento esférico de electrones llevaron a la terminación del proyecto de investigación de 2005. Sin embargo, Bussard informó una velocidad de fusión de 10,9 por segundo ejecutando reacciones de fusión DD a sólo 12,5 kV (basado en la detección de nueve neutrones en cinco pruebas, [8] [57] dando un amplio intervalo de confianza ). Afirmó que la tasa de fusión lograda por WB-6 fue aproximadamente 100.000 veces mayor que la que Farnsworth logró en condiciones de conducción y profundidad de pozo similares. [58] [59] En comparación, investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison informaron una velocidad de neutrones de hasta 5 × 10 9 por segundo a voltajes de 120 kV desde un fusor electrostático sin campos magnéticos. [60]

Bussard afirmó, mediante el uso de bobinas superconductoras , que el único canal significativo de pérdida de energía es a través de pérdidas de electrones proporcionales al área de la superficie. También afirmó que la densidad aumentaría con el cuadrado del campo ( condiciones beta constantes ), y el campo magnético máximo alcanzable aumentaría con el radio. En esas condiciones, la potencia de fusión producida aumentaría con la séptima potencia del radio, y la ganancia de energía aumentaría con la quinta potencia. Si bien Bussard no documentó públicamente el razonamiento subyacente a esta estimación, [61] de ser cierta, permitiría que un modelo sólo diez veces más grande fuera útil como planta de energía de fusión. [8]

WB-6

La financiación se volvió cada vez más estricta. Según Bussard , "los fondos eran claramente necesarios para la guerra más importante en Irak ". [59] Una financiación adicional de 900.000 dólares de la Oficina de Investigación Naval permitió que el programa continuara el tiempo suficiente para llegar a las pruebas del WB-6 en noviembre de 2005. El WB-6 tenía anillos con secciones transversales circulares separadas en las uniones. Esto redujo la superficie del metal desprotegida por campos magnéticos. Estos cambios mejoraron drásticamente el rendimiento del sistema, lo que llevó a una mayor recirculación de electrones y un mejor confinamiento de electrones, en un núcleo progresivamente más compacto. Esta máquina produjo una velocidad de fusión de 10 9 por segundo. Esto se basa en un total de nueve neutrones en cinco pruebas, lo que da un amplio intervalo de confianza. [8] [57] El voltaje de accionamiento en las pruebas WB-6 fue de aproximadamente 12,5 kV, con una profundidad potencial del pozo resultante de aproximadamente 10 kV. [8] Así, los iones de deuterio podrían tener un máximo de 10 keV de energía cinética en el centro. En comparación, un Fusor que ejecuta fusión de deuterio a 10 kV produciría una velocidad de fusión casi demasiado pequeña para detectarla. Hirsch informó de una tasa de fusión tan alta sólo al accionar su máquina con una caída de 150 kV entre las jaulas interior y exterior. [62] Hirsch también utilizó deuterio y tritio , un combustible mucho más fácil de fusionar, porque tiene una sección transversal nuclear más alta .

Si bien los pulsos del WB-6 eran inferiores a milisegundos, Bussard consideró que la física debería representar un estado estable. Una prueba de último minuto del WB-6 terminó prematuramente cuando el aislamiento de uno de los electroimanes de cuerda manual se quemó, destruyendo el dispositivo.

Esfuerzos para reiniciar la financiación

Sin más financiación durante 2006, el proyecto quedó estancado. Esto puso fin al embargo de 11 años de publicación y publicidad impuesto por la Marina de los EE. UU. entre 1994 y 2005. [63] El equipo de propiedad militar de la compañía fue transferido a SpaceDev , que contrató a tres de los investigadores del equipo. [59] Después de la transferencia, Bussard intentó atraer nuevos inversores, dando charlas tratando de despertar el interés en su diseño. Dio una charla en Google titulada "¿Debería Google volverse nuclear?" [22] También presentó y publicó una descripción general en el 57º Congreso Astronáutico Internacional en octubre de 2006. [8] Presentó en una reunión interna de Yahoo! Tech Talk el 10 de abril de 2007. [64] y habló en el programa de radio por Internet The Space Show el 8 de mayo de 2007. Bussard tenía planes para WB-8, que era un poliedro de orden superior, con 12 electroimanes. Sin embargo, este diseño no se utilizó en la máquina WB-8 real.

Bussard creía que la máquina WB-6 había demostrado avances y que no se necesitarían modelos de escala intermedia. Señaló: "Somos probablemente las únicas personas en el planeta que sabemos cómo hacer un sistema de fusión limpia de energía neta real" [58] Propuso reconstruir WB-6 de manera más robusta para verificar su desempeño. Después de publicar los resultados, planeó convocar una conferencia de expertos en el campo en un intento de lograr que respaldaran su diseño. El primer paso de ese plan fue diseñar y construir dos diseños más a pequeña escala (WB-7 y WB-8) para determinar qué máquina a gran escala sería mejor. Escribió: "El único trabajo de máquina a pequeña escala que queda, que aún puede brindar mayores mejoras en el rendimiento, es la prueba de uno o dos dispositivos de escala WB-6 pero con bobinas "cuadradas" o poligonales alineadas aproximadamente (pero ligeramente desplazadas en las caras principales). ) a lo largo de los bordes de los vértices del poliedro, si se construye alrededor de un dodecaedro truncado , se espera un rendimiento casi óptimo entre 3 y 5 veces mejor que WB-6. [8] Bussard murió el 6 de octubre de 2007 de mieloma múltiple a los 79 años. [65]

En 2007, Steven Chu , premio Nobel y exsecretario de Energía de los Estados Unidos , respondió una pregunta sobre Polywell en una charla sobre tecnología en Google . Dijo: "Hasta ahora, no hay suficiente información para poder dar una evaluación de la probabilidad de que funcione o no... Pero estoy tratando de obtener más información". [66]

Financiación puente 2007-2009

Reensamblando el equipo

En agosto de 2007, EMC2 recibió un contrato de 1,8 millones de dólares con la Marina de los EE. UU. [67] Antes de la muerte de Bussard en octubre de 2007, [68] Dolly Gray, quien cofundó EMC2 con Bussard y fue su presidenta y directora ejecutiva, ayudó a reunir científicos en Santa Fe para continuar. El grupo estaba dirigido por Richard Nebel e incluía al físico Jaeyoung Park, formado en Princeton. Ambos físicos se encontraban de licencia en LANL . El grupo también incluía a Mike Wray, el físico que realizó las pruebas clave de 2005; y Kevin Wray, el especialista informático de la operación.

WB-7

WB-7 se construyó en San Diego y se envió a las instalaciones de pruebas de EMC2. El dispositivo se denominó WB-7 y, al igual que las ediciones anteriores, fue diseñado por el ingeniero Mike Skillicorn. Esta máquina tiene un diseño similar al WB-6. WB-7 logró el "primer plasma" a principios de enero de 2008. [69] [70] En agosto de 2008, el equipo terminó la primera fase de su experimento y presentó los resultados a una junta de revisión por pares. Con base en esta revisión, los financiadores federales acordaron que el equipo debería pasar a la siguiente fase. Nebel afirmó que "hemos tenido algunos éxitos", refiriéndose al esfuerzo del equipo por reproducir los prometedores resultados obtenidos por Bussard. "Es una especie de mezcla", informó Nebel. "En general, estamos contentos con lo que hemos obtenido y hemos aprendido muchísimo", dijo también. [71]

2008

En septiembre de 2008, el Centro de Guerra Aérea Naval solicitó públicamente un contrato para la investigación de un dispositivo de fusión electrostático " Wiffle Ball ". [72] En octubre de 2008, la Marina de los EE. UU. solicitó públicamente dos contratos más [73] [74] siendo EMC2 el proveedor preferido. Estas dos tareas consistían en desarrollar una mejor instrumentación y desarrollar una pistola de inyección de iones. [75] [76] En diciembre de 2008, después de muchos meses de revisión por parte del panel de revisión de expertos de la presentación de los resultados finales del WB-7, Nebel comentó que "No hay nada en [la investigación] que sugiera que esto no funcionará". pero "Esa es una afirmación muy diferente a decir que funcionará". [77]

2009 a 2014

2009

En enero de 2009, el Centro de Guerra Aérea Naval solicitó previamente otro contrato para "modificar y probar el plasma wiffleball 7" [78] que parecía ser financiación para instalar la instrumentación desarrollada en un contrato anterior, instalar un nuevo diseño para el conector (conjunto ) entre las bobinas y opere el dispositivo modificado. La unidad modificada se llamó WB-7.1. Esta presolicitud comenzó como un contrato de 200.000 dólares, pero la adjudicación final fue de 300.000 dólares. En abril de 2009, el Departamento de Defensa publicó un plan para proporcionar a EMC2 otros 2 millones de dólares como parte de la Ley Estadounidense de Recuperación y Reinversión de 2009 . La cita en la legislación fue etiquetada como Plasma Fusion (Polywell): demostrar un sistema de confinamiento de plasma de fusión para aplicaciones en tierra y a bordo; Proyecto conjunto OSD /USN. [79] La Ley de Recuperación financió a la Marina con 7,86 millones de dólares para construir y probar un WB-8. [80] El contrato de la Marina tenía una opción por 4,46 millones de dólares adicionales. [80] El nuevo dispositivo aumentó ocho veces la intensidad del campo magnético con respecto al WB-6. [81]

2010

El equipo construyó WB-8 y las herramientas computacionales para analizar y comprender los datos que contiene. [82] El equipo se trasladó a San Diego. [83]

2011

Jaeyoung Park se convirtió en presidente. [84] En una entrevista de mayo, Park comentó que "Esta máquina [WB8] debería ser capaz de generar 1.000 veces más actividad nuclear que WB-7, con aproximadamente ocho veces más campo magnético" [85] El primer plasma WB-8 fue generado el 1 de noviembre de 2010. [82] Para el tercer trimestre se habían realizado más de 500 disparos de plasma de alta potencia. [86] [87]

2012

A partir del 15 de agosto, la Marina acordó financiar a EMC2 con 5,3 millones de dólares adicionales durante 2 años para trabajar en el bombeo de electrones a la wiffleball. Planearon integrar una fuente de alimentación pulsada para soportar los cañones de electrones (100+A, 10kV). WB-8 operaba a 0,8 Tesla. La revisión del trabajo produjo la recomendación de continuar y ampliar el esfuerzo, [88] afirmando: "Los resultados experimentales hasta la fecha fueron consistentes con el marco teórico subyacente del concepto de fusión de polipozos y, en opinión del comité, merecían continuación y expansión. ". [89]

Hacerlo público

2014

En junio, EMC2 demostró por primera vez que la nube de electrones se vuelve diamagnética en el centro de una configuración de cúspide magnética cuando beta es alta, resolviendo una conjetura anterior. [5] [3] Queda por demostrar experimentalmente si el plasma está termalizado. Park presentó estos hallazgos en varias universidades, [90] [91] [92] [93] [94] la reunión anual de Fusion Power Associates de 2014 [95] y la conferencia IEC de 2014.

2015

El 22 de enero, EMC2 se presentó en Microsoft Research . [96] EMC2 planeó un programa de investigación comercial de tres años y 30 millones de dólares para demostrar que Polywell puede funcionar. [97] El 11 de marzo, la empresa presentó una solicitud de patente que refinó las ideas de la patente de Bussard de 1985. [98] El artículo "Confinamiento de electrones de alta energía en una configuración de cúspide magnética" se publicó en Physical Review X. [99]

2016

El 13 de abril, Next Big Future publicó un artículo sobre información del reactor Wiffle Ball fechado en 2013 a través de la Ley de Libertad de Información .

El 2 de mayo, Jaeyoung Park pronunció una conferencia en la Universidad Khon Kaen en Tailandia, afirmando que el mundo ha subestimado tanto el calendario y el impacto que tendrá la energía de fusión práctica y económica , que su llegada final será altamente disruptiva. Park afirmó que esperaba presentar "la prueba científica final de principio para la tecnología Polywell alrededor de 2019-2020", y espera que "se desarrolle un reactor de fusión comercial de primera generación para 2030 y luego la producción en masa y la comercialización de la tecnología en la década de 2030". es aproximadamente 30 años más rápido de lo esperado por el proyecto del Reactor Internacional de Energía Termonuclear (ITER). También sería decenas de miles de millones de dólares más barato." [100]

2018

En mayo de 2018, Park y Nicholas Krall presentaron la patente de la OMPI WO/2018/208953. [101] "Generación de reacciones de fusión nuclear con el uso de inyección de haz de iones en dispositivos de cúspide magnética de alta presión", que describe en detalle el dispositivo Polywell.

Experimentos de la Universidad de Sydney

En junio de 2019, Richard Bowden-Reid publicó los resultados de experimentos de larga duración en la Universidad de Sydney (USyd) en forma de tesis doctoral. Utilizando una máquina experimental construida en la universidad, el equipo probó la formación de electrodos virtuales. [102]

Su trabajo demostró que se podía encontrar poco o ningún rastro de formación de electrodos virtuales. Esto dejó un misterio; Tanto su máquina como experimentos anteriores mostraron evidencia clara y consistente de la formación de un pozo potencial que atrapaba iones, lo que anteriormente se atribuía a la formación de los electrodos. Al explorar este problema, Bowden-Reid desarrolló nuevas ecuaciones de campo para el dispositivo que explicaban bien el potencial sin formación de electrodos, y demostró que esto coincidía tanto con sus resultados como con los de experimentos anteriores. [102]

Además, la exploración del mecanismo general del concepto de electrodo virtual demostró que sus interacciones con los iones y con él mismo harían que "fugara" a un ritmo vertiginoso. Suponiendo las densidades del plasma y las energías necesarias para la producción neta de energía, se calculó que habría que suministrar nuevos electrones a una velocidad inviable de 200.000  amperios . [102]

Los resultados iniciales indican un atrapamiento de carga insignificante con poca o ninguna formación potencial de pozo. Además, se muestra que la existencia de pozos potenciales reportados en publicaciones anteriores se puede explicar sin el requisito de un cátodo virtual producido por electrones atrapados. Además, se ha demostrado que los pozos potenciales que producen el confinamiento de electrones y el calentamiento a partir de cátodos virtuales ya no existen a medida que aumenta la densidad del plasma. [102]

Proyectos relacionados

Perfección de la fusión Prometheus

Mark Suppes construyó un polipozo en Brooklyn. Fue el primer aficionado en detectar la captura de electrones utilizando una sonda Langmuir dentro de un polipozo. Presentó en la conferencia LIFT de 2012 y en la conferencia WIRED de 2012. [103] El proyecto finalizó oficialmente en julio de 2013 debido a la falta de financiación. [104]

Universidad de Sídney

La Universidad de Sydney en Australia llevó a cabo experimentos con polipozos, que dieron lugar a cinco artículos en Physics of Plasmas . [17] [26] [30] [105] [106] También publicaron dos tesis doctorales [4] [107] y presentaron su trabajo en conferencias IEC Fusion. [108] [109]

Un artículo de mayo de 2010 analizaba la capacidad de un pequeño dispositivo para capturar electrones. El artículo postulaba que la máquina tenía una intensidad de campo magnético ideal que maximizaba su capacidad para captar electrones. El artículo analizó el confinamiento magnético de los polipozos mediante soluciones analíticas y simulaciones. El trabajo vinculó el confinamiento magnético del polipozo con la teoría del espejo magnético . [27] [110] [111] El trabajo de 2011 utilizó simulaciones de partículas en celdas para modelar el movimiento de partículas en polipozos con una pequeña población de electrones. Los electrones se comportaron de manera similar a las partículas en la cúspide bicónica . [28]

Un artículo de 2013 midió un voltaje negativo dentro de un polipozo de aluminio de 4 pulgadas. [30] Las pruebas incluyeron medir un haz interno de electrones, comparar la máquina con y sin campo magnético , medir el voltaje en diferentes ubicaciones y comparar los cambios de voltaje con la intensidad del campo magnético y eléctrico . [30]

Un artículo de 2015 titulado "Fusión en un dispositivo de confinamiento electrostático inercial con rejilla magnéticamente blindada" presentó una teoría para un sistema de fusión de confinamiento electrostático inercial (IEC) con rejilla que muestra que es posible una ganancia neta de energía si la rejilla está protegida magnéticamente del impacto de iones. El análisis indicó que es posible obtener un rendimiento mejor que el punto de equilibrio incluso en un sistema de deuterio-deuterio a escalas de sobremesa. El dispositivo propuesto tenía la propiedad inusual de que puede evitar tanto las pérdidas de cúspide de los sistemas tradicionales de fusión magnética como las pérdidas de red de las configuraciones IEC tradicionales. [112]

Instituto Iraní de Investigación en Ciencia y Tecnología Nuclear

En noviembre de 2012, la Agencia de Noticias Trend informó que la Organización de Energía Atómica de Irán había asignado "8 millones de dólares" [113] a la investigación del confinamiento electrostático inercial y aproximadamente la mitad se había gastado. El grupo financiado publicó un artículo en el Journal of Fusion Energy , afirmando que se habían realizado simulaciones de partículas en celdas de un polipozo. El estudio sugirió que la profundidad de los pozos y el control del foco de iones se pueden lograr mediante variaciones de la intensidad del campo, y hizo referencia a investigaciones anteriores con fusores tradicionales. El grupo había hecho funcionar un fusor en modo continuo a −140 kV y 70 mA de corriente, con combustible DD, produciendo 2×10 7 neutrones por segundo. [114]

Universidad de Wisconsin

Los investigadores realizaron un trabajo de simulación de partículas en células de Vlasov-Poisson en el polipozo. Esto fue financiado a través de la Beca de Graduados en Ingeniería y Ciencias de la Defensa Nacional y se presentó en la conferencia de la Sociedad Estadounidense de Física de 2013 . [115]

Convergente científica, Inc.

Convergent Scientific, Inc. (CSI) es una empresa estadounidense fundada en diciembre de 2010 y con sede en Huntington Beach, California. [116] Probaron su primer diseño de polipozo, el Modelo 1, en operaciones de estado estacionario desde enero hasta finales del verano de 2012. El MaGrid estaba hecho de un alambre hueco único en forma de diamante, en el que fluían una corriente eléctrica y un refrigerante líquido. [117] [118] [119] Están haciendo un esfuerzo para construir un polipozo a pequeña escala que fusione deuterio . [120] [121] La empresa presentó varias patentes [122] [123] [124] y, en el otoño de 2013, realizó una serie de presentaciones para inversores basadas en la web. [125] Las presentaciones mencionan el encuentro con inestabilidades del plasma, incluidas las inestabilidades Diocotron , de dos corrientes y de Weibel . La empresa quiere fabricar y vender nitrógeno-13 para exploraciones PET . [126]

Investigación de materia radiante

Radiant Matter [127] es una organización holandesa que ha construido fusores y tiene planes de construir un polipozo. [ cita necesaria ]

ProtónBoro

ProtonBoron [128] es una organización que planea construir un polipozo de protón-boro.

Soluciones de fusión progresiva

Progressive Fusion Solutions es una startup de investigación de fusión IEC que está investigando dispositivos tipo Fusor y Polywell.

Corporación Fusion One

Fusion One Corporation fue una organización estadounidense fundada por el Dr. Paul Sieck (ex físico principal de EMC2), el Dr. Scott Cornish de la Universidad de Sydney y Randall Volberg. Funcionó de 2015 a 2017. Desarrollaron un reactor magnetoelectrostático llamado "F1" que se basó en parte en el polipozo. Introdujo un sistema de bobinas de electroimanes montadas externamente con superficies repelentes de cátodos montadas internamente para proporcionar un medio para preservar la energía y las pérdidas de partículas que de otro modo se perderían a través de las cúspides magnéticas. En respuesta a las conclusiones sobre el equilibrio de poder de Todd Rider de 1995, se desarrolló un nuevo modelo analítico basado en esta función de recuperación, así como un tratamiento relativista cuántico más preciso de las pérdidas de bremsstrahlung que no estaba presente en el análisis de Rider. La versión 1 del modelo analítico fue desarrollada por el físico teórico senior Dr. Vladimir Mirnov y demostró amplios múltiplos de ganancia neta con DT y suficientes múltiplos con DD para usarse para generar electricidad. Estos resultados preliminares se presentaron en la Reunión de Revisión Anual de ARPA-E ALPHA 2017. [129] La fase 2 del modelo eliminó supuestos clave en el análisis de Rider incorporando un tratamiento autoconsistente de la distribución de energía iónica (Rider asumió una distribución puramente maxwelliana) y la potencia requerida para mantener la distribución y la población de iones. Los resultados arrojaron una distribución de energía que no era térmica pero más maxwelliana que monoenergética. Se calculó que la potencia de entrada necesaria para mantener la distribución era excesiva y la termalización ion-ion era un canal de pérdida dominante. Con estas adiciones, ya no era factible un camino hacia la generación de electricidad comercial. [ cita necesaria ]

Ver también

Referencias

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    5252.204-9504 DIVULGACIÓN DE INFORMACIÓN DEL CONTRATO (NAVAIR) (ENERO 2007) (a) El Contratista no divulgará a nadie ajeno a su organización ninguna información no clasificada (por ejemplo, anuncio de adjudicación del contrato), independientemente del medio (por ejemplo, película, cinta, documento), perteneciente a cualquier parte de este contrato o cualquier programa relacionado con este contrato, a menos que el Oficial de Contrataciones haya dado aprobación previa por escrito. (b) Las solicitudes de aprobación deberán identificar la información específica que se divulgará, el medio que se utilizará y el propósito de la divulgación. El Contratista deberá presentar su solicitud al Oficial de Contrataciones al menos diez (10) días antes de la fecha propuesta para la liberación. (c) El Contratista acepta incluir un requisito similar en cada subcontrato bajo este contrato. Los subcontratistas deberán presentar solicitudes de autorización para liberar a través del contratista principal al Oficial de Contrataciones.

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