Factor de ganancia de energía de fusión
Un factor de ganancia de energía de fusión , generalmente expresado con el símbolo Q , es la relación entre la potencia de fusión producida en un reactor de fusión nuclear y la potencia necesaria para mantener el plasma en estado estable . La condición de Q = 1, cuando la potencia liberada por las reacciones de fusión es igual a la potencia de calentamiento requerida, se conoce como punto de equilibrio o, en algunas fuentes, punto de equilibrio científico .
La energía emitida por las reacciones de fusión puede ser capturada dentro del combustible, lo que lleva al autocalentamiento . La mayoría de las reacciones de fusión liberan al menos parte de su energía en una forma que no se puede capturar dentro del plasma, por lo que un sistema en Q = 1 se enfriará sin calentamiento externo. Con combustibles típicos, no se espera que el autocalentamiento en los reactores de fusión coincida con las fuentes externas hasta al menos Q ≈ 5. Si Q aumenta más allá de este punto, el aumento del autocalentamiento eventualmente elimina la necesidad de calentamiento externo. En este punto, la reacción se vuelve autosostenida, una condición llamada ignición . El encendido corresponde a Q infinito, y generalmente se considera muy deseable para diseños prácticos de reactores.
Con el tiempo, varios términos relacionados han entrado en el léxico de la fusión. La energía que no se captura dentro del combustible se puede capturar externamente para producir electricidad. Esa electricidad se puede utilizar para calentar el plasma a temperaturas operativas. Un sistema que se autoalimenta de esta manera se denomina que se ejecuta en el punto de equilibrio de ingeniería . Operando por encima del punto de equilibrio de ingeniería, una máquina produciría más electricidad de la que usa y podría vender ese exceso. Uno que vende suficiente electricidad para cubrir sus costos operativos a veces se conoce como equilibrio económico . Además, los combustibles de fusión, especialmente el tritio , son muy caros, por lo que muchos experimentos se realizan con varios gases de prueba como el hidrógeno o el deuterio.. Un reactor que funcione con estos combustibles y que alcance las condiciones para el punto de equilibrio, si se introdujera tritio, estaría funcionando en el punto de equilibrio, y este umbral teórico se conoce como punto de equilibrio extrapolado .
A partir de 2021 [actualizar], el récord de Q lo tiene la Instalación Nacional de Ignición en los EE. UU., En Q = (1,35 MW) / (1,9 MW) ≈ 0,70, alcanzado por primera vez en agosto de 2021. [1] El récord más alto de equilibrio extrapolado fue publicado por el dispositivo JT-60 , con Q ext = 1.25, superando ligeramente al anterior 1.14 de JET. ITER fue diseñado originalmente para alcanzar la ignición, pero actualmente está diseñado para alcanzar Q = 10, produciendo 500 MW de energía de fusión a partir de 50 MW de energía térmica inyectada.
Q [a] es simplemente la comparación de la potencia que se libera por las reacciones de fusión en un reactor, P fus , con la potencia de calentamiento constante que se suministra, P calor , en condiciones normales de funcionamiento. Para aquellos diseños que no se ejecutan en estado estable, sino que son pulsados, se puede hacer el mismo cálculo sumando toda la energía de fusión producida en P fus y toda la energía gastada en producir el pulso en P calor . [b] Sin embargo, existen varias definiciones de equilibrio que consideran pérdidas de energía adicionales.
En 1955, John Lawson fue el primero en explorar los mecanismos del balance energético en detalle, inicialmente en trabajos clasificados pero publicados abiertamente en un artículo de 1957 ahora famoso. En este artículo, consideró y perfeccionó el trabajo de investigadores anteriores, en particular Hans Thirring , Peter Thonemann y un artículo de revisión de Richard Post . Ampliando todos estos, el artículo de Lawson hizo predicciones detalladas de la cantidad de energía que se perdería a través de varios mecanismos, y la comparó con la energía necesaria para sostener la reacción. [2] Este equilibrio se conoce hoy como criterio de Lawson .
