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Fusión aneutrónica

Reacción de fusión de litio-6 y 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 energía liberada es transportada por neutrones . Mientras que las reacciones de fusión nuclear de umbral más bajo liberan hasta el 80% de su energía en forma de neutrones , las reacciones aneutrónicas liberan energía en forma de partículas cargadas , normalmente protones o partículas alfa . Una fusión aneutrónica exitosa reduciría en gran medida 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 energía de partículas descargadas, una reacción aneutrónica sería atractiva para los sistemas de energía. Algunos defensores ven un potencial para reducciones dramáticas de costos al convertir la energía directamente en electricidad, así como al eliminar la radiación de neutrones, contra la cual es difícil protegerse. [1] [2] Sin embargo, las condiciones necesarias para aprovechar la fusión aneutrónica son mucho más extremas que las necesarias para la fusión de deuterio-tritio (DT), como en el ITER .

Historia

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

Uno de los primeros partidarios fue Richard F. Post en Lawrence Livermore . Propuso capturar la energía cinética de las partículas cargadas a medida que se agotaban en un reactor de fusión y convertirla en voltaje para impulsar la corriente. [3] Post ayudó a desarrollar los fundamentos teóricos de la conversión directa, demostrados más tarde por Barr y Moir. Demostraron una eficiencia de captura de energía del 48 por ciento en el Experimento Tandem Mirror en 1981. [4]

La fusión Polywell fue iniciada 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 en polipozos. [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 pellizco en z , alcanzó los 2 mil millones de kelvins y 300 keV. [8]

En 2011, Lawrenceville Plasma Physics publicó los resultados iniciales y esbozó 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 a otras investigaciones sobre fusión aneutrónica del 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 aproximadamente 80 millones de reacciones de fusión durante un pulso láser de 1,5 nanosegundos. [13]

En 2016, un equipo de la Academia China de Ciencias de Shanghai produjo un pulso láser de 5,3 petavatios con la Instalación de Láser Ultrarrápido Superintenso (SULF) y se esperaba que alcanzara los 10 petavatios con el mismo equipo. [14]

En 2021, la configuración invertida de campo de TAE Technologies anunció que su dispositivo Norman producía regularmente un plasma estable a temperaturas superiores a 50 millones de grados. [15]

En 2021, un equipo ruso informó resultados experimentales en un dispositivo en miniatura con confinamiento de plasma electrodinámico (oscilatorio) . Utilizó una descarga de vacío de nanosegundos de ~ 1 a 2 J con un cátodo virtual. Su campo acelera los iones de boro y los 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. [dieciséis]

La empresa derivada australiana HB11 Energy se creó en septiembre de 2019. [17] En 2022, afirmaron ser la primera empresa comercial en demostrar la fusión. [18] [19]

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, [20] aunque muchos artículos sobre el tema [21] incluyen reacciones que no cumplen con 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 . La fuerza de repulsión 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 cuán equitativamente se distribuyen esas cargas; la barrera es más baja cuando una partícula de Z bajo reacciona con una de Z alto y más alta cuando los reactivos tienen aproximadamente la misma carga. De este modo se minimiza la energía de barrera para aquellos iones con la menor cantidad de protones .

Una vez que los pozos de potencial nuclear de las dos partículas que reaccionan están a dos radios de protones entre sí, las dos pueden comenzar a atraerse entre sí a través de la fuerza nuclear . Debido a que esta interacción es mucho más fuerte que la interacción electromagnética, las partículas se juntarán a pesar de la repulsión eléctrica en curso, liberando energía nuclear. Sin embargo, la fuerza nuclear es una fuerza de muy corto alcance, por lo que es un poco simplificado decir que aumenta con el número de nucleones . La afirmación es cierta cuando se describe la energía del volumen o la energía superficial de un núcleo, menos cierta cuando se aborda la energía de Coulomb y no habla en absoluto del equilibrio protón/neutrón. Una vez que los reactivos han superado la barrera de Coulomb, se encuentran en un mundo dominado por una fuerza que no se comporta como el electromagnetismo.

En la mayoría de los conceptos de fusión, la energía necesaria para superar la barrera de Coulomb proviene de colisiones con otros iones combustibles. 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 tienen algunas partículas con alta energía incluso si la energía promedio es mucho menor. Los dispositivos Fusion dependen de esta distribución; Incluso a temperaturas generales muy por debajo de la energía de la barrera de Coulomb, la energía liberada por las reacciones es lo suficientemente grande como para que capturar parte de ella pueda suministrar suficientes iones de alta energía para mantener la reacción.

Por tanto, 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 la fusión , el producto de la temperatura, la densidad y el "tiempo de confinamiento", la cantidad de tiempo que la energía permanece en el combustible antes de escapar al medio ambiente. El producto de la temperatura y la densidad da la velocidad de reacción de cualquier combustible determinado. La velocidad de reacción es proporcional a la sección transversal nuclear (σ). [1] [22]

Cualquier dispositivo puede soportar una presión plasmática máxima. Un dispositivo eficiente funcionaría continuamente cerca de este máximo. Dada esta presión, el mayor rendimiento de fusión se obtiene cuando la temperatura es tal que <σv>/T 2 es máxima. Ésta es también la temperatura a la que el valor del triple producto nT τ necesario para la ignición es mínimo, ya que ese valor requerido es inversamente proporcional a <σv>/T 2 . Un plasma se "enciende" 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 de los recuentos de protones (Z 1 × Z 2 ) de los dos reactivos, las variedades de hidrógeno pesado, deuterio y tritio (D–T), dan el combustible con la barrera de Coulomb total más baja. Todos los demás combustibles potenciales tienen barreras de Coulomb más altas y, por lo tanto, requieren temperaturas operativas más altas. Además, los combustibles D–T tienen las secciones transversales nucleares más altas, lo que significa que las velocidades de reacción son más altas 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 siguiente tabla muestra la temperatura de ignición y la sección transversal de tres de las reacciones aneutrónicas candidatas, en comparación con D – T:

La reacción aneutrónica más fácil de encender, la D- 3He , tiene una temperatura de ignición cuatro veces mayor que la de la reacción D-T y, en consecuencia, secciones transversales más bajas, mientras que la reacción p- 11B es casi diez veces mayor. más difícil de encender.

Reacciones de los candidatos

Varias reacciones de fusión no producen neutrones en ninguna de sus ramas. Los de mayor sección transversal son:

Combustibles candidatos

3 el

La reacción 3 He-D se ha estudiado como un plasma de fusión alternativo porque tiene el umbral de energía más bajo.

Las velocidades de reacción de p– 6 Li, 3 He – 6 Li y 3 He – 3 He no son particularmente altas en un plasma térmico. Sin embargo, cuando se tratan como una cadena, ofrecen la posibilidad de una reactividad mejorada debido a una distribución no térmica . El producto 3 He de la reacción p – 6 Li podría participar en la segunda reacción antes de termalizarse, y el producto p de 3 He – 6 Li podría participar en la primera antes de termalizarse. Sin embargo, los análisis detallados no muestran suficiente aumento de la reactividad para superar la sección transversal inherentemente baja. [ cita necesaria ]

La reacción de 3 He sufre un problema de disponibilidad de 3 He. 3 Se encuentra sólo en cantidades minúsculas en la Tierra, por lo que tendría que ser generado a partir de reacciones de neutrones (contrarrestando la ventaja potencial de la fusión aneutrónica) [ se necesita aclaración ] o extraído de fuentes extraterrestres.

La cantidad de 3 He necesaria para aplicaciones a gran escala también puede describirse en términos de consumo total: según la Administración de Información Energética de EE.UU. , "el consumo de electricidad de 107 millones de hogares estadounidenses en 2001 ascendió a 1.140 mil millones de kW·h" (1,14 × 10 15  W·h ). Suponiendo nuevamente una eficiencia de conversión del 100%, se necesitarían 6,7 toneladas por año de 3 He para ese segmento de la demanda de energía de los Estados Unidos, de 15 a 20 toneladas por año dada una eficiencia de conversión de extremo a extremo más realista. Extraer esa cantidad de 3 He puro implicaría procesar 2.000 millones de toneladas de material lunar al año, incluso suponiendo una tasa de recuperación del 100%. [ cita necesaria ]

En 2022, Helion Energy afirmó que su séptimo prototipo de fusión (Polaris; totalmente financiado y en construcción a partir de septiembre de 2022) demostrará "electricidad neta procedente de la fusión" y demostrará la "producción de helio-3 mediante la fusión deuterio-deuterio" mediante un "ciclo cerrado de combustible patentado de alta eficiencia". [23]

Deuterio

Aunque las reacciones del deuterio (deuterio + 3 He y deuterio + 6 litio) no liberan neutrones en sí mismas, en un reactor de fusión el plasma también produciría reacciones secundarias DD que resultan en un producto de reacción de 3 He más un neutrón. Aunque la producción de neutrones puede minimizarse ejecutando una reacción de plasma caliente y pobre en deuterio, la fracción de energía liberada en forma de neutrones es probablemente de varios por ciento, de modo que estos ciclos de combustible, aunque pobres en neutrones, no alcanzan el umbral del 1%. Ver 3 Él . La reacción de D- 3 He también sufre el problema de disponibilidad de combustible de 3 He, como se analizó anteriormente.

Litio

Las reacciones de fusión que involucran litio están bien estudiadas debido al uso de litio para producir tritio en armas termonucleares . Tienen una dificultad de ignición intermedia entre las reacciones que involucran especies de número atómico más bajo, H y He, y la reacción 11 B.

La reacción p- 7 Li, aunque es muy energética, libera neutrones debido a la alta sección transversal de la reacción alternativa productora de neutrones 1 p + 7 Li → 7 Be + n [24]

Boro

Muchos estudios de fusión aneutrónica se concentran en la reacción p- 11 B, [25] [26] que utiliza combustible fácilmente disponible. La fusión del núcleo de boro con un protón produce partículas alfa energéticas (núcleos de helio).

Dado que iniciar la reacción p- 11 B es mucho más difícil que DT, generalmente se proponen alternativas a los reactores de fusión tokamak habituales , como la fusión por confinamiento inercial . [27] Un método propuesto utiliza un láser para crear un plasma de boro-11 y otro para crear una corriente de protones que chocan contra el plasma. El haz de protones produce un aumento diez veces mayor de la fusión porque los protones y los núcleos de boro chocan directamente. Los métodos anteriores utilizaban un objetivo de boro sólido, "protegido" por sus electrones, lo que reducía la velocidad de fusión. [28] Los experimentos sugieren que un pulso láser a escala de petavatios podría iniciar una reacción de fusión de "avalancha", [27] [29] aunque esto sigue siendo controvertido. [30] El plasma dura aproximadamente un nanosegundo , lo que requiere que el pulso de protones de picosegundos 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 en el plasma de boro, aumentando las posibilidades de que los protones choquen con los núcleos de boro y se fusionen. [28]

Radiación residual

Los cálculos muestran que al menos el 0,1% de las reacciones en un plasma térmico de p- 11 B producen neutrones, aunque su energía representa menos del 0,2% de la energía total liberada. [31]

Estos neutrones provienen principalmente de la reacción: [32]

11 B + α → 14 N + n + 157 keV

La reacción en sí produce sólo 157 keV, pero el neutrón transporta una gran fracción de la energía alfa, cercana a la fusión E /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 11 C en sí es radiactivo, pero se desintegra rápidamente a 11 B con una vida media de sólo 20 minutos.

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

Además de los neutrones, la bremsstrahlung 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 se debe controlar la entrada de impurezas al plasma para evitar reacciones secundarias que produzcan neutrones, 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 gamma y de neutrones 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). Se estima que el espesor total es de aproximadamente un metro, en su mayor parte agua. [33]

Enfoques

Utilizando las patentes del físico teórico de la UNSW, Heinrich Hora , [34] [35] [36] HB11 Energy utiliza dos láseres de pulso de chirrido de clase petavatios [37] para impulsar la fusión de protón-boro a baja temperatura utilizando un "en el objetivo". " acercarse. Un láser impulsa átomos de hidrógeno a través de una aceleración de vaina normal hacia un plasma de boro confinado por un campo magnético de kilotesla impulsado por el otro láser. Los iones He + resultantes se convierten directamente en electricidad. El láser de picosegundo produce una reacción de avalancha que ofrece una mejora del rendimiento de fusión 10 9 veces mayor en comparación con otros sistemas ICF. La empresa afirma un flujo de partículas alfa de 10 10 / sr , 4 órdenes de magnitud por debajo de la ganancia neta de energía. [18] [19]

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 mediante conversión directa en lugar de térmicamente. La conversión directa puede ser inductiva, basada en cambios en los 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. [38]

La conversión electrostática directa utiliza el movimiento de partículas cargadas para crear voltaje . Este voltaje impulsa la electricidad en un cable que se convierte en energía eléctrica. Es lo contrario de los fenómenos que utilizan un voltaje para poner una partícula en movimiento. Se ha descrito como un acelerador lineal que funciona hacia atrás. [39]

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 radiación bremsstrahlung o radiación ciclotrón o radiación sincrotrón o interacciones de campos eléctricos. La radiación se puede estimar utilizando la fórmula de Larmor y se presenta en los espectros de rayos X, UV, visible e IR. Parte de la energía irradiada en forma de rayos X puede convertirse directamente en electricidad. Debido al efecto fotoeléctrico , los rayos X que pasan a través de una serie de láminas conductoras transfieren parte de su energía a los electrones, que luego pueden ser capturados electrostáticamente. Dado que los rayos X pueden atravesar materiales con un espesor mucho mayor que los electrones, se necesitan muchos cientos o miles de capas para absorberlos. [40]

Desafíos técnicos

La comercialización de la fusión aneutrónica enfrenta muchos desafíos.

Temperatura

La gran mayoría de las investigaciones sobre fusión se han centrado en la fusión DT, que es la más fácil de lograr. Los experimentos de fusión suelen utilizar la fusión deuterio-deuterio (DD) porque el deuterio es barato y fácil de manipular, ya que no es radiactivo. Experimentar con la fusión DT es más difícil porque el tritio es caro y radiactivo, lo que requiere medidas de seguridad y protección ambiental adicionales.

La combinación de una sección transversal más baja y tasas de pérdida más altas en la fusión D- 3 He se compensa hasta cierto punto porque los reactivos son principalmente partículas cargadas que depositan su energía en el plasma. Esta combinación de características de compensación exige una temperatura de funcionamiento aproximadamente cuatro veces mayor que la de un sistema DT. Sin embargo, debido a las altas tasas de pérdida y los consiguientes rápidos ciclos de energía, el tiempo de confinamiento de un reactor en funcionamiento debe ser unas cincuenta veces mayor que el DT, y la densidad de energía unas 80 veces mayor. Esto requiere avances significativos en la física del plasma. [41]

La fusión protón-boro requiere energías iónicas y, por tanto, temperaturas del plasma, unas nueve veces más altas que las de la fusión DT. Para cualquier densidad dada de los núcleos reactivos, la velocidad de reacción del protón-boro alcanza su velocidad máxima alrededor de 600  keV (6,6 mil millones de grados Celsius o 6,6 gigakelvins ) [42] mientras que DT tiene un pico alrededor de 66 keV (765 millones de grados Celsius). , o 0,765 gigakelvin). Para conceptos de confinamiento con presión limitada, las temperaturas operativas óptimas son aproximadamente 5 veces más bajas, pero la proporción sigue siendo aproximadamente de diez a uno.

Balance de poder

La velocidad de reacción máxima de p- 11 B es sólo un tercio de la de DT, lo que requiere un mejor confinamiento plasmático. El confinamiento suele caracterizarse por el tiempo τ en el que se retiene la energía de modo que la potencia liberada supera la necesaria para calentar el plasma. Se pueden derivar varios requisitos, más comúnmente el criterio de Lawson, el producto de la densidad, n τ, y el producto por la presión nT τ. El n τ requerido para p– 11 B es 45 veces mayor que el de DT. El nT τ requerido es 500 veces mayor. [nota 2] Dado que las propiedades de confinamiento de los enfoques de fusión convencionales, como la fusión con tokamak y 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 bremsstrahlung es un importante canal de pérdida de energía. (Véase también pérdidas por bremsstrahlung en plasmas isotrópicos cuasineutrales .) Para la reacción p- 11 B, algunos cálculos indican que la potencia de bremsstrahlung será al menos 1,74 veces mayor que la potencia de fusión. La relación correspondiente para la reacción 3 He- 3 He es sólo ligeramente más favorable: 1,39. Esto no es aplicable a plasmas no neutros y es diferente en plasmas anisotrópicos.

En los diseños de reactores convencionales, ya sea que se basen en confinamiento magnético o inercial , la bremsstrahlung puede escapar fácilmente del plasma y se considera un término de pérdida de energía pura. Las perspectivas serían más favorables si el plasma pudiera reabsorber la radiación. La absorción se produce principalmente a través de la dispersión de Thomson sobre los electrones , [43] que tiene una sección transversal total de σ T  = 6,65 × 10 −29  m 2 . En una mezcla 50-50 DT esto corresponde a un rango de6,3 g/ cm2 . [44] Esto es considerablemente más alto que el criterio de Lawson de ρ R > 1 g/cm 2 , que ya es difícil de lograr, pero podría lograrse en sistemas de confinamiento inercial. [45]

En los campos magnéticos de megatesla, un efecto de la mecánica cuántica podría suprimir la transferencia de energía de los iones a los electrones. [46] Según un cálculo, [47] las pérdidas de bremsstrahlung podrían reducirse a la mitad de la potencia de fusión o menos. En un campo magnético fuerte, la radiación del ciclotrón es incluso mayor que la bremsstrahlung. En un campo de megatesla, un electrón perdería su energía debido a la radiación del ciclotrón en unos pocos picosegundos si la radiación pudiera escapar. Sin embargo, en un plasma suficientemente denso ( norte mi >2,5 × 10 30  m −3 , una densidad mayor que la de un sólido [48] ), la frecuencia del ciclotrón es menor que el doble de la frecuencia del plasma . En este conocido caso, la radiación ciclotrón queda atrapada dentro del plasmoide y no puede escapar, excepto a través de una capa superficial muy delgada.

Si bien aún no se han logrado campos de megatesla, se han producido campos de 0,3 megatesla con láseres de alta intensidad [49] y se han observado campos de 0,02 a 0,04 megatesla con el dispositivo de enfoque de plasma denso . [50] [51]

En 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. [52] Si se pueden lograr las condiciones necesarias, puede ser posible la producción neta de energía a partir de combustible p– 11 B o D– 3 He. Sin embargo, la probabilidad de un reactor viable basado únicamente en este efecto sigue siendo baja, porque se prevé que la ganancia será inferior a 20, mientras que normalmente se considera necesaria más de 200.

Densidad de poder

En cada diseño de planta de energía de fusión publicado, la parte de la planta que produce las reacciones de fusión es mucho más cara que la parte 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 energía reduce al menos a la mitad el costo de la electricidad. Además, el tiempo de confinamiento necesario depende de la densidad de potencia.

Sin embargo, no es trivial comparar la densidad de potencia producida por diferentes ciclos del combustible de fusión. El caso más favorable para p– 11 B en relación con el combustible DT es un dispositivo de confinamiento (hipotético) que sólo funciona bien a temperaturas de iones superiores a aproximadamente 400 keV, en el que el parámetro de velocidad de reacción <σ v > es igual para los dos combustibles, y que corre con baja temperatura de electrones. p– 11 B no requiere un tiempo de confinamiento tan largo porque la energía de sus productos cargados es dos veces y media mayor que la de DT. Sin embargo, relajar estos supuestos, por ejemplo considerando electrones calientes, permitiendo que la reacción DT se desarrolle a una temperatura más baja o incluyendo la energía de los neutrones en el cálculo, desplaza la ventaja de la densidad de potencia a DT.

La suposición más común es comparar densidades de potencia a la misma presión, eligiendo la temperatura del ión para cada reacción para maximizar la densidad de potencia y con la temperatura del electrón igual a la temperatura del ión. Aunque los esquemas de confinamiento pueden estar limitados, y a veces lo están, por otros factores, la mayoría de los esquemas bien investigados tienen algún tipo de límite de presión. Bajo estos supuestos, la densidad de potencia para p– 11 B es aproximadamente 2.100 veces menor que la de DT. El uso de electrones fríos reduce la proporción a aproximadamente 700. Estos números son otra indicación de que el poder de fusión aneutrónica no es posible con los conceptos principales de confinamiento.

Ver 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 se redujera de 20 a 1. Sin blindaje, la dosis ocupacional de un reactor pequeño (30 kW) aún 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 tres menor, como se calcula aquí .
  3. ^ La comparación de dos tipos diferentes de sistemas de energía implica muchos factores además de la densidad de potencia. Dos de los más importantes son el volumen en el que se produce energía en comparación con el volumen total del dispositivo, y el coste y la complejidad del dispositivo. Por el contrario, la comparación de dos ciclos de combustible diferentes en el mismo tipo de máquina es generalmente mucho más sólida.

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