El polywell es un diseño propuesto para un reactor de fusión que utiliza un campo eléctrico y magnético para calentar iones a condiciones de fusión.
El diseño está relacionado con el fusor , el reactor de fusión de alta beta , el espejo magnético y la cúspide bicónica . Un conjunto de electroimanes genera un campo magnético que atrapa electrones . Esto crea un voltaje negativo, que atrae iones positivos . A medida que los iones se aceleran hacia el centro negativo, su energía cinética aumenta. Los iones que chocan a energías suficientemente altas pueden fusionarse .
Un fusor Farnsworth-Hirsch consta de dos jaulas de alambre, una dentro de la otra, a menudo denominadas rejillas, que se colocan dentro de una cámara de vacío . La jaula exterior tiene un voltaje positivo en comparación con la jaula interior. Un combustible, normalmente, gas deuterio , se inyecta en esta cámara. Se calienta más allá de su temperatura de ionización , lo que produce iones positivos . Los iones son positivos y se mueven hacia la jaula interior negativa. Los que no alcanzan los cables de la jaula interior vuelan a través del centro del dispositivo a altas velocidades y pueden salir volando por el otro lado de la jaula interior. A medida que los iones se mueven hacia afuera, una fuerza de Coulomb los impulsa de nuevo hacia el centro. Con el tiempo, se puede formar un núcleo de gas ionizado dentro de la jaula interior. Los iones pasan de un lado a otro a través del núcleo hasta que chocan con la rejilla u otro núcleo. La mayoría de los impactos en el núcleo no dan lugar a la fusión. Los impactos en la rejilla pueden aumentar la temperatura de la rejilla, así como erosionarla. Estos impactos alejan la masa y la energía del plasma, además de desprender iones metálicos en el gas, lo que lo enfría.
En los fusores, el pozo de potencial está hecho con una jaula de alambre. Debido a que la mayoría de los iones y electrones caen sobre la jaula, los fusores sufren altas pérdidas de conducción . Por lo tanto, ningún fusor se ha acercado al punto de equilibrio energético.
El Polywell intenta retener un plasma diamagnético , un material que rechaza los campos magnéticos externos creados por los electroimanes. Este tipo de comportamiento no es normal en los plasmas en fusión.
Tanto el Polywell como el reactor de fusión de alta beta presuponen que el campo autogenerado del plasma es tan fuerte que rechazará el campo externo. Bussard más tarde llamó a este tipo de confinamiento la Wiffle-Ball . Esta analogía se utilizó para describir el atrapamiento de electrones dentro del campo. Las canicas pueden quedar atrapadas dentro de una Wiffle-Ball , una esfera hueca y perforada; si se colocan canicas dentro, pueden rodar y, a veces, escapar a través de los agujeros de la esfera. La topología magnética de un polywell de alta beta actúa de manera similar con los electrones. En junio de 2014, EMC2 publicó una preimpresión [3] que proporciona (1) mediciones de rayos X y (2) de bucle de flujo de que el efecto diamagnético impactará en el campo externo.
Según Bussard, la tasa típica de fuga de cúspide es tal que un electrón realiza de 5 a 8 pasadas antes de escapar a través de una cúspide en una cúspide bicónica con confinamiento de espejo estándar; de 10 a 60 pasadas en un polipozo bajo confinamiento de espejo (beta baja) que él llamó confinamiento de cúspide; y varios miles de pasadas en confinamiento Wiffle-Ball (beta alta). [7] [8]
En febrero de 2013, Lockheed Martin Skunk Works anunció una nueva máquina de fusión compacta, el reactor de fusión de alta beta , [9] [10] que puede estar relacionado con la cúspide bicónica y el polipozo, y que funciona en β = 1.
El espejo magnético predomina en los diseños de beta baja. Tanto los iones como los electrones se reflejan desde campos de alta densidad a campos de baja densidad. Esto se conoce como el efecto del espejo magnético. [11] Los anillos del polywell están dispuestos de manera que los campos más densos estén en el exterior, atrapando a los electrones en el centro. Esto puede atrapar partículas con valores beta bajos.
En condiciones de beta alta, la máquina puede funcionar con confinamiento de cúspides. [12] Esto es una mejora con respecto al espejo magnético más simple. [13] El MaGrid tiene seis cúspides puntuales, cada una ubicada en el medio de un anillo; y dos cúspides lineales altamente modificadas, que unen las ocho cúspides de las esquinas ubicadas en los vértices del cubo. La clave es que estas dos cúspides lineales son mucho más estrechas que la cúspide lineal única en las máquinas de espejo magnético, por lo que las pérdidas netas son menores. Las pérdidas de las dos cúspides lineales son similares o menores que las de las seis cúspides puntuales centradas en las caras. [14] En 1955, Harold Grad teorizó que una presión de plasma de beta alta combinada con un campo magnético en cúspides mejoraría el confinamiento del plasma. [5] Un plasma diamagnético rechaza los campos externos y tapona las cúspides. Este sistema sería una trampa mucho mejor.
El confinamiento en cúspide se exploró teóricamente [6] y experimentalmente. [15] Sin embargo, la mayoría de los experimentos con cúspides fracasaron y desaparecieron de los programas nacionales en 1980.
Los campos magnéticos ejercen una presión sobre el plasma. La beta es la relación entre la presión del plasma y la intensidad del campo magnético. Puede definirse por separado para electrones e iones. El polywell se ocupa únicamente de la beta del electrón, mientras que la beta del ión es de mayor interés en el Tokamak y otras máquinas de plasma neutro. Las dos varían en una proporción muy grande, debido a la enorme diferencia de masa entre un electrón y cualquier ión. Por lo general, en otros dispositivos se descuida la beta del electrón, ya que la beta del ión determina parámetros más importantes del plasma. Este es un punto de confusión importante para los científicos más familiarizados con la física del plasma de fusión más "convencional".
Téngase en cuenta que para el electrón beta, solo se utilizan la densidad numérica de electrones y la temperatura, ya que ambas, pero especialmente la última, pueden variar significativamente de los parámetros iónicos en la misma ubicación.
[16]
La mayoría de los experimentos en polipozos involucran regímenes de plasma de beta baja (donde β < 1), [17] donde la presión del plasma es débil comparada con la presión magnética . Varios modelos describen atrapamiento magnético en polipozos. [ cita requerida ] Las pruebas indicaron que el confinamiento del plasma se mejora en una configuración de cúspide magnética cuando β (presión del plasma/presión del campo magnético) es de orden uno. Esta mejora es necesaria para que un reactor de potencia de fusión basado en confinamiento de cúspide sea factible. [18]
El principal problema del fusor es que la jaula interior conduce demasiada energía y masa. La solución, sugerida por Robert Bussard y Oleg Lavrentiev [19] , fue reemplazar la jaula negativa por un "cátodo virtual" hecho de una nube de electrones.
Un polywell consta de varias partes, que se colocan dentro de una cámara de vacío [20]
La densidad de energía magnética necesaria para confinar electrones es mucho menor que la necesaria para confinar directamente iones, como se hace en otros proyectos de fusión como el ITER . [21] [24] [25]
Cuando un electrón entra en un campo magnético, siente una fuerza de Lorentz y gira en espiral. El radio de este movimiento es el radio de giro . A medida que se mueve, pierde algo de energía en forma de rayos X , cada vez que cambia de velocidad. El electrón gira más rápido y más apretado en campos más densos, a medida que ingresa a MaGrid. Dentro de MaGrid, los electrones individuales viajan directamente a través del punto nulo, debido a su radio de giro infinito en regiones sin campo magnético. Luego, se dirigen hacia los bordes del campo MaGrid y giran en espiral a lo largo de las líneas de campo magnético más densas. [17] [26] Este es un movimiento típico de resonancia ciclotrónica de electrones . Su radio de giro se encoge y cuando chocan con un campo magnético denso pueden reflejarse utilizando el efecto de espejo magnético. [27] [28] [29] El atrapamiento de electrones se ha medido en polywells con sondas Langmuir . [21] [22] [4]
El polywell intenta confinar los iones y electrones a través de dos medios diferentes, tomados de fusores y espejos magnéticos . Los electrones son más fáciles de confinar magnéticamente porque tienen mucha menos masa que los iones. [30] La máquina confina los iones utilizando un campo eléctrico de la misma manera que un fusor confina los iones: en el polywell, los iones son atraídos a la nube de electrones negativos en el centro. En el fusor, son atraídos a una jaula de alambre negativa en el centro.
La recirculación de plasma mejoraría significativamente el funcionamiento de estas máquinas. Se ha argumentado que la recirculación eficiente es la única forma en que pueden ser viables. [31] [32] Los electrones o iones se mueven a través del dispositivo sin golpear una superficie, lo que reduce las pérdidas de conducción . Bussard enfatizó esto; enfatizando específicamente que los electrones necesitan moverse a través de todas las cúspides de la máquina. [33] [34]
Hasta 2015 [actualizar]no se había determinado de manera concluyente cuál es la distribución de energía de iones o electrones. La distribución de energía del plasma se puede medir utilizando una sonda Langmuir . Esta sonda absorbe carga del plasma a medida que cambia su voltaje, formando una curva IV . [36] A partir de esta señal, se puede calcular la distribución de energía. La distribución de energía impulsa y es impulsada por varias tasas físicas, [31] la tasa de pérdida de electrones e iones, la tasa de pérdida de energía por radiación , la tasa de fusión y la tasa de colisiones sin fusión. La tasa de colisión puede variar mucho en todo el sistema: [ cita requerida ]
Los críticos afirmaron que tanto los electrones como las poblaciones de iones tienen una distribución en forma de curva de campana ; [31] que el plasma está termalizado . La justificación dada es que cuanto más se mueven los electrones y los iones dentro del polipocillo, más interacciones experimentan que conducen a la termalización. Este modelo para [31] la distribución de iones se muestra en la Figura 5.
Los partidarios del modelo modelaron un plasma no térmico . [33] La justificación es la gran cantidad de dispersión en el centro del dispositivo. [37] Sin un campo magnético, los electrones se dispersan en esta región. Afirmaron que esta dispersión conduce a una distribución monoenergética, como la que se muestra en la Figura 6. Este argumento está respaldado por simulaciones bidimensionales de partículas en la celda. [37] Bussard argumentó que la inyección constante de electrones tendría el mismo efecto. [20] Tal distribución ayudaría a mantener un voltaje negativo en el centro, mejorando el rendimiento. [20]
La fusión nuclear se refiere a las reacciones nucleares que combinan núcleos más ligeros para formar núcleos más pesados. Todos los elementos químicos pueden fusionarse; en el caso de los elementos con menos protones que el hierro, este proceso transforma la masa en energía que puede capturarse para generar energía de fusión .
La probabilidad de que se produzca una reacción de fusión está controlada por la sección transversal del combustible, [38] que a su vez es una función de su temperatura. Los núcleos más fáciles de fusionar son el deuterio y el tritio . Su fusión se produce cuando los iones alcanzan los 4 keV ( kiloelectronvoltios ), o unos 45 millones de kelvins . El Polywell lograría esto acelerando un ion con una carga de 1 a lo largo de un campo eléctrico de 4.000 voltios. El alto coste, la corta vida media y la radiactividad del tritio hacen que sea difícil trabajar con él.
La segunda reacción más sencilla es la fusión del deuterio consigo mismo. Debido a su bajo coste, los aficionados a la fusión suelen utilizar deuterio. Los experimentos de Bussard con polywell se realizaron utilizando este combustible. La fusión del deuterio o el tritio produce un neutrón rápido y, por tanto, residuos radiactivos. La elección de Bussard fue la de fusionar el boro-11 con protones; esta reacción es aneutrónica (no produce neutrones). Una ventaja del p- 11B como combustible de fusión es que la salida principal del reactor serían partículas alfa energéticas, que pueden convertirse directamente en electricidad con una alta eficiencia mediante la conversión directa de energía . La conversión directa ha conseguido una eficiencia energética del 48% [39] frente al 80-90% de eficiencia teórica. [11]
La energía generada por la fusión dentro de una nube de plasma caliente se puede encontrar con la siguiente ecuación: [40]
dónde:
La energía varía con la temperatura, la densidad, la velocidad de colisión y el combustible. Para alcanzar la producción neta de energía, las reacciones deben ocurrir lo suficientemente rápido como para compensar las pérdidas de energía. Las nubes de plasma pierden energía a través de la conducción y la radiación . [40] La conducción es cuando los iones , electrones o neutros tocan una superficie y escapan. La energía se pierde con la partícula. La radiación es cuando la energía escapa en forma de luz. La radiación aumenta con la temperatura. Para obtener energía neta de la fusión, estas pérdidas deben superarse. Esto conduce a una ecuación para la salida de energía.
Potencia neta = Eficiencia × (Fusión − Pérdida de radiación − Pérdida de conducción)
Lawson utilizó esta ecuación para estimar las condiciones de potencia neta [40] basándose en una nube maxwelliana . [40]
Sin embargo, el criterio de Lawson no se aplica a Polywells si la conjetura de Bussard de que el plasma no es térmico es correcta. Lawson afirmó en su informe fundacional: [40] "Por supuesto, es fácil postular sistemas en los que la distribución de velocidad de la partícula no sea maxwelliana. Estos sistemas quedan fuera del alcance de este informe". También descartó la posibilidad de que se encienda un plasma no térmico: "No se puede ganar nada utilizando un sistema en el que los electrones están a una temperatura inferior [a la de los iones]. La pérdida de energía en un sistema de este tipo por transferencia a los electrones siempre será mayor que la energía que irradiarían los electrones si estuvieran a la [misma] temperatura".
Existen varias críticas generales al Polywell:
Todd Rider (ingeniero biológico y ex estudiante de física del plasma) [41] calculó que las pérdidas de radiación de rayos X con este combustible superarían la producción de energía de fusión en al menos un 20%. El modelo de Rider utilizó los siguientes supuestos: [31] [32]
Partiendo de estas premisas, Rider utilizó ecuaciones generales [43] para estimar las tasas de diferentes efectos físicos, entre ellos la pérdida de iones por dispersión ascendente, la tasa de termalización de iones, la pérdida de energía debida a la radiación de rayos X y la tasa de fusión [31] . Sus conclusiones fueron que el dispositivo adolecía de "fallas fundamentales". [31]
Por el contrario, Bussard argumentó [8] que el plasma tenía una estructura, distribución de temperatura y perfil de pozo diferentes. Estas características no se han medido completamente y son fundamentales para la viabilidad del dispositivo. Los cálculos de Bussard indicaron que las pérdidas por bremsstrahlung serían mucho menores. [44] [45] Según Bussard, la alta velocidad y, por lo tanto, la baja sección transversal para las colisiones de Coulomb de los iones en el núcleo hace que las colisiones termalizantes sean muy improbables, mientras que la baja velocidad en el borde significa que la termalización allí casi no tiene impacto en la velocidad de los iones en el núcleo. [46] [47] Bussard calculó que un reactor de polipozo con un radio de 1,5 metros produciría potencia neta fusionando deuterio . [48]
Otros estudios refutaron algunas de las suposiciones hechas por Rider y Nevins, argumentando que la tasa de fusión real y la potencia de recirculación asociada (necesaria para superar el efecto termalizador y sostener el perfil iónico no maxwelliano) solo se podían estimar con un tratamiento colisional autoconsistente de la función de distribución iónica, algo que falta en el trabajo de Rider. [49]
Se ha propuesto que la energía puede extraerse de los polipozos utilizando la captura de calor o, en el caso de la fusión aneutrónica como D -3He o p - 11B , la conversión directa de energía , aunque ese esquema enfrenta desafíos. Las partículas alfa energéticas (hasta unos pocos MeV) generadas por la reacción de fusión aneutrónica saldrían del MaGrid a través de las seis cúspides axiales como conos (haces de iones dispersos). Los colectores de conversión directa dentro de la cámara de vacío convertirían la energía cinética de las partículas alfa en una corriente continua de alto voltaje . Las partículas alfa deben reducir su velocidad antes de entrar en contacto con las placas colectoras para lograr una alta eficiencia de conversión. [50] En experimentos, la conversión directa ha demostrado una eficiencia de conversión del 48%. [51]
A finales de los años 1960, varias investigaciones estudiaron los campos magnéticos poliédricos como una posibilidad para confinar un plasma de fusión. [52] [53] La primera propuesta para combinar esta configuración con un pozo de potencial electrostático para mejorar el confinamiento de electrones fue hecha por Oleg Lavrentiev en 1975. [19] La idea fue retomada por Robert Bussard en 1983. Su solicitud de patente de 1989 citó a Lavrentiev, [14] aunque en 2006 parece afirmar haber (re)descubierto la idea de forma independiente. [54]
La investigación fue financiada primero por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa a partir de 1987 y más tarde por DARPA . [22] : 32:30 Esta financiación dio como resultado una máquina conocida como el experimento de fuente de energía de alta energía (HEPS). Fue construido por Directed Technologies Inc. [55] Esta máquina era una máquina grande (1,9 m de ancho), con los anillos fuera de la cámara de vacío. [22] : 32:33 Esta máquina funcionó mal porque los campos magnéticos enviaban electrones a las paredes, lo que aumentaba las pérdidas de conducción. Estas pérdidas se atribuyeron a una mala inyección de electrones. [55] La Marina de los EE. UU. comenzó a proporcionar financiación de bajo nivel al proyecto en 1992. [56] Krall publicó los resultados en 1994. [55]
Bussard, que había sido un defensor de la investigación sobre los Tokamaks , se convirtió en defensor de este concepto, de modo que la idea quedó asociada a su nombre. En 1995 envió una carta al Congreso de los Estados Unidos en la que afirmaba que sólo había apoyado los Tokamaks para conseguir que el gobierno patrocinara la investigación sobre la fusión, pero que ahora creía que había mejores alternativas.
Bussard fundó Energy/Matter Conversion Corporation, Inc. (también conocida como EMC2) en 1985 [22] [14] y después de que el programa HEPS terminara, la compañía continuó con su investigación. Se fabricaron máquinas sucesivas, evolucionando desde WB-1 hasta WB-8. La compañía ganó una subvención SBIR I en 1992-93 y una subvención SBIR II en 1994-95, ambas de la Marina de los EE. UU. [54] En 1993, recibió una subvención del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica . [54] En 1994, la compañía recibió pequeñas subvenciones de la NASA y LANL . [54] A partir de 1999, la compañía fue financiada principalmente por la Marina de los EE. UU. [54]
El WB-1 tenía seis imanes convencionales en un cubo. Este dispositivo tenía 10 cm de ancho. [54] El WB-2 usaba bobinas de cables para generar el campo magnético. Cada electroimán tenía una sección transversal cuadrada que creaba problemas. Los campos magnéticos impulsaban electrones hacia los anillos de metal, lo que aumentaba las pérdidas de conducción y el atrapamiento de electrones. Este diseño también sufría de pérdidas de "cúspide extraña" en las uniones entre imanes. El WB-6 intentó abordar estos problemas, utilizando anillos circulares y espaciándolos más. [22] El siguiente dispositivo, PXL-1, se construyó en 1996 y 1997. Esta máquina tenía 26 cm de ancho y usaba anillos más planos para generar el campo. [54] De 1998 a 2005, la compañía construyó una sucesión de seis máquinas: WB-3, MPG-1,2, WB-4, PZLx-1, MPG-4 y WB-5. Todos estos reactores eran diseños de seis imanes construidos como un cubo o un cubo truncado . Su radio oscilaba entre 3 y 40 cm. [54]
Las dificultades iniciales en el confinamiento esférico de electrones llevaron a la terminación del proyecto de investigación en 2005. Sin embargo, Bussard informó una tasa de fusión de 10 9 por segundo ejecutando reacciones de fusión DD a solo 12,5 kV (basándose en la detección de nueve neutrones en cinco pruebas, [8] [57] dando un amplio intervalo de confianza ). Afirmó que la tasa de fusión lograda por WB-6 fue aproximadamente 100.000 veces mayor que la que Farnsworth logró en condiciones de profundidad y conducción de pozo similares. [58] [59] En comparación, los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison informaron una tasa de neutrones de hasta 5×10 9 por segundo a voltajes de 120 kV desde un fusor electrostático sin campos magnéticos. [60]
Bussard afirmó, mediante el uso de bobinas superconductoras , que el único canal significativo de pérdida de energía es a través de pérdidas de electrones proporcionales al área de superficie. También afirmó que la densidad se escalaría con el cuadrado del campo ( condiciones beta constantes ), y el campo magnético máximo alcanzable se escalaría con el radio. En esas condiciones, la energía de fusión producida se escalaría con la séptima potencia del radio, y la ganancia de energía se escalaría con la quinta potencia. Si bien Bussard no documentó públicamente el razonamiento subyacente a esta estimación, [61] de ser cierto, permitiría que un modelo solo diez veces más grande fuera útil como planta de energía de fusión. [8]
La financiación se hizo cada vez más escasa. Según Bussard , "los fondos eran claramente necesarios para la más importante guerra en Irak ". [59] Una financiación adicional de 900.000 dólares de la Oficina de Investigación Naval permitió que el programa continuara lo suficiente como para llegar a las pruebas del WB-6 en noviembre de 2005. El WB-6 tenía anillos con secciones transversales circulares que se separaban en las juntas. Esto reducía el área de superficie metálica desprotegida por campos magnéticos. Estos cambios mejoraron drásticamente el rendimiento del sistema, lo que llevó a una mayor recirculación de electrones y un mejor confinamiento de electrones, en un núcleo progresivamente más compacto. Esta máquina produjo una tasa de fusión de 10 9 por segundo. Esto se basa en un total de nueve neutrones en cinco pruebas, lo que da un amplio intervalo de confianza. [8] [57] El voltaje de accionamiento en las pruebas del WB-6 fue de aproximadamente 12,5 kV, con una profundidad de pozo potencial resultante de aproximadamente 10 kV. [8] Por lo tanto, los iones de deuterio podrían tener un máximo de 10 keV de energía cinética en el centro. En comparación, un Fusor que funcionara con fusión de deuterio a 10 kV produciría una tasa de fusión casi demasiado pequeña para detectarla. Hirsch informó una tasa de fusión tan alta solo haciendo funcionar su máquina con una caída de 150 kV entre las jaulas interna y externa. [62] Hirsch también utilizó deuterio y tritio , un combustible mucho más fácil de fusionar, porque tiene una sección transversal nuclear más alta .
Aunque los pulsos del WB-6 eran de una duración inferior a un milisegundo, Bussard consideró que la física debía representar un estado estable. Una prueba de último momento del WB-6 terminó prematuramente cuando el aislamiento de uno de los electroimanes de cuerda manual se quemó y destruyó el dispositivo.
Sin más financiación durante 2006, el proyecto se estancó. Esto puso fin al embargo de 11 años de la Marina de los EE. UU. sobre la publicación y publicidad entre 1994 y 2005. [63] El equipo de propiedad militar de la compañía fue transferido a SpaceDev , que contrató a tres de los investigadores del equipo. [59] Después de la transferencia, Bussard intentó atraer nuevos inversores, dando charlas tratando de aumentar el interés en su diseño. Dio una charla en Google titulada "¿Debería Google volverse nuclear?" [22] También presentó y publicó una descripción general en el 57.º Congreso Astronáutico Internacional en octubre de 2006. [8] Se presentó en una charla técnica interna de Yahoo! el 10 de abril de 2007. [64] y habló en el programa de radio de Internet The Space Show el 8 de mayo de 2007. Bussard tenía planes para WB-8 que era un poliedro de orden superior, con 12 electroimanes. Sin embargo, este diseño no se utilizó en la máquina WB-8 real.
Bussard creía que la máquina WB-6 había demostrado progreso y que no se necesitarían modelos a escala intermedia. Señaló: "Probablemente somos las únicas personas en el planeta que saben cómo hacer un sistema de fusión limpio de potencia neta real" [58]. Propuso reconstruir WB-6 de manera más robusta para verificar su rendimiento. Después de publicar los resultados, planeó convocar una conferencia de expertos en el campo en un intento de conseguir que respaldaran su diseño. El primer paso de ese plan era diseñar y construir dos diseños más a pequeña escala (WB-7 y WB-8) para determinar qué máquina a escala real sería la mejor. Escribió: "El único trabajo de máquina a pequeña escala que queda por hacer, que aún puede dar más mejoras en el rendimiento, es la prueba de uno o dos dispositivos a escala WB-6 pero con bobinas "cuadradas" o poligonales alineadas aproximadamente (pero ligeramente desplazadas en las caras principales) a lo largo de los bordes de los vértices del poliedro. Si esto se construye alrededor de un dodecaedro truncado , se espera un rendimiento casi óptimo; aproximadamente 3 a 5 veces mejor que WB-6". [8] Bussard murió el 6 de octubre de 2007 a causa de mieloma múltiple a los 79 años. [65]
En 2007, Steven Chu , premio Nobel y ex secretario de Energía de los Estados Unidos , respondió a una pregunta sobre Polywell en una charla tecnológica en Google . Dijo: "Hasta ahora, no hay suficiente información para poder dar una evaluación de la probabilidad de que funcione o no... Pero estoy tratando de obtener más información". [66]
En agosto de 2007, EMC2 recibió un contrato de la Marina de los EE. UU. por 1,8 millones de dólares. [67] Antes de la muerte de Bussard en octubre de 2007, [68] Dolly Gray, quien cofundó EMC2 con Bussard y se desempeñó como su presidenta y directora ejecutiva, ayudó a reunir a los científicos en Santa Fe para continuar. El grupo estaba dirigido por Richard Nebel e incluía al físico formado en Princeton Jaeyoung Park. Ambos físicos estaban de licencia del LANL . El grupo también incluía a Mike Wray, el físico que dirigió las pruebas clave de 2005; y Kevin Wray, el especialista en computadoras para la operación.
El WB-7 se construyó en San Diego y se envió a las instalaciones de pruebas de EMC2. El dispositivo se denominó WB-7 y, al igual que las ediciones anteriores, fue diseñado por el ingeniero Mike Skillicorn. Esta máquina tiene un diseño similar al WB-6. El WB-7 logró el "primer plasma" a principios de enero de 2008. [69] [70] En agosto de 2008, el equipo terminó la primera fase de su experimento y presentó los resultados a una junta de revisión por pares. Basándose en esta revisión, los financiadores federales acordaron que el equipo debía pasar a la siguiente fase. Nebel dijo "hemos tenido cierto éxito", refiriéndose al esfuerzo del equipo por reproducir los prometedores resultados obtenidos por Bussard. "Es una especie de mezcla", informó Nebel. "En general, estamos contentos con lo que hemos estado obteniendo de esto, y hemos aprendido una enorme cantidad", también dijo. [71]
En septiembre de 2008, el Centro de Guerra Aérea Naval presentó una solicitud pública de un contrato para la investigación de un dispositivo de fusión electrostático " Wiffle Ball ". [72] En octubre de 2008, la Marina de los EE. UU. presentó una solicitud pública de dos contratos más [73] [74] , siendo EMC2 el proveedor preferido. Estas dos tareas consistían en desarrollar una mejor instrumentación y desarrollar una pistola de inyección de iones. [75] [76] En diciembre de 2008, tras muchos meses de revisión por parte del panel de expertos de la presentación de los resultados finales del WB-7, Nebel comentó que "no hay nada en [la investigación] que sugiera que esto no funcionará", pero "esa es una afirmación muy diferente a decir que funcionará". [77]
En enero de 2009, el Centro de Guerra Aérea Naval presentó una solicitud previa de otro contrato para la "modificación y prueba del plasma wiffleball 7" [78] que parecía ser financiación para instalar la instrumentación desarrollada en un contrato anterior, instalar un nuevo diseño para el conector (unión) entre bobinas y operar el dispositivo modificado. La unidad modificada se llamó WB-7.1. Esta solicitud previa comenzó como un contrato de 200.000 dólares, pero la adjudicación final fue de 300.000 dólares. En abril de 2009, el Departamento de Defensa publicó un plan para proporcionar a EMC2 otros 2 millones de dólares como parte de la Ley de Recuperación y Reinversión Estadounidense de 2009. La cita en la legislación se etiquetó como Plasma Fusion (Polywell) - Demostración del sistema de confinamiento de plasma de fusión para aplicaciones en tierra y a bordo; Proyecto conjunto OSD / USN. [79] La Ley de Recuperación financió a la Armada con 7,86 millones de dólares para construir y probar un WB-8. [80] El contrato de la Marina tenía una opción por 4,46 millones de dólares adicionales. [80] El nuevo dispositivo aumentó la intensidad del campo magnético ocho veces con respecto al WB-6. [81]
El equipo construyó WB-8 y las herramientas computacionales para analizar y comprender los datos que contiene. [82] El equipo se trasladó a San Diego. [83]
Jaeyoung Park se convirtió en presidente. [84] En una entrevista en mayo, Park comentó que "Esta máquina [WB8] debería ser capaz de generar 1.000 veces más actividad nuclear que la WB-7, con aproximadamente ocho veces más campo magnético" [85] El primer plasma WB-8 se generó el 1 de noviembre de 2010. [82] Para el tercer trimestre se habían realizado más de 500 disparos de plasma de alta potencia. [86] [87]
El 15 de agosto, la Marina acordó financiar EMC2 con 5,3 millones de dólares adicionales durante dos años para trabajar en el bombeo de electrones hacia el wiffleball. Planearon integrar una fuente de alimentación pulsada para soportar los cañones de electrones (100+A, 10kV). WB-8 operaba a 0,8 Tesla. La revisión del trabajo produjo la recomendación de continuar y expandir el esfuerzo, [88] afirmando: "Los resultados experimentales hasta la fecha fueron consistentes con el marco teórico subyacente del concepto de fusión de polipozo y, en opinión del comité, merecían continuación y expansión". [89]
En junio, EMC2 demostró por primera vez que la nube de electrones se vuelve diamagnética en el centro de una configuración de cúspide magnética cuando beta es alta, resolviendo una conjetura anterior. [5] [3] Queda por demostrar experimentalmente si el plasma está termalizado. Park presentó estos hallazgos en varias universidades, [90] [91] [92] [93] [94] la reunión anual de Fusion Power Associates de 2014 [95] y la conferencia IEC de 2014.
El 22 de enero, EMC2 se presentó en Microsoft Research . [96] EMC2 planeó un programa de investigación comercial de tres años y 30 millones de dólares para demostrar que el Polywell puede funcionar. [97] El 11 de marzo, la compañía presentó una solicitud de patente que refinó las ideas de la patente de Bussard de 1985. [98] El artículo "Confinamiento de electrones de alta energía en una configuración de cúspide magnética" se publicó en Physical Review X. [99]
El 13 de abril, Next Big Future publicó un artículo con información sobre el reactor Wiffle Ball fechada en 2013 a través de la Ley de Libertad de Información .
El 2 de mayo, Jaeyoung Park dio una conferencia en la Universidad Khon Kaen de Tailandia, en la que afirmó que el mundo ha subestimado tanto el calendario y el impacto que tendrá la energía de fusión práctica y económica que su llegada definitiva será muy disruptiva. Park afirmó que esperaba presentar "la prueba científica final del principio de la tecnología de pozos poliméricos alrededor de 2019-2020", y espera que "se desarrolle un reactor de fusión comercial de primera generación para 2030 y luego la producción en masa y comercialización de la tecnología en la década de 2030. Esto es aproximadamente 30 años más rápido de lo esperado por el proyecto del Reactor Termonuclear Internacional (ITER). También sería decenas de miles de millones de dólares más barato". [100]
En mayo de 2018, Park y Nicholas Krall presentaron la patente OMPI WO/2018/208953. [101] "Generación de reacciones de fusión nuclear con el uso de inyección de haz de iones en dispositivos de cúspide magnética de alta presión", que describía el dispositivo de polipozo en detalle.
En junio de 2019, Richard Bowden-Reid publicó en forma de tesis doctoral los resultados de los experimentos de larga duración realizados en la Universidad de Sídney (USyd). El equipo utilizó una máquina experimental construida en la universidad para investigar la formación de los electrodos virtuales. [102]
Su trabajo demostró que no se podía encontrar rastro alguno o muy poco de formación de electrodos virtuales. Esto dejó un misterio; tanto su máquina como los experimentos anteriores mostraban evidencia clara y consistente de la formación de un pozo de potencial que atrapaba iones, lo que anteriormente se había atribuido a la formación de los electrodos. Al explorar este problema, Bowden-Reid desarrolló nuevas ecuaciones de campo para el dispositivo que explicaban el pozo de potencial sin formación de electrodos, y demostró que esto coincidía tanto con sus resultados como con los de experimentos anteriores. [102]
Además, al explorar el mecanismo general del concepto de electrodo virtual, se demostró que sus interacciones con los iones y con él mismo lo harían "perder" a un ritmo vertiginoso. Suponiendo las densidades y energías del plasma requeridas para la producción de energía neta, se calculó que se tendrían que suministrar nuevos electrones a un ritmo inviable de 200.000 amperios . [102]
Los resultados iniciales indican que la captura de carga es insignificante y que la formación de pozos de potencial es mínima o nula. Además, se demuestra que la existencia de pozos de potencial descrita en publicaciones anteriores se puede explicar sin el requisito de un cátodo virtual producido por electrones atrapados. Además, se demuestra que los pozos de potencial, que producen confinamiento de electrones y calentamiento a partir de cátodos virtuales, ya no existen con el aumento de la densidad del plasma. [102]
Mark Suppes construyó un polywell en Brooklyn. Fue el primer aficionado en detectar el atrapamiento de electrones utilizando una sonda Langmuir dentro de un polywell. Presentó su trabajo en la conferencia LIFT de 2012 y en la conferencia WIRED de 2012. [103] El proyecto finalizó oficialmente en julio de 2013 debido a la falta de financiación. [104]
La Universidad de Sydney en Australia realizó experimentos de polipozo, que dieron lugar a cinco artículos en Física de Plasmas . [17] [26] [30] [105] [106] También publicaron dos tesis de doctorado [4] [107] y presentaron su trabajo en conferencias IEC Fusion. [108] [109]
En un artículo de mayo de 2010 se analizó la capacidad de un pequeño dispositivo para capturar electrones. En el artículo se postuló que la máquina tenía una intensidad de campo magnético ideal que maximizaba su capacidad para capturar electrones. En el artículo se analizó el confinamiento magnético de los polipocillos mediante soluciones analíticas y simulaciones. El trabajo vinculó el confinamiento magnético de los polipocillos con la teoría del espejo magnético . [27] [110] [111] El trabajo de 2011 utilizó simulaciones de partículas en celdas para modelar el movimiento de partículas en polipocillos con una pequeña población de electrones. Los electrones se comportaron de manera similar a las partículas en la cúspide bicónica . [28]
Un artículo de 2013 midió un voltaje negativo dentro de un polywell de aluminio de 4 pulgadas. [30] Las pruebas incluyeron la medición de un haz interno de electrones, la comparación de la máquina con y sin un campo magnético , la medición del voltaje en diferentes ubicaciones y la comparación de los cambios de voltaje con la intensidad del campo magnético y eléctrico . [30]
En un artículo de 2015 titulado "Fusión en un dispositivo de confinamiento electrostático inercial con rejilla magnéticamente protegida" se presentó una teoría para un sistema de fusión con confinamiento electrostático inercial (IEC) en rejilla que muestra que es posible una ganancia neta de energía si la rejilla está protegida magnéticamente del impacto de iones. El análisis indicó que es posible un rendimiento mejor que el punto de equilibrio incluso en un sistema deuterio-deuterio a escala de laboratorio. El dispositivo propuesto tenía la propiedad inusual de que puede evitar tanto las pérdidas de cúspide de los sistemas de fusión magnética tradicionales como las pérdidas de rejilla de las configuraciones IEC tradicionales. [112]
En noviembre de 2012, la agencia de noticias Trend News Agency informó que la Organización de Energía Atómica de Irán había asignado "8 millones de dólares" [113] a la investigación sobre confinamiento electrostático inercial y que se había gastado aproximadamente la mitad. El grupo financiado publicó un artículo en el Journal of Fusion Energy , en el que se afirmaba que se habían realizado simulaciones de partículas en celdas de un polipozo. El estudio sugería que las profundidades del pozo y el control del foco iónico se pueden lograr mediante variaciones de la intensidad del campo, y hacía referencia a investigaciones anteriores con fusores tradicionales. El grupo había hecho funcionar un fusor en modo continuo a −140 kV y 70 mA de corriente, con combustible DD, produciendo 2×10 7 neutrones por segundo. [114]
Los investigadores realizaron un trabajo de simulación de partículas en celdas con el método Vlasov-Poisson en el polywell. Este trabajo fue financiado a través de la Beca de Posgrado en Ciencias e Ingeniería de Defensa Nacional y se presentó en la conferencia de la Sociedad Estadounidense de Física de 2013. [115]
Convergent Scientific, Inc. (CSI) es una empresa estadounidense fundada en diciembre de 2010 y con sede en Huntington Beach, California. [116] Probaron su primer diseño de polywell, el Modelo 1, en operaciones de estado estable desde enero hasta finales del verano de 2012. El MaGrid estaba hecho de un alambre hueco único en forma de diamante, en el que fluía una corriente eléctrica y un refrigerante líquido. [117] [118] [119] Están haciendo un esfuerzo para construir un polywell a pequeña escala que fusione deuterio . [120] [121] La empresa presentó varias patentes [122] [123] [124] y en el otoño de 2013, realizó una serie de presentaciones para inversores basadas en la web. [125] Las presentaciones mencionan el encuentro con inestabilidades de plasma, incluidas las inestabilidades de Diocotron , de dos corrientes y de Weibel . La empresa quiere fabricar y vender nitrógeno-13 para exploraciones PET . [126]
Radiant Matter [127] es una organización holandesa que ha construido fusores y tiene planes de construir un polipozo. [ cita requerida ]
ProtonBoron [128] es una organización que planea construir un polipozo de protón-boro.
Progressive Fusion Solutions es una startup de investigación de fusión IEC que investiga dispositivos tipo Fusor y Polywell.
Fusion One Corporation fue una organización estadounidense fundada por el Dr. Paul Sieck (ex físico principal de EMC2), el Dr. Scott Cornish de la Universidad de Sydney y Randall Volberg. Funcionó entre 2015 y 2017. Desarrollaron un reactor magnetoelectrostático llamado "F1" que se basaba en parte en el polywell. Introdujo un sistema de bobinas electromagnéticas montadas externamente con superficies repelentes de cátodo montadas internamente para proporcionar un medio de preservar las pérdidas de energía y partículas que de otro modo se perderían a través de las cúspides magnéticas. En respuesta a las conclusiones de equilibrio de potencia de Todd Rider de 1995, se desarrolló un nuevo modelo analítico basado en esta función de recuperación, así como un tratamiento relativista cuántico más preciso de las pérdidas de radiación de frenado que no estaba presente en el análisis de Rider. La versión 1 del modelo analítico fue desarrollada por el físico teórico sénior Dr. Vladimir Mirnov y demostró múltiplos amplios de ganancia neta con DT y múltiplos suficientes con DD para ser utilizados para generar electricidad. Estos resultados preliminares se presentaron en la Reunión Anual de Revisión ARPA-E ALPHA 2017. [129] La fase 2 del modelo eliminó supuestos clave en el análisis de Rider al incorporar un tratamiento autoconsistente de la distribución de energía de iones (Rider asumió una distribución puramente maxwelliana) y la potencia requerida para mantener la distribución y la población de iones. Los resultados arrojaron una distribución de energía que no era térmica sino más maxwelliana que monoenergética. Se calculó que la potencia de entrada requerida para mantener la distribución era excesiva y la termalización ion-ion era un canal de pérdida dominante. Con estas adiciones, una vía hacia la generación de electricidad comercial ya no era factible. [ cita requerida ]
citado por Todd H. Rider en "Una crítica general de los sistemas de fusión por confinamiento electroestático inercial",
Phys. Plasmas
2 (6), junio de 1995. Rider afirmó específicamente que
Bussard ha revivido una idea sugerida originalmente por Lavrent'ev.
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( ayuda )Tabla 2, pág. 6.
citado por RW Bussard en la patente estadounidense 4.826.646, "Método y aparato para controlar partículas cargadas", expedida el 2 de mayo de 1989, p.12.
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