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