La fusión catalizada por muones (abreviada como μCF o MCF ) es un proceso que permite que la fusión nuclear se produzca a temperaturas significativamente inferiores a las requeridas para la fusión termonuclear , incluso a temperatura ambiente o inferior. Es una de las pocas formas conocidas de catalizar reacciones de fusión nuclear.
Los muones son partículas subatómicas inestables similares a los electrones , pero con una masa 207 veces mayor. Si un muón reemplaza a uno de los electrones de una molécula de hidrógeno , los núcleos se acercan 186 [1] [2] veces más que en una molécula normal, debido a que la masa reducida es 186 veces la masa de un electrón. Cuando los núcleos se acercan, la probabilidad de fusión aumenta, hasta el punto en que puede ocurrir un número significativo de eventos de fusión a temperatura ambiente.
Sin embargo, los métodos para obtener muones requieren mucha más energía de la que se puede producir mediante las reacciones de fusión resultantes. Los muones tienen una vida media de2,2 μs , mucho más largo que muchas otras partículas subatómicas, pero sin embargo demasiado breve para permitir su almacenamiento útil. [3]
Para crear una fusión catalizada por muones a temperatura ambiente que sea útil, los reactores necesitarían una fuente de muones barata y eficiente y/o una forma para que cada muón individual catalice muchas más reacciones de fusión.
Andrei Sakharov y FC Frank [4] predijeron el fenómeno de la fusión catalizada por muones sobre bases teóricas antes de 1950. Yakov Borisovich Zel'dovich [5] también escribió sobre el fenómeno de la fusión catalizada por muones en 1954. Luis W. Alvarez et al. , [6] al analizar el resultado de algunos experimentos con muones incidentes en una cámara de burbujas de hidrógeno en Berkeley en 1956, observaron la catálisis por muones de la fusión nuclear exotérmica p–d, protón y deuterón , que da como resultado un helio , un rayo gamma y una liberación de aproximadamente 5,5 MeV de energía. Los resultados experimentales de Alvarez, en particular, impulsaron a John David Jackson a publicar uno de los primeros estudios teóricos completos de la fusión catalizada por muones en su innovador artículo de 1957. [7] Este artículo contenía las primeras especulaciones serias sobre la liberación de energía útil de la fusión catalizada por muones. Jackson concluyó que sería poco práctico como fuente de energía, a menos que se pudiera resolver el "problema de adherencia alfa" (ver más abajo), lo que conduciría potencialmente a una forma energéticamente más barata y más eficiente de utilizar los muones catalizadores. [7]
Si la fusión nuclear d–t catalizada por muones se hace realidad en la práctica, será una forma mucho más atractiva de generar energía que los reactores de fisión nuclear convencionales , porque la fusión nuclear d–t catalizada por muones (como la mayoría de los otros tipos de fusión nuclear ) produce muchos menos desechos radiactivos dañinos (y de vida mucho menos prolongada). [ cita requerida ]
La gran cantidad de neutrones producidos en las fusiones nucleares d–t catalizadas por muones se puede utilizar para generar combustibles fisionables a partir de material fértil ; por ejemplo, el torio -232 podría generar uranio -233 de esta manera. [nota 1] [ cita requerida ] Los combustibles fisionables que se han generado se pueden "quemar" entonces, ya sea en un reactor de fisión nuclear crítico convencional o en un reactor de fisión subcrítico no convencional , por ejemplo, un reactor que utiliza transmutación nuclear para procesar desechos nucleares , o un reactor que utiliza el concepto de amplificador de energía ideado por Carlo Rubbia y otros. [ cita requerida ]
Otro beneficio de la fusión catalizada por muones es que el proceso de fusión puede comenzar con gas deuterio puro sin tritio. Los reactores de fusión de plasma como ITER o Wendelstein X7 necesitan tritio para iniciarse y también necesitan una fábrica de tritio. La fusión catalizada por muones genera tritio durante el funcionamiento y aumenta la eficiencia operativa hasta un punto óptimo cuando la relación deuterio:tritio alcanza aproximadamente 1:1. La fusión catalizada por muones puede funcionar como una fábrica de tritio y proporcionar tritio para la investigación de materiales y fusión de plasma.
Salvo algunas mejoras, poco ha cambiado desde la evaluación de Jackson en 1957 sobre la viabilidad de la fusión catalizada por muones, aparte de la predicción de Vesman en 1967 de la formación resonante hiperfina del ion molecular muónico (d–μ–t) + , que se observó experimentalmente posteriormente. Esto ayudó a despertar un renovado interés en todo el campo de la fusión catalizada por muones, que sigue siendo un área activa de investigación en todo el mundo. Sin embargo, como observó Jackson en su artículo, es "poco probable" que la fusión catalizada por muones proporcione "una producción de energía útil... a menos que se pueda encontrar una forma energéticamente más barata de producir μ − -mesones [nota 2] ". [7]
Un problema práctico con el proceso de fusión catalizado por muones es que los muones son inestables y se desintegran en2,2 μs (en su marco de reposo ). [8] Por lo tanto, es necesario que existan medios baratos para producir muones, y los muones deben estar dispuestos para catalizar tantas reacciones de fusión nuclear como sea posible antes de desintegrarse.
Otro problema, y en muchos sentidos más grave, es el problema de la "adherencia alfa", que fue reconocido por Jackson en su artículo de 1957. [7] [nota 3] El problema de la adherencia alfa es la probabilidad de aproximadamente el 1% de que el muón se "adhiera" a la partícula alfa que resulta de la fusión nuclear deuterón-tritón , eliminando así efectivamente al muón del proceso de catálisis de muones por completo. Incluso si los muones fueran absolutamente estables, cada muón podría catalizar, en promedio, solo alrededor de 100 fusiones dt antes de adherirse a una partícula alfa, que es solo alrededor de una quinta parte del número de fusiones d–t catalizadas por muones necesarias para el punto de equilibrio , donde se genera tanta energía térmica como energía eléctrica se consume para producir los muones en primer lugar, según la estimación aproximada de Jackson. [7]
Mediciones más recientes parecen apuntar a valores más alentadores para la probabilidad de adherencia α, encontrando que la probabilidad de adherencia α está alrededor del 0,3% al 0,5%, lo que podría significar hasta aproximadamente 200 (incluso hasta 350) fusiones d–t catalizadas por muones por muón. [9] De hecho, el equipo dirigido por Steven E. Jones logró 150 fusiones d–t por muón (promedio) en la Instalación de Física de Meson de Los Alamos . [10] Los resultados fueron prometedores y casi suficientes para alcanzar el punto de equilibrio teórico. Desafortunadamente, estas mediciones para el número de fusiones d–t catalizadas por muones por muón aún no son suficientes para alcanzar el punto de equilibrio industrial. Incluso con el punto de equilibrio, la eficiencia de conversión de energía térmica a energía eléctrica es solo de aproximadamente el 40%, lo que limita aún más la viabilidad. Las mejores estimaciones recientes del "costo de energía" eléctrica por muón son de aproximadamente6 GeV con aceleradores que tienen (casualmente) una eficiencia de alrededor del 40% en la transformación de la energía eléctrica de la red eléctrica en aceleración de los deuterones.
Hasta 2012, no se ha publicado ningún método práctico para producir energía a través de este medio, aunque algunos descubrimientos que utilizan el efecto Hall parecen prometedores. [11] [ verificación fallida ]
Según Gordon Pusch, físico del Laboratorio Nacional de Argonne , varios cálculos de equilibrio sobre la fusión catalizada por muones omiten la energía térmica que el propio haz de muones deposita en el objetivo. [12] Si se tiene en cuenta este factor, la fusión catalizada por muones ya puede superar el punto de equilibrio; sin embargo, la potencia recirculada suele ser muy grande en comparación con la potencia que se envía a la red eléctrica (alrededor de 3 a 5 veces más, según las estimaciones). A pesar de esta potencia recirculada bastante alta, la eficiencia general del ciclo es comparable a la de los reactores de fisión convencionales; sin embargo, la necesidad de una capacidad de generación eléctrica de 4 a 6 MW por cada megavatio que se envía a la red probablemente represente una inversión de capital inaceptablemente grande. Pusch sugirió utilizar el concepto de haz autocolisionador " migma " de Bogdan Maglich para aumentar significativamente la eficiencia de producción de muones, eliminando las pérdidas del objetivo y utilizando núcleos de tritio como haz conductor, para optimizar el número de muones negativos.
En 2021, Kelly, Hart y Rose [13] produjeron un modelo μCF mediante el cual se optimizó la relación, Q, entre la energía térmica producida y la energía cinética de los deuterones acelerados utilizados para crear piones negativos (y, por lo tanto, muones negativos a través de la desintegración de piones). En este modelo, la energía térmica de los deuterones entrantes, así como la de las partículas producidas debido al impacto del haz de deuterones en un objetivo de tungsteno, se recuperó en la medida de lo posible, como sugirió Gordon Pusch en el párrafo anterior. Además, se recuperó la energía térmica debida a la reproducción de tritio en una capa de litio y plomo, como sugirieron Jändel, Danos y Rafelski en 1988. [14] Se encontró que el mejor valor de Q era de aproximadamente el 130 %, suponiendo que el 50 % de los muones producidos se utilizaran realmente para la catálisis de fusión. Además, suponiendo que el acelerador tuviera una eficiencia del 18% en la transformación de energía eléctrica en energía cinética de deuterones y una eficiencia de conversión de energía térmica en energía eléctrica del 60%, estiman que, actualmente, la cantidad de energía eléctrica que podría producir un reactor μCF sería el 14% de la energía eléctrica consumida. Para que esto mejore, sugieren que sería necesaria alguna combinación de a) aumento de la eficiencia del acelerador y b) aumento del número de reacciones de fusión por muón negativo por encima del nivel supuesto de 150.
Para crear este efecto, se envía una corriente de muones negativos, generalmente creados por piones en descomposición , a un bloque que puede estar formado por los tres isótopos de hidrógeno (protio, deuterio y/o tritio), donde el bloque suele estar congelado y puede estar a temperaturas de unos 3 kelvin (−270 grados Celsius) o algo así. El muón puede empujar al electrón de uno de los isótopos de hidrógeno. El muón, 207 veces más masivo que el electrón, protege y reduce eficazmente la repulsión electromagnética entre dos núcleos y los atrae mucho más cerca en un enlace covalente de lo que puede hacerlo un electrón. Debido a que los núcleos están tan cerca, la fuerza nuclear fuerte puede entrar en acción y unir ambos núcleos. Se fusionan, liberan el muón catalítico (la mayoría de las veces) y parte de la masa original de ambos núcleos se libera como partículas energéticas, como con cualquier otro tipo de fusión nuclear . La liberación del muón catalítico es fundamental para continuar las reacciones. La mayoría de los muones continúan uniéndose a otros isótopos de hidrógeno y continúan fusionando núcleos. Sin embargo, no todos los muones se reciclan: algunos se unen a otros desechos emitidos después de la fusión de los núcleos (como partículas alfa y helios ), lo que elimina a los muones del proceso catalítico. Esto ahoga gradualmente las reacciones, ya que hay cada vez menos muones con los que los núcleos pueden unirse. El número de reacciones logradas en el laboratorio puede ser tan alto como 150 fusiones d–t por muón (promedio).
En la fusión catalizada por muones de mayor interés, un deuterón cargado positivamente (d), un tritón cargado positivamente (t) y un muón forman esencialmente un ion hidrógeno pesado molecular muónico cargado positivamente (d–μ–t) + . El muón, con una masa en reposo 207 veces mayor que la masa en reposo de un electrón, [8] es capaz de arrastrar al tritón y al deuterón más masivos 207 veces más cerca uno del otro [1] [2] en el ion molecular muónico (d–μ–t) + de lo que puede un electrón en el ion molecular electrónico correspondiente (d–e–t) + . La separación promedio entre el tritón y el deuterón en el ion molecular electrónico es de aproximadamente un angstrom (100 pm ), [7] [nota 4] por lo que la separación promedio entre el tritón y el deuterón en el ion molecular muónico es 207 veces menor que eso. [nota 5] Debido a la fuerza nuclear fuerte , siempre que el tritón y el deuterón en el ion molecular muónico se acerquen aún más entre sí durante sus movimientos vibratorios periódicos, aumenta enormemente la probabilidad de que el tritón cargado positivamente y el deuterón cargado positivamente experimenten un efecto túnel cuántico a través de la barrera de Coulomb repulsiva que actúa para mantenerlos separados. De hecho, la probabilidad de efecto túnel mecánico cuántico depende aproximadamente de manera exponencial de la separación promedio entre el tritón y el deuterón, lo que permite que un solo muón catalice la fusión nuclear d–t en menos de aproximadamente medio picosegundo , una vez que se forma el ion molecular muónico. [7]
El tiempo de formación del ion molecular muónico es uno de los "pasos limitantes de la velocidad" en la fusión catalizada por muones, que puede tomar fácilmente hasta diez mil o más picosegundos en una mezcla líquida de deuterio y tritio molecular (D 2 , DT, T 2 ), por ejemplo. [7] Por lo tanto, cada muón catalizador pasa la mayor parte de su existencia efímera de 2,2 microsegundos, [8] medidos en su marco de reposo , deambulando en busca de deuterones y tritones adecuados con los que unirse.
Otra forma de ver la fusión catalizada por muones es intentar visualizar la órbita del estado fundamental de un muón alrededor de un deuterón o de un tritón. Supongamos que el muón cae en una órbita alrededor de un deuterón inicialmente, lo que tiene una probabilidad del 50% de ocurrir si hay cantidades aproximadamente iguales de deuterones y tritones presentes, formando un átomo de deuterio muónico eléctricamente neutro (d–μ) 0 que actúa de manera similar a un "neutrón pesado y gordo" debido tanto a su tamaño relativamente pequeño (de nuevo, 207 veces más pequeño que un átomo de deuterio electrónico eléctricamente neutro (d–e) 0 ) como al "blindaje" muy efectivo por parte del muón de la carga positiva del protón en el deuterón. Aun así, el muón todavía tiene una probabilidad mucho mayor de ser transferido a cualquier tritón que se acerque lo suficiente al deuterio muónico que de formar un ion molecular muónico. El átomo de tritio muónico eléctricamente neutro (t–μ) 0 así formado actuará de forma similar a un "neutrón aún más gordo y pesado", pero lo más probable es que se aferre a su muón, formando finalmente un ion molecular muónico, muy probablemente debido a la formación resonante de un estado molecular hiperfino dentro de una molécula de deuterio entera D 2 (d=e 2 =d), con el ion molecular muónico actuando como un "núcleo más gordo y pesado" de la molécula de deuterio "muónica/electrónica" neutra "más gorda y pesada" ([d–μ–t]=e 2 =d), como predijo Vesman, un estudiante de posgrado estonio, en 1967. [15]
Una vez que se forma el estado de ion molecular muónico, el blindaje por parte del muón de las cargas positivas del protón del tritón y el protón del deuterón entre sí permite que el tritón y el deuterón atraviesen la barrera de Coulomb en un lapso de tiempo del orden de un nanosegundo [16]. El muón sobrevive a la reacción de fusión nuclear catalizada por el muón d–t y permanece disponible (normalmente) para catalizar otras fusiones nucleares catalizadas por el muón d–t. Cada fusión nuclear exotérmica d–t libera unos 17,6 MeV de energía en forma de un neutrón "muy rápido" que tiene una energía cinética de unos 14,1 MeV y una partícula alfa α (un núcleo de helio -4) con una energía cinética de unos 3,5 MeV. [7] Se pueden obtener 4,8 MeV adicionales moderando los neutrones rápidos en una "manta" adecuada que rodee la cámara de reacción, conteniendo la manta litio -6, cuyos núcleos, conocidos por algunos como "litio", absorben fácilmente y de forma exotérmica los neutrones térmicos , transmutando así el litio-6 en una partícula alfa y un tritón. [nota 6]
El primer tipo de fusión catalizada por muones que se observó experimentalmente, por LW Alvarez et al. [6] , fue la fusión catalizada por muones de protio (H o 1 H 1 ) y deuterio (D o 1 H 2 ). Se ha estimado que la velocidad de fusión para la fusión catalizada por muones p–d (o pd ) es aproximadamente un millón de veces más lenta que la velocidad de fusión para la fusión catalizada por muones d–t . [7] [nota 7]
De mayor interés práctico, la fusión catalizada por muones de deuterio-deuterio se ha observado con frecuencia y se ha estudiado ampliamente de manera experimental, en gran parte porque el deuterio ya existe en relativa abundancia y, al igual que el protio, el deuterio no es en absoluto radiactivo. (El tritio rara vez se produce de forma natural y es radiactivo con una vida media de aproximadamente 12,5 años. [8] )
Se ha estimado que la tasa de fusión para la fusión catalizada por muones d–d es solo alrededor del 1% de la tasa de fusión para la fusión catalizada por muones d–t, pero esto todavía da alrededor de una fusión nuclear d–d cada 10 a 100 picosegundos aproximadamente. [7] Sin embargo, la energía liberada con cada reacción de fusión catalizada por muones d–d es solo alrededor del 20% o más de la energía liberada con cada reacción de fusión catalizada por muones d–t. [7] Además, el muón catalizador tiene una probabilidad de adherirse a al menos uno de los productos de la reacción de fusión catalizada por muones d–d que Jackson en este artículo de 1957 [7] estimó que era al menos 10 veces mayor que la probabilidad correspondiente de que el muón catalizador se adhiera a al menos uno de los productos de la reacción de fusión catalizada por muones d–t, evitando así que el muón catalice más fusiones nucleares. En efecto, esto significa que cada muón que cataliza reacciones de fusión catalizadas por muones d–d en deuterio puro solo es capaz de catalizar aproximadamente una décima parte del número de reacciones de fusión catalizadas por muones d–t que cada muón es capaz de catalizar en una mezcla de cantidades iguales de deuterio y tritio, y cada fusión d–d solo produce aproximadamente una quinta parte del rendimiento de cada fusión d–t, lo que hace que las perspectivas de liberación de energía útil de la fusión catalizada por muones d–d sean al menos 50 veces peores que las ya sombrías perspectivas de liberación de energía útil de la fusión catalizada por muones d–t.
Las posibles posibilidades de fusión nuclear "aneutrónica" (o sustancialmente aneutrónica) , que dan como resultado que no haya neutrones entre los productos de fusión nuclear, casi con certeza no son muy susceptibles a la fusión catalizada por muones. [7] Una de estas reacciones de fusión nuclear esencialmente aneutrónicas implica la fusión de un deuterón de deuterio con un helio (He +2 ) de helio-3 , lo que produce una partícula alfa energética y un protón mucho más energético , ambos con carga positiva (con unos pocos neutrones provenientes de las inevitables reacciones secundarias de fusión nuclear d–d ). Sin embargo, un muón con una sola carga eléctrica negativa es incapaz de proteger ambas cargas positivas de un helio de la carga positiva de un deuterón. Las probabilidades de que los dos muones necesarios estén presentes simultáneamente son excepcionalmente remotas.
El término "fusión fría" fue acuñado para referirse a la fusión catalizada por muones en un artículo del New York Times de 1956 sobre el trabajo de Luis W. Alvarez . [17]
En 1957, Theodore Sturgeon escribió una novela corta, " La cápsula en la barrera ", en la que la humanidad tiene reactores de fusión fría por todas partes que funcionan con muones. La reacción es "Cuando el hidrógeno uno y el hidrógeno dos están en presencia de mesones Mu, se fusionan en helio tres, con un rendimiento energético en electronvoltios de 5,4 por diez a la quinta potencia". A diferencia de la bomba termonuclear contenida en la cápsula (que se utiliza para destruir la barrera), pueden quedar temporalmente inutilizados por la "incredulidad concentrada" de que la fusión de muones funciona. [18]
En la tercera novela de Sir Arthur C. Clarke de la serie Odisea del espacio, 2061: Odisea tres , la fusión catalizada por muones es la tecnología que permite a la humanidad realizar viajes interplanetarios con facilidad. El personaje principal, Heywood Floyd, compara a Luis Álvarez con Lord Rutherford por subestimar el potencial futuro de sus descubrimientos.