Un fusor es un dispositivo que utiliza un campo eléctrico para calentar iones a una temperatura en la que sufren fusión nuclear . La máquina induce una diferencia de potencial entre dos jaulas metálicas, dentro de un vacío. Los iones positivos caen por esta caída de voltaje, aumentando la velocidad. Si chocan en el centro, pueden fusionarse. Se trata de un tipo de dispositivo de confinamiento electrostático inercial , una rama de la investigación sobre la fusión.
Un fusor de Farnsworth-Hirsch es el tipo más común de fusor. [1] Este diseño surgió del trabajo de Philo T. Farnsworth en 1964 y Robert L. Hirsch en 1967. [2] [3] William Elmore, James L. Tuck y Ken Watson habían propuesto previamente un tipo variante de fusor. en el Laboratorio Nacional de Los Álamos [4] aunque nunca construyeron la máquina.
Varias instituciones han construido fusores. Entre ellas se incluyen instituciones académicas como la Universidad de Wisconsin-Madison , [5] el Instituto de Tecnología de Massachusetts [6] y entidades gubernamentales, como la Organización de Energía Atómica de Irán y la Autoridad Turca de Energía Atómica . [7] [8] Los fusores también se han desarrollado comercialmente, como fuentes de neutrones por DaimlerChrysler Aerospace [9] y como método para generar isótopos médicos. [10] [11] [12] Los fusores también se han vuelto muy populares entre los aficionados y aficionados. Un número creciente de aficionados ha realizado fusiones nucleares utilizando máquinas fusoras simples. [13] [14] [15] [16] [17] [18] Sin embargo, los científicos no consideran que los fusores sean un concepto viable para la producción de energía a gran escala.
La fusión tiene lugar cuando los núcleos se acercan a una distancia donde la fuerza nuclear puede unirlos en un solo núcleo más grande. A esta estrecha aproximación se oponen las cargas positivas de los núcleos, que los separan debido a la fuerza electrostática . Para que se produzcan eventos de fusión, los núcleos deben tener una energía inicial lo suficientemente grande como para permitirles superar esta barrera de Coulomb . A medida que la fuerza nuclear aumenta con el número de nucleones, protones y neutrones, y la fuerza electromagnética aumenta únicamente con el número de protones, los átomos más fáciles de fusionar son los isótopos de hidrógeno, el deuterio con un neutrón y el tritio con dos. Con los combustibles de hidrógeno, se necesitan entre 3 y 10 keV para permitir que se produzca la reacción. [19]
Los enfoques tradicionales de la energía de fusión generalmente han intentado calentar el combustible a temperaturas en las que la distribución de Maxwell-Boltzmann de sus energías resultantes sea lo suficientemente alta como para que algunas de las partículas de la cola larga tengan la energía requerida. [19] En este caso, lo suficientemente alto es tal que la velocidad de las reacciones de fusión produce suficiente energía para compensar las pérdidas de energía al medio ambiente y así calentar el combustible circundante a las mismas temperaturas y producir una reacción autosostenida conocida como ignición . Los cálculos muestran que esto ocurre a unos 50 millones de Kelvin (K), aunque en las máquinas prácticas son deseables números más altos, del orden de 100 millones de K. Debido a las temperaturas extremadamente altas, las reacciones de fusión también se denominan termonucleares .
Cuando los átomos se calientan a temperaturas correspondientes a miles de grados, los electrones se liberan cada vez más de su núcleo. Esto conduce a un estado de la materia similar a un gas conocido como plasma , que consta de núcleos libres conocidos como iones y sus antiguos electrones. Como el plasma está formado por cargas que se mueven libremente, se puede controlar mediante campos magnéticos y eléctricos. Los dispositivos Fusion utilizan esta capacidad para retener el combustible a millones de grados.
El fusor es parte de una clase más amplia de dispositivos que intenta darle al combustible energías relevantes para la fusión acelerando directamente los iones entre sí. En el caso del fusor, esto se logra mediante fuerzas electrostáticas. Por cada voltio que se acelera un ion de ±1 carga, gana 1 electrónvoltio en energía. Para alcanzar los ~10 keV requeridos, se requiere un voltaje de 10 kV aplicado a ambas partículas. A modo de comparación, el cañón de electrones de un tubo de rayos catódicos de televisión típico es del orden de 3 a 6 kV, por lo que la complejidad de dicho dispositivo es bastante limitada. Por diversas razones, se utilizan energías del orden de 15 keV. Esto corresponde a la energía cinética promedio a una temperatura de aproximadamente 174 millones de Kelvin, una temperatura típica del plasma de fusión por confinamiento magnético .
El problema con este enfoque de fusión de haces en colisión , en general, es que lo más probable es que los iones nunca choquen entre sí, sin importar con qué precisión estén dirigidos. Incluso la desalineación más pequeña hará que las partículas se dispersen y, por lo tanto, no se fusionen. Es sencillo demostrar que la probabilidad de dispersión es muchos órdenes de magnitud mayor que la tasa de fusión, lo que significa que la gran mayoría de la energía suministrada a los iones se desperdiciará y las reacciones de fusión que ocurren no pueden compensar estas pérdidas. Para ser energéticamente positivo, un dispositivo de fusión debe reciclar estos iones nuevamente en la masa de combustible para que tengan miles o millones de posibilidades de fusionarse, y su energía debe retenerse tanto como sea posible durante este período.
El fusor intenta cumplir este requisito mediante la disposición esférica de su sistema de rejilla de acelerador. Los iones que no logran fusionarse pasan por el centro del dispositivo y regresan al acelerador en el lado opuesto, donde son acelerados nuevamente hacia el centro. No se pierde energía en esta acción y, en teoría, suponiendo que los alambres de la rejilla sean infinitamente delgados, los iones pueden circular para siempre sin necesidad de energía adicional. Incluso aquellos que se dispersan simplemente tomarán una nueva trayectoria, saldrán de la red en algún nuevo punto y acelerarán de nuevo hacia el centro, proporcionando la circulación necesaria para que finalmente se produzca un evento de fusión. [20]
Es importante considerar la secuencia de inicio real de un fusor para comprender la operación resultante. Normalmente, el sistema se bombea hasta el vacío y luego se coloca una pequeña cantidad de gas dentro de la cámara de vacío. Este gas se esparcirá para llenar el volumen. Cuando se aplica voltaje a los electrodos, los átomos entre ellos experimentarán un campo que hará que se ionicen y comiencen a acelerar hacia adentro. Como los átomos están distribuidos aleatoriamente al principio, la cantidad de energía que ganarán difiere; Los átomos inicialmente cerca del ánodo ganarán una gran porción del voltaje aplicado, digamos 15 keV. Aquellos inicialmente cerca del cátodo ganarán mucha menos energía, posiblemente demasiado baja para fusionarse con sus contrapartes en el lado más alejado del área de reacción central. [20]
Los átomos de combustible dentro del área interior durante el período de arranque no están ionizados. Los iones acelerados se dispersan con estos y pierden su energía, ionizando al mismo tiempo el átomo anteriormente frío. Este proceso, y la dispersión de otros iones, hace que las energías de los iones se distribuyan aleatoriamente y el combustible adopte rápidamente una distribución no térmica. Por esta razón, la energía necesaria en un sistema fusor es mayor que en uno donde el combustible se calienta mediante algún otro método, ya que parte se "perderá" durante el arranque. [20]
Los electrodos reales no son infinitamente delgados y la posibilidad de que los cables se dispersen o incluso se capturen los iones dentro de los electrodos es un problema importante que causa altas pérdidas de conducción . Estas pérdidas pueden ser al menos cinco órdenes de magnitud mayores que la energía liberada por la reacción de fusión, incluso cuando el fusor está en modo estrella, lo que minimiza estas reacciones. [22]
También existen muchos otros mecanismos de pérdida. Estos incluyen el intercambio de carga entre iones de alta energía y partículas neutras de baja energía, lo que hace que el ión capture el electrón, se vuelva eléctricamente neutro y luego abandone el fusor, ya que ya no se acelera de regreso a la cámara. Esto deja un átomo recién ionizado de menor energía y, por lo tanto, enfría el plasma. Las dispersiones también pueden aumentar la energía de un ion, lo que le permite pasar más allá del ánodo y escapar, en este ejemplo cualquier valor por encima de 15 keV. [20]
Además, la dispersión de ambos iones, y especialmente de las impurezas que quedan en la cámara, provocan una importante Bremsstrahlung , creando rayos X que transportan energía fuera del combustible. [20] Este efecto crece con la energía de las partículas, lo que significa que el problema se vuelve más pronunciado a medida que el sistema se acerca a las condiciones operativas relevantes para la fusión. [23]
Como resultado de estos mecanismos de pérdida, ningún fusor se ha acercado jamás al punto de equilibrio de producción de energía y parece que nunca podrá hacerlo. [20] [23]
Las fuentes comunes de alto voltaje son las fuentes ZVS flyback HV y los transformadores de señales de neón . También se le puede llamar acelerador de partículas electrostático .
El fusor fue concebido originalmente por Philo T. Farnsworth , más conocido por su trabajo pionero en televisión. A principios de la década de 1930, investigó varios diseños de tubos de vacío para su uso en televisión y encontró uno que produjo un efecto interesante. En este diseño, al que llamó "multipactor", los electrones que se movían de un electrodo a otro se detenían en pleno vuelo con la aplicación adecuada de un campo magnético de alta frecuencia . Luego, la carga se acumularía en el centro del tubo, lo que provocaría una alta amplificación. Desafortunadamente, esto también provocó una gran erosión en los electrodos cuando los electrones finalmente los golpearon, y hoy en día el efecto multipactor se considera generalmente un problema que debe evitarse.
Lo que particularmente interesó a Farnsworth sobre el dispositivo fue su capacidad para enfocar electrones en un punto particular. Uno de los mayores problemas en la investigación de la fusión es evitar que el combustible caliente golpee las paredes del contenedor. Si se permite que esto suceda, el combustible no podrá mantenerse lo suficientemente caliente como para que se produzca la reacción de fusión . Farnsworth razonó que podía construir un sistema de confinamiento de plasma electrostático en el que los campos de "pared" del reactor fueran electrones o iones mantenidos en su lugar por el multipactor . Luego se podría inyectar combustible a través de la pared y, una vez dentro, no podría escapar. Llamó a este concepto electrodo virtual y al sistema en su conjunto fusor .
Los diseños de fusores originales de Farnsworth se basaban en disposiciones cilíndricas de electrodos, como los multipactores originales. El combustible se ionizó y luego se disparó desde pequeños aceleradores a través de orificios en los electrodos externos (físicos). Una vez atravesado el agujero, fueron acelerados hacia el área de reacción interior a gran velocidad. La presión electrostática de los electrodos cargados positivamente mantendría el combustible en su conjunto fuera de las paredes de la cámara, y los impactos de nuevos iones mantendrían el plasma más caliente en el centro. Se refirió a esto como confinamiento electrostático inercial , término que se sigue utilizando hasta el día de hoy. El voltaje entre los electrodos debe ser de al menos 25 kV para que se produzca la fusión.
Todo este trabajo se había realizado en los laboratorios de Farnsworth Television , que habían sido adquiridos en 1949 por ITT Corporation , como parte de su plan para convertirse en la próxima RCA . Sin embargo, un proyecto de investigación sobre la fusión no se consideró inmediatamente rentable. En 1965, la junta directiva empezó a pedirle a Harold Geneen que vendiera la división Farnsworth, pero consiguió que se aprobara su presupuesto de 1966 con financiación hasta mediados de 1967. Se rechazó más financiación, y eso puso fin a los experimentos de fusión de ITT. [ cita necesaria ]
Las cosas cambiaron drásticamente con la llegada de Robert Hirsch y la introducción de la patente del fusor Hirsch-Meeks modificada. [24] Nuevos fusores basados en el diseño de Hirsch se construyeron por primera vez entre 1964 y 1967. [2] Hirsch publicó su diseño en un artículo en 1967. Su diseño incluía haces de iones para disparar iones a la cámara de vacío. [2]
Luego, el equipo recurrió a la AEC , entonces a cargo de la financiación de la investigación sobre la fusión, y les proporcionó un dispositivo de demostración montado en un carro de servicio que produjo más fusión que cualquier dispositivo "clásico" existente. Los observadores se sorprendieron, pero no era el momento oportuno; El propio Hirsch había revelado recientemente los grandes avances que estaban haciendo los soviéticos con el tokamak . En respuesta a este sorprendente desarrollo, la AEC decidió concentrar la financiación en grandes proyectos de tokamak y reducir el respaldo a conceptos alternativos. [ cita necesaria ]
George H. Miley de la Universidad de Illinois reexaminó el fusor y lo reintrodujo en el campo. Desde entonces ha persistido un interés bajo pero constante en el fusor. Un avance importante fue la exitosa introducción comercial de un generador de neutrones basado en fusores . Desde 2006 hasta su muerte en 2007, Robert W. Bussard dio charlas sobre un reactor similar en diseño al fusor, ahora llamado Polywell , que según él sería capaz de generar energía útil. [25] Más recientemente, el fusor ha ganado popularidad entre los aficionados, que los eligen como proyectos domésticos debido a sus requisitos relativamente bajos de espacio, dinero y energía. Una comunidad en línea de "fusionadores", el Open Source Fusor Research Consortium, o Fusor.net, se dedica a informar sobre los avances en el mundo de los fusores y ayudar a otros aficionados en sus proyectos. El sitio incluye foros, artículos y documentos realizados sobre el fusor, incluida la patente original de Farnsworth, así como la patente de Hirsch de su versión de la invención. [26]
La fusión nuclear se refiere a reacciones en las que núcleos más ligeros se combinan para convertirse en núcleos más pesados. Este proceso convierte la masa en energía que a su vez puede capturarse para proporcionar energía de fusión . Se pueden fusionar muchos tipos de átomos. Los más fáciles de fusionar son el deuterio y el tritio . Para que se produzca la fusión, los iones deben estar a una temperatura de al menos 4 keV ( kiloelectronvoltios ), o unos 45 millones de kelvin . La segunda reacción más sencilla es fusionar el deuterio consigo mismo. Debido a que este gas es más barato, es el combustible que suelen utilizar los aficionados. La facilidad para realizar una reacción de fusión se mide por su sección transversal . [27]
En tales condiciones, los átomos se ionizan y forman un plasma . La energía generada por fusión dentro de una nube de plasma caliente se puede encontrar con la siguiente ecuación. [28]
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Esta ecuación muestra que la energía varía con la temperatura, la densidad, la velocidad de colisión y el combustible utilizado. Para alcanzar la potencia neta, las reacciones de fusión deben ocurrir lo suficientemente rápido como para compensar las pérdidas de energía. Cualquier central eléctrica que utilice fusión se mantendrá en esta nube caliente. Las nubes de plasma pierden energía por conducción y radiación . [28] La conducción es cuando iones , electrones o neutros tocan una superficie y se escapan. La energía se pierde con la partícula. La radiación es cuando la energía sale de la nube en forma de luz. La radiación aumenta a medida que aumenta la temperatura. Para obtener energía neta a partir de la fusión es necesario superar estas pérdidas. Esto conduce a una ecuación para la producción de energía.
dónde:
John Lawson utilizó esta ecuación para estimar algunas condiciones de potencia neta [28] basándose en una nube de Maxwell . [28] Este se convirtió en el criterio de Lawson . Los fusores suelen sufrir pérdidas de conducción debido a que la jaula de alambre se encuentra en el camino del plasma en recirculación.
En el diseño del fusor original, varios pequeños aceleradores de partículas , esencialmente tubos de TV a los que se les quitaron los extremos, inyectan iones a un voltaje relativamente bajo en una cámara de vacío . En la versión Hirsch del fusor, los iones se producen ionizando un gas diluido en la cámara. En cualquiera de las versiones hay dos electrodos esféricos concéntricos , estando el interior cargado negativamente con respecto al exterior (hasta unos 80 kV). Una vez que los iones ingresan a la región entre los electrodos, se aceleran hacia el centro.
En el fusor, los iones son acelerados a varios keV por los electrodos, por lo que no es necesario el calentamiento como tal (siempre que los iones se fusionen antes de perder su energía por cualquier proceso). Mientras que 45 megakelvins es una temperatura muy alta según cualquier estándar, el voltaje correspondiente es de sólo 4 kV, un nivel que se encuentra comúnmente en dispositivos como letreros de neón y televisores CRT. En la medida en que los iones permanezcan en su energía inicial, la energía se puede ajustar para aprovechar el pico de la sección transversal de la reacción o para evitar reacciones desventajosas (por ejemplo, productoras de neutrones) que podrían ocurrir a energías más altas.
Se han realizado varios intentos para aumentar la tasa de ionización del deuterio, incluidos calentadores dentro de "cañones de iones" (similares a los "cañones de electrones" que forman la base de los tubos de visualización de televisión de estilo antiguo), así como dispositivos de tipo magnetrón (que son las fuentes de energía para los hornos microondas), que pueden mejorar la formación de iones utilizando campos electromagnéticos de alto voltaje. Se puede esperar que cualquier método que aumente la densidad de los iones (dentro de límites que preserven el camino libre de medios de los iones), o la energía de los iones, mejore el rendimiento de la fusión, generalmente medido en el número de neutrones producidos por segundo.
La facilidad con la que se puede aumentar la energía iónica parece ser particularmente útil cuando se consideran reacciones de fusión a "alta temperatura" , como la fusión protón-boro , que tiene abundante combustible, no requiere tritio radiactivo y no produce neutrones en la reacción primaria. .
Los fusores tienen al menos dos modos de funcionamiento (posiblemente más): modo estrella y modo halo . El modo halo se caracteriza por un amplio resplandor simétrico, con uno o dos haces de electrones que salen de la estructura. Hay poca fusión. [29] El modo halo ocurre en tanques de mayor presión y, a medida que mejora el vacío, el dispositivo pasa al modo estrella. El modo estrella aparece como rayos de luz brillantes que emanan del centro del dispositivo. [29]
Debido a que el campo eléctrico creado por las jaulas es negativo, no puede atrapar simultáneamente iones cargados positivamente y electrones negativos. Por lo tanto, debe haber algunas regiones de acumulación de carga , lo que dará como resultado un límite superior de la densidad alcanzable. Esto podría imponer un límite superior a la densidad de potencia de la máquina, lo que podría mantenerla demasiado baja para la producción de energía. [ cita necesaria ]
Cuando caen por primera vez en el centro del fusor, todos los iones tendrán la misma energía, pero la distribución de velocidad se aproximará rápidamente a una distribución de Maxwell-Boltzmann . Esto ocurriría mediante simples colisiones de Coulomb en cuestión de milisegundos, pero las inestabilidades entre haces ocurrirán órdenes de magnitud aún más rápido. En comparación, cualquier ion determinado necesitará unos minutos antes de sufrir una reacción de fusión, por lo que la imagen monoenergética del fusor, al menos para la producción de energía, no es apropiada. Una consecuencia de la termalización es que algunos de los iones ganarán suficiente energía para abandonar el pozo de potencial, llevándose consigo su energía, sin haber sufrido una reacción de fusión.
Hay una serie de desafíos sin resolver con los electrodos en un sistema de potencia de fusor. Para empezar, los electrodos no pueden influir en el potencial interno, por lo que a primera vista parecería que el plasma de fusión estaría en contacto más o menos directo con el electrodo interior, lo que provocaría una contaminación del plasma y la destrucción del electrodo. Sin embargo, la mayor parte de la fusión tiende a ocurrir en microcanales formados en áreas de potencial eléctrico mínimo, [30] vistos como "rayos" visibles que penetran en el núcleo. Estos se forman porque las fuerzas dentro de la región corresponden a "órbitas" más o menos estables. Aproximadamente el 40% de los iones de alta energía en una red típica que opera en modo estrella pueden estar dentro de estos microcanales. [31] No obstante, las colisiones de red siguen siendo el principal mecanismo de pérdida de energía para los fusores Farnsworth-Hirsch. Lo que complica las cosas es el desafío de enfriar el electrodo central; cualquier fusor que produzca suficiente energía para hacer funcionar una central eléctrica parece destinado a destruir también su electrodo interno. Como limitación fundamental, cualquier método que produzca un flujo de neutrones capturado para calentar un fluido de trabajo también bombardeará sus electrodos con ese flujo, calentándolos también.
Los intentos de resolver estos problemas incluyen el sistema Polywell de Bussard , el enfoque de trampa Penning modificado de DC Barnes y el fusor de la Universidad de Illinois que retiene las rejillas pero intenta enfocar más estrechamente los iones en microcanales para intentar evitar pérdidas. Si bien los tres son dispositivos de confinamiento electrostático inercial (IEC), sólo el último es en realidad un "fusor".
Las partículas cargadas irradiarán energía en forma de luz cuando cambien de velocidad. [32] Esta tasa de pérdida se puede estimar para partículas no relativistas utilizando la fórmula de Larmor . Dentro de un fusor hay una nube de iones y electrones . Estas partículas se acelerarán o desacelerarán a medida que se mueven. Estos cambios de velocidad hacen que la nube pierda energía en forma de luz. La radiación de un fusor puede (al menos) estar en el espectro visible , ultravioleta y de rayos X , dependiendo del tipo de fusor utilizado. Estos cambios de velocidad pueden deberse a interacciones electrostáticas entre partículas (ion a ion, ion a electrón, electrón a electrón). Esto se conoce como radiación bremsstrahlung y es común en los fusores. Los cambios de velocidad también pueden deberse a interacciones entre la partícula y el campo eléctrico. Como no hay campos magnéticos, los fusores no emiten radiación ciclotrón a bajas velocidades ni radiación sincrotrón a altas velocidades.
En Limitaciones fundamentales de los sistemas de fusión de plasma que no están en equilibrio termodinámico , Todd Rider sostiene que un plasma isotrópico cuasineutral perderá energía debido a la Bremsstrahlung a un ritmo prohibitivo para cualquier combustible que no sea DT (o posiblemente DD o D-He3). Este artículo no es aplicable a la fusión IEC, ya que un campo eléctrico no puede contener un plasma cuasineutral, que es una parte fundamental de la fusión IEC. Sin embargo, en un artículo anterior, "Una crítica general de los sistemas de fusión por confinamiento electrostático-inercial", Rider aborda directamente los dispositivos IEC comunes, incluido el fusor. En el caso del fusor, los electrones generalmente están separados de la masa del combustible aislada cerca de los electrodos, lo que limita la tasa de pérdida. Sin embargo, Rider demuestra que los fusores prácticos funcionan en una variedad de modos que conducen a pérdidas y mezclas de electrones significativas o, alternativamente, a densidades de potencia más bajas. Esto parece ser una especie de trampa que limita la salida de cualquier sistema tipo fusor.
Hay varias consideraciones de seguridad clave relacionadas con la construcción y operación de un fusor. En primer lugar, está el alto voltaje involucrado. En segundo lugar, están las posibles emisiones de rayos X y neutrones. También están las consideraciones de publicidad/desinformación con las autoridades locales y reguladoras.
Se ha demostrado que el fusor es una fuente de neutrones viable . Los fusores típicos no pueden alcanzar flujos tan altos como los de los reactores nucleares o los aceleradores de partículas , pero son suficientes para muchos usos. Es importante destacar que el generador de neutrones se coloca fácilmente sobre una mesa de trabajo y se puede apagar con solo presionar un interruptor. Entre 1996 y principios de 2001 se desarrolló un fusor comercial como negocio secundario dentro de DaimlerChrysler Aerospace – Space Infrastructure, Bremen. [9] Una vez finalizado el proyecto, el antiguo director del proyecto fundó una empresa llamada NSD-Fusion. [12] Hasta la fecha, el flujo de neutrones más alto logrado por un dispositivo tipo fusor ha sido de 3 × 10 11 neutrones por segundo con la reacción de fusión deuterio-deuterio. [10]
Las nuevas empresas comerciales han utilizado los flujos de neutrones generados por los fusores para generar Mo-99 , un precursor del tecnecio-99m , un isótopo utilizado para la atención médica. [10] [11]
Generadores de neutrones de última tecnología con múltiples aplicaciones posibles
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