La fusión por haces en colisión ( CBF , por sus siglas en inglés), o reactor de fusión por haces en colisión ( CBFR , por sus siglas en inglés ), es una clase de conceptos de energía de fusión que se basan en dos o más haces de iones de combustible de fusión que se cruzan y que se aceleran de forma independiente hasta alcanzar energías de fusión utilizando una variedad de diseños de aceleradores de partículas u otros medios. Uno de los haces puede reemplazarse por un objetivo estático, en cuyo caso el enfoque se denomina fusión basada en acelerador o fusión haz-objetivo , pero la física es la misma que la de los haces en colisión. [1]
Los reactores de fusión por confinamiento magnético enfrentan varios problemas que han limitado su capacidad para ser considerados seriamente como candidatos para la energía de fusión . Cuando dos iones chocan, es más probable que se dispersen que se fusionen. Los reactores de fusión por confinamiento magnético superan este problema utilizando un plasma masivo y confinándolo durante algún tiempo para que los iones tengan miles de posibilidades de colisionar. La colisión de dos haces da a los iones poco tiempo para interactuar antes de que los haces se separen. Esto limita la cantidad de energía de fusión que puede producir una máquina de haz-haz.
El CBFR ofrece formas más eficientes de proporcionar la energía de activación para la fusión, acelerando directamente partículas individuales en lugar de calentar un combustible a granel. Los reactivos CBFR son naturalmente no térmicos, lo que les da ventajas, especialmente que pueden transportar directamente suficiente energía para superar la barrera de Coulomb de los combustibles de fusión aneutrónica . Varios diseños han buscado abordar las deficiencias de los CBFR anteriores, incluidos Migma , MARBLE, MIX y otros conceptos basados en haces. Estos intentan superar los desafíos fundamentales del CBFR aplicando ondas de radio , agrupando haces, aumentando la recirculación o aplicando algunos efectos cuánticos. Ninguno de estos enfoques ha tenido éxito todavía.
La fusión se produce cuando los átomos se acercan y la fuerza nuclear atrae a sus núcleos para formar un único núcleo más grande. Contrarrestando este proceso está la carga positiva de los núcleos, que se repelen entre sí debido a la fuerza electrostática . Para que se produzca la fusión, los núcleos deben tener suficiente energía para superar esta barrera de Coulomb . La barrera es menor para los átomos con menos carga positiva: aquellos con menos protones . La fuerza nuclear aumenta con más nucleones: el número total de protones y neutrones . Esto significa que una combinación de deuterio y tritio tiene la barrera de Coulomb más baja, de aproximadamente 100 keV (ver requisitos para la fusión ). [2]
Cuando el combustible se calienta a altas energías, los electrones se disocian de los núcleos, que quedan como iones y electrones individuales mezclados en un plasma similar a un gas . Las partículas en un gas se distribuyen a través de un amplio rango de energías en un espectro conocido como la distribución de Maxwell-Boltzmann . A cualquier temperatura dada, la mayoría de las partículas están a energías más bajas, con una " cola larga " que contiene cantidades más pequeñas de partículas a energías mucho más altas. Entonces, mientras que 100 keV representa una temperatura de más de mil millones de grados, para producir eventos de fusión, el combustible no necesita ser calentado a esta temperatura en su totalidad: algunas reacciones ocurrirán incluso a temperaturas más bajas debido a la pequeña cantidad de partículas de alta energía en la mezcla. [2]
Como las reacciones de fusión liberan grandes cantidades de energía, y parte de esa energía se depositará nuevamente en el combustible, estas reacciones calientan el combustible. Existe una temperatura crítica en la que la velocidad de las reacciones, y por lo tanto la energía depositada, equilibra las pérdidas al medio ambiente. En este punto, la reacción se vuelve autosostenible, un punto conocido como ignición . Para el combustible DT, esa temperatura está entre 50 y 100 millones de grados. La tasa general de fusión y la liberación neta de energía dependen de la combinación de temperatura, densidad y tiempo de confinamiento de energía, conocido como el triple producto de fusión . [2]
Se han desarrollado dos enfoques principales para abordar el problema de la energía de fusión . En el enfoque de confinamiento inercial , el combustible se comprime rápidamente a densidades extremadamente altas, lo que también aumenta la temperatura interna a través del proceso adiabático . No se intenta mantener estas condiciones durante ningún período de tiempo, el combustible explota hacia afuera tan pronto como se libera la fuerza. El tiempo de confinamiento es del orden de microsegundos, por lo que las temperaturas y la densidad deben ser muy altas para que una cantidad apreciable del combustible experimente la fusión. Este enfoque ha tenido éxito en la producción de reacciones de fusión, pero hasta la fecha, los dispositivos que pueden proporcionar la compresión, típicamente láseres , requieren mucha más energía que la que producen las reacciones. [2]
El método más estudiado es el confinamiento magnético . Como el plasma está cargado eléctricamente, seguirá las líneas de fuerza magnéticas y una disposición adecuada de los campos puede mantener el combustible alejado de las paredes del recipiente. Luego, el combustible se calienta durante un período prolongado hasta que parte del combustible en la cola comienza a fusionarse. A las temperaturas y densidades que son posibles utilizando imanes, el proceso de fusión es bastante lento, por lo que este método requiere largos tiempos de confinamiento del orden de decenas de segundos o minutos. Confinar un gas a millones de grados para este tipo de escala de tiempo ha resultado difícil, aunque las máquinas experimentales modernas se están acercando a las condiciones necesarias para la producción neta de energía, o " punto de equilibrio ". [2]
Los niveles de energía necesarios para superar la barrera de Coulomb, unos 100 keV para el combustible DT, corresponden a millones de grados, pero están dentro del rango de energía que pueden proporcionar incluso los aceleradores de partículas más pequeños . Por ejemplo, el primer ciclotrón , construido en 1932, era capaz de producir 4,8 MeV en un dispositivo que cabía sobre una mesa. [3]
Las reacciones de fusión terrestre originales se crearon con un dispositivo de este tipo en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge . En 1934, Mark Oliphant , Paul Harteck y Ernest Rutherford utilizaron un nuevo tipo de fuente de alimentación para alimentar un dispositivo similar a un cañón de electrones para disparar núcleos de deuterio a una lámina metálica infundida con deuterio , litio u otros elementos ligeros. Este aparato les permitió estudiar la sección eficaz nuclear de las diversas reacciones, y fue su trabajo el que produjo la cifra de 100 keV. [4]
La probabilidad de que un deuterón cualquiera choque con uno de los átomos de deuterio de la lámina metálica es ínfima. El experimento sólo tuvo éxito porque duró mucho tiempo y las raras reacciones que se produjeron fueron tan potentes que no se podían pasar por alto. Pero como base de un sistema para la producción de energía, simplemente no funcionaría; la gran mayoría de los deuterones acelerados atraviesan la lámina sin sufrir una colisión y se pierde toda la energía invertida en acelerarla. La pequeña cantidad de reacciones que se producen emiten mucha menos energía que la que se introduce en el acelerador. [4] [1]
Un concepto algo relacionado fue explorado por Stanislaw Ulam y Jim Tuck en Los Álamos poco después de la Segunda Guerra Mundial . En este sistema, se infundía deuterio en metal como en los experimentos de Cavendish, pero luego se le daba forma de cono y se insertaba en ojivas de carga hueca . Dos de estas ojivas se apuntaban entre sí y se disparaban, formando chorros de metal deuterizado que se movían rápidamente y colisionaban. Estos experimentos se llevaron a cabo en 1946, pero no lograron encontrar ninguna evidencia de reacciones de fusión. [5]
Para ilustrar la dificultad de construir un sistema de fusión haz-objetivo, consideraremos un combustible de fusión prometedor, el ciclo protón-boro, o p-B11. [6]
El boro se puede transformar en bloques sólidos altamente purificados y los protones se pueden producir fácilmente ionizando el gas hidrógeno . Los protones se pueden acelerar y disparar al bloque de boro, y las reacciones harán que se liberen varias partículas alfa . Estas se pueden recolectar en un sistema electrostático para producir electricidad directamente sin tener que usar un ciclo Rankine o un sistema similar impulsado por calor. Como las reacciones no crean neutrones directamente, también tienen muchas ventajas prácticas para la seguridad. [7]
La probabilidad de colisión es máxima cuando los protones tienen una energía de unos 675 keV. Cuando se fusionan, los alfas se llevan un total de 8,7 MeV. Parte de esa energía, 0,675 MeV, debe reciclarse en el acelerador para producir nuevos protones que permitan continuar el proceso, y es poco probable que el proceso de generación y aceleración tenga una eficiencia superior al 50%. Esto aún deja suficiente energía neta para cerrar el ciclo. Sin embargo, esto supone que cada protón provoca un evento de fusión, lo que no ocurre. Teniendo en cuenta la probabilidad de una reacción, el ciclo resultante es:
E neto = 8,7 MeVζ p ζ B - 0,675 MeV [8]
donde ζ p y ζ B son las probabilidades de que cualquier protón o boro dado experimente una reacción. Reordenando, podemos demostrar que:
ζ p ζ B = 0,67 MeV / 8,6 MeV = 1 ⁄ 13 [8]
Esto significa que, para alcanzar el punto de equilibrio, el sistema necesita que al menos 1 ⁄ 13 de las partículas se fusionen. Para garantizar que un protón tenga la posibilidad de colisionar con un boro, debe pasar por muchos átomos de boro. La tasa de colisión es:
n eventos = σ ρ d [8]
donde σ es la sección transversal nuclear entre un protón y boro, ρ es la densidad del boro y d es la distancia promedio que recorre el protón a través del boro antes de sufrir una reacción de fusión. Para p-B11, σ es 0,9 x 10 −24 cm −2 , ρ es 2,535 g/cm 3 , y por lo tanto d ~ 8 cm. Sin embargo, viajar a través del bloque hace que el protón ionice los átomos de boro por los que pasa, lo que lo ralentiza. A 0,675 MeV, este proceso ralentiza el protón a energías sub-keV en aproximadamente 10 −4 cm, muchos órdenes de magnitud menos de lo que se requiere. [8]
Las cosas se pueden mejorar un poco si se utilizan dos aceleradores que se disparan entre sí en lugar de un solo acelerador y un objetivo inmóvil. En este caso, el segundo combustible, boro en el ejemplo anterior, ya está ionizado, por lo que se elimina el "arrastre de ionización" que se produce cuando los protones entran en el bloque sólido. [9]
En este caso, sin embargo, el concepto de longitud de interacción característica no tiene sentido ya que no hay un objetivo sólido. En cambio, para este tipo de sistemas, la medida típica es utilizar la luminosidad del haz , L, un término que combina la sección transversal de reacción con el número de eventos. El término normalmente se define como:
L = 1/σ y N/el o [10]
Para esta discusión, lo reorganizaremos para extraer la frecuencia de colisión:
y N/el o = σL [10]
Cada una de estas colisiones producirá 8,7 MeV, por lo que al multiplicarlas pory N/el o da la potencia. Para generar N colisiones se requiere luminosidad L, generar L requiere potencia, por lo que se puede calcular la cantidad de potencia necesaria para producir una L dada mediante:
L = PAG/σ8,76 MeV [11]
Si fijamos P en 1 MW, equivalente a una pequeña turbina eólica , esto requiere un L de 10 42 cm −2 s −1 . [10] A modo de comparación, el récord mundial de luminosidad establecido por el Gran Colisionador de Hadrones en 2017 fue de 2,06 x 10 34 cm −2 s −1 , más de siete órdenes de magnitud demasiado bajo. [12]
Dadas las secciones transversales de interacción extremadamente bajas, la cantidad de partículas requeridas en el área de reacción es enorme, mucho más allá de cualquier tecnología existente. Pero esto supone que las partículas en cuestión solo pasan una vez por el sistema. Si las partículas que no colisionaron se pueden reciclar de manera que se pueda retener su energía y las partículas tengan múltiples oportunidades de colisionar, se puede reducir el desequilibrio energético. [9]
Una de esas soluciones sería colocar la zona de reacción de un sistema de dos haces entre los polos de un potente imán. El campo hará que las partículas cargadas eléctricamente se doblen en trayectorias circulares y vuelvan a la zona de reacción. Sin embargo, estos sistemas desenfocan naturalmente las partículas, por lo que esto no las llevará de vuelta a sus trayectorias originales con la precisión suficiente para producir las densidades deseadas. [9]
Una mejor solución es utilizar un anillo de almacenamiento dedicado que incluya sistemas de enfoque para mantener la precisión del haz. Sin embargo, estos solo aceptan partículas en una selección relativamente estrecha de trayectorias originales. Si dos partículas se aproximan y se dispersan en un ángulo, ya no se reciclarán en el área de almacenamiento. [1] Es fácil demostrar que la tasa de pérdida de dichas dispersiones es mucho mayor que la tasa de fusión. [9]
Se han realizado muchos intentos para abordar este problema de dispersión.
El dispositivo Migma es quizás el primer intento significativo de resolver el problema de la recirculación. Utiliza un sistema de almacenamiento que, en efecto, consistía en un número infinito de anillos de almacenamiento dispuestos en diferentes lugares y ángulos. Esto no se logra mediante la adición de componentes o configuraciones de hardware, sino mediante una cuidadosa disposición de los campos magnéticos dentro de una cámara de vacío cilíndrica amplia pero plana. Solo se perderían los iones que experimentaran eventos de dispersión de ángulos muy altos, y los cálculos sugieren que la tasa de estos eventos era tal que cualquier ion dado pasaría por el área de reacción 10 8 veces antes de dispersarse. Esto sería suficiente para mantener la producción de energía positiva. [13]
Se construyeron varios dispositivos Migma que mostraron cierta promesa, pero no avanzaron más allá de dispositivos de tamaño moderado. Se plantearon varias preocupaciones teóricas basadas en consideraciones sobre el límite de carga espacial , que sugerían que aumentar la densidad del combustible a niveles útiles requeriría imanes enormes para confinarla. Durante las rondas de financiación, el sistema se vio envuelto en un acalorado debate con las diversas agencias energéticas y el desarrollo posterior se detuvo en la década de 1980. [14]
TAE Technologies , anteriormente Tri-Alpha Energy (TAE), está intentando un concepto similar , basado en gran medida en las ideas de Norman Rostoker, profesor de la Universidad de California en Irvine . Las primeras publicaciones de principios de los años 1990 muestran dispositivos que utilizan anillos de almacenamiento entrecruzados convencionales y disposiciones de reenfoque, pero documentos posteriores de 1996 en adelante utilizan un sistema muy diferente que dispara iones de combustible en una configuración de campo invertido (FRC). [15]
El FRC es un sistema de plasma autoestable cuya geometría se asemeja a una mezcla de un anillo de vórtice y un tubo de paredes gruesas. Los campos magnéticos mantienen las partículas atrapadas entre las paredes del tubo, circulando rápidamente. TAE pretende producir primero un FRC estable y luego utilizar aceleradores para disparar iones de combustible adicionales en él para que queden atrapados. Los iones compensan cualquier pérdida radiactiva del FRC e inyectan más helicidad magnética en el FRC para mantener su forma. Los iones de los aceleradores chocan para producir la fusión. [15]
Cuando se reveló por primera vez el concepto, recibió varias críticas negativas en las revistas. [16] [17] Estos problemas se explicaron y se siguió con la construcción de varios dispositivos experimentales pequeños. A partir de 2018 [actualizar], el mejor rendimiento informado del sistema está aproximadamente a 10 −12 del punto de equilibrio. A principios de 2019, se anunció que el sistema se desarrollaría utilizando combustibles DT convencionales y la empresa cambió su nombre a TAE. [18]
Se proponen varios tipos de dispositivos de confinamiento electrostático inercial (IEC) como reactores.
El ejemplo clásico de un dispositivo IEC es un fusor . Un fusor típico tiene dos jaulas metálicas esféricas, una dentro de otra, en el vacío. Se coloca un alto voltaje entre las dos jaulas. Se inyecta gas combustible. [19] [20] El combustible se ioniza y se acelera hacia la jaula interior. Los iones que no llegan a la jaula interior pueden fusionarse.
Los fusores no se consideran parte de la familia CBFR, porque tradicionalmente no utilizan haces.
El fusor como reactor de fusión presenta muchos problemas . Uno de ellos es que las rejillas eléctricas están cargadas hasta el punto en que existe una fuerte fuerza mecánica que las une, lo que limita el tamaño de los materiales de la rejilla. Esto da como resultado una tasa mínima de colisiones entre los iones y las rejillas, lo que elimina energía del sistema. Además, estas colisiones desprenden metal en el combustible, lo que hace que este pierda rápidamente energía por radiación. Es posible que el material de rejilla más pequeño posible sea lo suficientemente grande como para que las colisiones con los iones eliminen energía del sistema más rápido que la tasa de fusión. Más allá de eso, existen varios mecanismos de pérdida que sugieren que la radiación de rayos X de un sistema de este tipo también eliminará energía más rápido de lo que la fusión puede suministrarla. [20]
En 2017, la Universidad de Maryland simuló un sistema de haces de N-Body para determinar si los haces de iones recirculantes podían alcanzar condiciones de fusión. Los modelos mostraron que el concepto era fundamentalmente limitado porque no podía alcanzar las densidades necesarias para la energía de fusión.
Robert Bussard intentó evitar los problemas de colisión de la rejilla en su diseño Polywell . Este utiliza disposiciones de campos magnéticos de cúspide para producir "electrodos virtuales" que consisten en electrones atrapados. El resultado es producir un campo de aceleración similar al producido por los cables de la rejilla en el fusor, pero sin cables. Las colisiones con los electrones en los electrodos virtuales son posibles, pero a diferencia del fusor, estas no causan pérdidas a través de iones metálicos desprendidos. [21]
El mayor defecto del polywell es su capacidad para mantener un plasma negativo durante un tiempo significativo. En la práctica, cualquier cantidad significativa de carga negativa desaparece rápidamente. Además, el análisis de Todd Rider en 1995 sugiere que cualquier sistema que tenga plasmas en desequilibrio sufrirá pérdidas rápidas de energía por bremsstrahlung . La bremsstrahlung se produce cuando una partícula cargada se acelera rápidamente, lo que hace que irradie rayos X y, por lo tanto, pierda energía. En el caso de los dispositivos IEC, incluidos tanto el fusor como el polywell, las colisiones entre los iones recientemente acelerados que entran en el área de reacción y los iones y electrones de baja energía forman un límite inferior para la bremsstrahlung que parece ser mucho más alto que cualquier tasa posible de fusión. [22]