Un fusor es un dispositivo que utiliza un campo eléctrico para calentar iones a una temperatura a la que experimentan una fusión nuclear . La máquina induce una diferencia de potencial entre dos jaulas metálicas, dentro del vacío. Los iones positivos caen por esta caída de tensión, acumulando velocidad. Si chocan en el centro, pueden fusionarse. Este es un tipo de dispositivo de confinamiento electrostático inercial , una rama de la investigación sobre la fusión.
Un fusor 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 de fusor variante en el Laboratorio Nacional de Los Álamos [4], aunque nunca construyeron la máquina.
Los fusores han sido construidos por varias instituciones. Estas incluyen instituciones académicas como la Universidad de Wisconsin-Madison , [5] el Instituto Tecnológico de Massachusetts [6] y entidades gubernamentales, como la Organización de Energía Atómica de Irán y la Autoridad de Energía Atómica de Turquía . [7] [8] Los fusores también se han desarrollado comercialmente, como fuentes de neutrones por DaimlerChrysler Aerospace [9] y como un método para generar isótopos médicos. [10] [11] [12] Los fusores también se han vuelto muy populares entre los aficionados y amateurs. Un número creciente de aficionados han realizado la fusión nuclear 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 se produce cuando los núcleos se aproximan a una distancia en la que la fuerza nuclear puede unirlos para formar un único núcleo más grande. A esta 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 . Como la fuerza nuclear aumenta con el número de nucleones, protones y neutrones, y la fuerza electromagnética aumenta solo con el número de protones, los átomos más fáciles de fusionar son los isótopos de hidrógeno, deuterio con un neutrón y tritio con dos. Con combustibles de hidrógeno, se necesitan alrededor de 3 a 10 keV para permitir que se produzca la reacción. [19]
Los enfoques tradicionales para la energía de fusión generalmente han intentado calentar el combustible a temperaturas donde la distribución de Maxwell-Boltzmann de sus energías resultantes es lo suficientemente alta como para que algunas de las partículas en la cola larga tengan la energía requerida. [19] Lo suficientemente alta en este caso es tal que la tasa 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 tiene lugar a aproximadamente 50 millones de kelvin (K), aunque números más altos del orden de 100 millones de K son deseables en máquinas prácticas. Debido a las temperaturas extremadamente altas, las reacciones de fusión también se conocen como termonucleares .
Cuando los átomos se calientan a temperaturas de miles de grados, los electrones se van liberando cada vez más de su núcleo. Esto conduce a un estado gaseoso de la materia conocido como plasma , que consiste en núcleos libres, llamados iones, y sus antiguos electrones. Como un plasma está formado por cargas que se mueven libremente, se puede controlar mediante campos magnéticos y eléctricos. Los dispositivos de fusión utilizan esta capacidad para retener el combustible a millones de grados.
El fusor forma parte de una clase más amplia de dispositivos que intentan proporcionar al combustible energías relevantes para la fusión acelerando directamente los iones entre sí. En el caso del fusor, esto se logra con fuerzas electrostáticas. Por cada voltio que se acelera un ion de ±1 carga, gana 1 electronvoltio 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 en un tubo de rayos catódicos de televisión típico es del orden de 3 a 6 kV, por lo que la complejidad de un dispositivo de este tipo 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 método de fusión por haces en colisión , en general, es que lo más probable es que los iones nunca se golpeen entre sí, sin importar cuán precisa sea la orientación. Incluso la desalineación más mínima hará que las partículas se dispersen y, por lo tanto, no se fusionen. Es fácil 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 ocurran no podrán compensar estas pérdidas. Para que sea positivo en términos de energía, un dispositivo de fusión debe reciclar estos iones nuevamente en la masa de combustible para que tengan miles o millones de oportunidades de fusionarse, y su energía debe conservarse tanto como sea posible durante este período.
El fusor intenta cumplir con este requisito mediante la disposición esférica de su sistema de rejilla aceleradora. Los iones que no se fusionan pasan a través del centro del dispositivo y regresan al acelerador en el lado más alejado, donde son acelerados nuevamente hacia el centro. No se pierde energía en esta acción y, en teoría, suponiendo que los cables de la rejilla son infinitamente delgados, los iones pueden circular eternamente sin necesidad de energía adicional. Incluso aquellos que se dispersan simplemente adoptarán una nueva trayectoria, saldrán de la rejilla en algún nuevo punto y acelerarán nuevamente hacia el centro, lo que proporcionará la circulación necesaria para que finalmente se produzca un evento de fusión. [20]
Es importante tener en cuenta la secuencia de arranque real de un fusor para entender 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 se distribuyen aleatoriamente para comenzar, la cantidad de energía que ganarán difiere; los átomos inicialmente cerca del ánodo ganarán una gran parte del voltaje aplicado, digamos 15 keV. Aquellos inicialmente cerca del cátodo ganarán mucha menos energía, posiblemente demasiado baja para experimentar la fusión con sus contrapartes en el lado más alejado del área de reacción central. [20]
Los átomos de combustible dentro del área interna durante el período de arranque no están ionizados. Los iones acelerados se dispersan con ellos y pierden su energía, mientras ionizan el átomo que antes estaba frío. Este proceso, y las dispersiones de otros iones, hacen 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 de fusor es mayor que en uno en el que el combustible se calienta por algún otro método, ya que una parte se "perderá" durante el arranque. [20]
Los electrodos reales no son infinitamente delgados, y la posibilidad de dispersión de los cables o incluso de captura de 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 superiores a la energía liberada por la reacción de fusión, incluso cuando el fusor está en modo estrella, lo que minimiza estas reacciones. [22]
Existen también otros numerosos mecanismos de pérdida, como el intercambio de carga entre iones de alta energía y partículas neutras de baja energía, que hace que el ion capture el electrón, se vuelva eléctricamente neutro y luego abandone el fusor, ya que ya no se acelera y vuelve a la cámara. Esto deja atrás 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 por el ánodo y escapar, en este ejemplo cualquier valor por encima de los 15 keV. [20]
Además, la dispersión de ambos iones y, especialmente, de las impurezas que quedan en la cámara, produce una importante radiación de frenado (Bremsstrahlung) , que crea rayos X que transportan energía fuera del combustible. [20] Este efecto aumenta 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 ha llegado jamás a acercarse al punto de equilibrio de la producción de energía y parece que nunca podrá hacerlo. [20] [23]
Las fuentes comunes de alto voltaje son las fuentes de alto voltaje flyback ZVS y los transformadores de señales de neón . También se lo 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 conducía a 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 . La carga se acumulaba entonces en el centro del tubo, lo que generaba una alta amplificación. Desafortunadamente, también provocaba una gran erosión en los electrodos cuando los electrones finalmente los golpeaban, y hoy en día el efecto multipactor se considera generalmente un problema que debe evitarse.
Lo que más interesó a Farnsworth del dispositivo fue su capacidad de concentrar los electrones en un punto determinado. Uno de los mayores problemas en la investigación sobre la fusión es evitar que el combustible caliente golpee las paredes del recipiente. Si se permite que esto ocurra, el combustible no podrá mantenerse lo suficientemente caliente para que se produzca la reacción de fusión . Farnsworth razonó que podría construir un sistema de confinamiento de plasma electrostático en el que los campos de la "pared" del reactor fueran electrones o iones que se mantuvieran en su lugar mediante el multipactor . El combustible podría entonces inyectarse a través de la pared y, una vez dentro, no podría escapar. Llamó a este concepto un electrodo virtual y al sistema en su conjunto el fusor .
Los diseños originales de fusores de Farnsworth se basaban en disposiciones cilíndricas de electrodos, como los multipactores originales. El combustible se ionizaba y luego se disparaba desde pequeños aceleradores a través de agujeros en los electrodos externos (físicos). Una vez atravesados por el agujero, se aceleraban hacia el área de reacción interna a alta velocidad. La presión electrostática de los electrodos cargados positivamente mantendría el combustible en su conjunto alejado de las paredes de la cámara, y los impactos de nuevos iones mantendrían el plasma más caliente en el centro. Farnsworth se refirió a esto como confinamiento electrostático inercial , un término que continúa utilizándose 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 llevado a cabo 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 de fusión no se consideró inmediatamente rentable. En 1965, la junta directiva comenzó a pedirle a Harold Geneen que vendiera la división Farnsworth, pero su presupuesto de 1966 fue aprobado con financiación hasta mediados de 1967. Se le negó más financiación, y eso puso fin a los experimentos de ITT con la fusión. [ cita requerida ]
Las cosas cambiaron drásticamente con la llegada de Robert Hirsch y la introducción de la patente del fusor modificado de Hirsch-Meeks. [24] Los primeros fusores basados en el diseño de Hirsch se construyeron 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]
El equipo se dirigió entonces a la AEC , que en aquel momento estaba a cargo de la financiación de la investigación sobre fusión, y les proporcionó un dispositivo de demostración montado en un carro de servicio que producía más fusión que cualquier dispositivo "clásico" existente. Los observadores se sorprendieron, pero el momento no era el adecuado; el propio Hirsch había revelado recientemente el gran progreso 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 requerida ]
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 desarrollo importante fue la exitosa introducción comercial de un generador de neutrones basado en fusor . Desde 2006 hasta su muerte en 2007, Robert W. Bussard dio charlas sobre un reactor similar en diseño al fusor, ahora llamado polywell , que afirmó que 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", The Open Source Fusor Research Consortium, o Fusor.net, se dedica a informar sobre los desarrollos 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 los 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 fácil es la fusión del deuterio consigo mismo. Debido a que este gas es más barato, es el combustible que suelen utilizar los aficionados. La facilidad de 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 la fusión, dentro de una nube de plasma caliente, se puede hallar 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 tienen que ocurrir lo suficientemente rápido como para compensar las pérdidas de energía. Cualquier planta de energía que utilice fusión se mantendrá en esta nube caliente. Las nubes de plasma pierden energía a través de la conducción y la radiación . [28] La conducción es cuando los iones , electrones o neutros tocan una superficie y se filtran. 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 de la fusión es necesario superar estas pérdidas. Esto conduce a una ecuación para la salida de energía.
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John Lawson utilizó esta ecuación para estimar algunas condiciones de potencia neta [28] basándose en una nube de Maxwell . [28] Esto 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 recirculante.
En el diseño original del fusor, varios pequeños aceleradores de partículas , esencialmente tubos de TV con los extremos quitados, 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 ambas versiones hay dos electrodos esféricos concéntricos , el interior está cargado negativamente con respecto al exterior (a unos 80 kV). Una vez que los iones entran en 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 calentarlos (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 solo 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 reacción o para evitar reacciones desventajosas (por ejemplo, que produzcan 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 "pistolas de iones" (similares a la "pistola de electrones" que forma la base de los tubos de visualización de los televisores de estilo antiguo), así como dispositivos de tipo magnetrón (que son las fuentes de energía de 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 iones (dentro de límites que preserven la trayectoria media libre de iones) o la energía de los iones mejore el rendimiento de la fusión, que normalmente se mide 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 de "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 resplandor amplio y 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 haces de luz brillantes que emanan del centro del dispositivo. [29]
Como el campo eléctrico creado por las jaulas es negativo, no puede atrapar simultáneamente iones con carga positiva y electrones negativos. Por lo tanto, debe haber algunas regiones de acumulación de carga , lo que dará como resultado un límite superior en la densidad alcanzable. Esto podría imponer un límite superior en la densidad de potencia de la máquina, lo que podría mantenerla demasiado baja para la producción de energía. [ cita requerida ]
Cuando caen por primera vez en el centro del fusor, todos los iones tendrán la misma energía, pero la distribución de velocidad se acercará rápidamente a una distribución de Maxwell-Boltzmann . Esto ocurriría a través de colisiones simples de Coulomb en cuestión de milisegundos, pero las inestabilidades haz-haz ocurrirán órdenes de magnitud aún más rápido. En comparación, cualquier ion dado requerirá unos minutos antes de experimentar una reacción de fusión, de modo 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 salir del pozo de potencial, llevándose su energía con ellos, sin haber experimentado una reacción de fusión.
Existen varios desafíos sin resolver con los electrodos en un sistema de energía de fusores. Para empezar, los electrodos no pueden influir en el potencial dentro de ellos mismos, por lo que parecería a primera vista que el plasma de fusión estaría en contacto más o menos directo con el electrodo interno, lo que resultaría en la 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 el núcleo. Estos se forman porque las fuerzas dentro de la región corresponden a "órbitas" aproximadamente 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 la red siguen siendo el principal mecanismo de pérdida de energía para los fusores Farnsworth-Hirsch. Para complicar las cosas, está el desafío de enfriar el electrodo central; cualquier fusor que produzca suficiente energía para hacer funcionar una planta de energía parece destinado también a destruir su electrodo interno. Como limitación fundamental, cualquier método que produzca un flujo de neutrones que se capture para calentar un fluido de trabajo también bombardeará sus electrodos con ese flujo, calentándolos también.
Entre los intentos de resolver estos problemas se encuentran el sistema Polywell de Bussard , el método de trampa de Penning modificado de DC Barnes y el fusor de la Universidad de Illinois, que conserva las rejillas pero intenta concentrar los iones en microcanales para intentar evitar pérdidas. Si bien los tres son dispositivos de confinamiento electrostático inercial (IEC), solo 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 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 de frenado y es común en los fusores. Los cambios de velocidad también pueden deberse a interacciones entre la partícula y el campo eléctrico. Dado que no hay campos magnéticos, los fusores no emiten radiación ciclotrón a velocidades lentas ni radiación sincrotrón a altas velocidades.
En Fundamental limitations on plasma fusion systems not in thermodynamic equilibrium (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 radiación de frenado a una velocidad prohibitiva 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 plasma cuasineutral no puede ser contenido por un campo eléctrico, que es una parte fundamental de la fusión IEC. Sin embargo, en un artículo anterior, "A general critique of inertial-electrostatic confinement fusion systems", 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 aislado 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 una mezcla y pérdida significativa de electrones o, alternativamente, a densidades de potencia más bajas. Esto parece ser una especie de trampa 22 que limita la salida de cualquier sistema similar a un fusor.
Existen varias consideraciones de seguridad clave relacionadas con la construcción y el funcionamiento 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 y desinformación con las autoridades locales y regulatorias.
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 pulsar un interruptor. Se desarrolló un fusor comercial como un negocio no esencial dentro de DaimlerChrysler Aerospace – Space Infrastructure, Bremen entre 1996 y principios de 2001. [9] Después de que el proyecto terminara efectivamente, el ex gerente del proyecto estableció una empresa que se llama NSD-Fusion. [12] Hasta la fecha, el flujo de neutrones más alto logrado por un dispositivo similar a un fusor ha sido de 3 × 10 11 neutrones por segundo con la reacción de fusión deuterio-deuterio. [10]
Las empresas comerciales emergentes han utilizado los flujos de neutrones generados por 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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