La energía de fusión es una forma experimental de generación de energía que genera electricidad mediante reacciones de fusión nuclear . En un proceso de fusión, dos núcleos atómicos se combinan para formar un núcleo más pesado, mientras liberan energía. Los dispositivos que producen energía de esta manera se conocen como reactores de fusión.
La fusión ocurre en un plasma confinado a temperatura y presión suficientes durante un intervalo suficiente. La combinación de estas restricciones se conoce como criterio de Lawson . Los valores más altos para un elemento permiten valores más bajos en los demás.
En las estrellas, el combustible más común es el hidrógeno . La gravedad proporciona tiempos de confinamiento prolongados y alta presión. La energía producida por los núcleos fusionados mantiene la temperatura necesaria para que la reacción continúe. Los reactores propuestos generalmente utilizan isótopos de hidrógeno como el deuterio y el tritio (o una mezcla de los dos ), que reaccionan más fácilmente que los protones individuales. Esto les permite alcanzar el criterio de Lawson sin valores extremos de las otras restricciones.
Como fuente de energía, se espera que la fusión nuclear tenga muchas ventajas sobre la fisión . Entre ellos se incluyen la reducción de la radiactividad en funcionamiento y la escasez de desechos nucleares de alto nivel , un amplio suministro de combustible y una mayor seguridad. Sin embargo, el criterio de Lawson no se ha cumplido en un sistema práctico.
La investigación sobre los reactores de fusión comenzó en la década de 1940, pero hasta la fecha, ningún diseño ha producido más potencia de fusión que la potencia de entrada. [1] La mayoría de los diseños de fusión producen una corriente de neutrones energéticos que, con el tiempo, degradan los materiales utilizados dentro de la cámara de reacción.
Los investigadores de Fusion han investigado muchos conceptos de confinamiento. El énfasis inicial estuvo en el z-pinch , stellarator y espejo magnético . Más tarde, el tokamak y el confinamiento inercial tomaron la iniciativa. Ambos diseños se encuentran bajo investigación a gran escala, en particular el ITER tokamak en Francia, y el láser National Ignition Facility (NIF) en los Estados Unidos. Los investigadores también están estudiando otros diseños que pueden ofrecer enfoques más económicos. Entre estas alternativas, existe un interés creciente en la fusión de blancos magnetizados , el confinamiento electrostático inercial y nuevas variaciones del estelarizador.
Fondo
Mecanismo
Las reacciones de fusión ocurren cuando dos o más núcleos atómicos se acercan lo suficiente durante el tiempo suficiente para que la fuerza nuclear que los une exceda a la fuerza electrostática que los separa, fusionándolos en núcleos más pesados. Para núcleos más ligeros que el hierro-56 , la reacción es exotérmica y libera energía. Para núcleos más pesados que el hierro-56, la reacción es endotérmica y requiere una fuente externa de energía. [2] Por lo tanto, los núcleos más pequeños que el hierro-56 tienen más probabilidades de fusionarse, mientras que los más pesados que el hierro-56 tienen más probabilidades de romperse.
La fuerza fuerte actúa solo en distancias cortas, mientras que la fuerza electrostática repulsiva actúa en distancias más largas. Para someterse a la fusión, los átomos de combustible deben recibir suficiente energía para acercarse entre sí lo suficiente como para que la fuerza fuerte sea relevante. La cantidad de energía cinética necesaria para acercar lo suficiente los átomos de combustible se conoce como la " barrera de Coulomb ". Las formas de proporcionar esta energía incluyen acelerar los átomos en un acelerador de partículas o calentarlos a altas temperaturas.
Una vez que un átomo se calienta por encima de su energía de ionización , sus electrones se eliminan, dejando solo el núcleo desnudo. Este proceso se conoce como ionización y el núcleo resultante se conoce como ion . El resultado es una nube caliente de iones y electrones libres que antes se les unía, conocida como plasma . Debido a que las cargas están separadas, los plasmas son conductores de electricidad y controlables magnéticamente. Muchos dispositivos de fusión aprovechan esto para confinar las partículas a medida que se calientan.
Sección transversal
La sección transversal de una reacción , denominada σ, mide la probabilidad de que ocurra una reacción de fusión. Esto depende de la velocidad relativa de los dos núcleos. Las velocidades relativas más altas generalmente aumentan la probabilidad, pero la probabilidad comienza a disminuir nuevamente a energías muy altas. [3]
En un plasma, la velocidad de las partículas se puede caracterizar mediante una distribución de probabilidad . Si el plasma está termalizado , la distribución parece una curva gaussiana o una distribución de Maxwell-Boltzmann . En este caso, es útil utilizar la sección transversal de partículas promedio sobre la distribución de velocidades. Esto se ingresa en la tasa de fusión volumétrica: [4]
dónde:
- es la energía producida por fusión, por tiempo y volumen
- n es la densidad numérica de las especies A o B, de las partículas en el volumen
- es la sección transversal de esa reacción, promedio de todas las velocidades de las dos especies v
- es la energía liberada por esa reacción de fusión.
Criterio de Lawson
El criterio de Lawson muestra cómo la producción de energía varía con la temperatura, la densidad y la velocidad de colisión de cualquier combustible dado. Esta ecuación fue fundamental para el análisis de John Lawson del trabajo de fusión con un plasma caliente. Lawson asumió un balance de energía , que se muestra a continuación. [4]
- η , eficiencia
- , pérdidas de conducción a medida que la masa energética sale del plasma
- , pérdidas de radiación a medida que la energía sale como luz
- , potencia neta de la fusión
- , es la tasa de energía generada por las reacciones de fusión.
Las nubes de plasma pierden energía por conducción y radiación . [4] La conducción ocurre cuando los iones , electrones o neutrales impactan otras sustancias, típicamente una superficie del dispositivo, y transfieren una porción de su energía cinética a los otros átomos. La radiación es energía que sale de la nube en forma de luz. La radiación aumenta con la temperatura. Las tecnologías de energía de fusión deben superar estas pérdidas.
Producto triple: densidad, temperatura, tiempo
El criterio de Lawson sostiene que una máquina que contiene un plasma termalizado y cuasi neutro tiene que generar suficiente energía para superar sus pérdidas de energía. La cantidad de energía liberada en un volumen dado es una función de la temperatura y, por lo tanto, la velocidad de reacción por partícula, la densidad de partículas dentro de ese volumen y, finalmente, el tiempo de confinamiento, el tiempo que la energía permanece dentro. El volumen. [4] [5] Esto se conoce como el "producto triple": la densidad del plasma, la temperatura y el tiempo de confinamiento. [6]
En confinamiento magnético, la densidad es baja, del orden de un "buen vacío". Por ejemplo, en el dispositivo ITER , la densidad del combustible es de aproximadamente 10 x 10 19 , que es aproximadamente una millonésima densidad atmosférica. [7] Esto significa que la temperatura y / o el tiempo de confinamiento deben aumentar. Las temperaturas relevantes para la fusión se han logrado utilizando una variedad de métodos de calentamiento que se desarrollaron a principios de la década de 1970. En máquinas modernas, a partir de 2019[actualizar], el principal problema pendiente era el tiempo de confinamiento. Los plasmas en campos magnéticos fuertes están sujetos a una serie de inestabilidades inherentes, que deben suprimirse para alcanzar duraciones útiles. Una forma de hacer esto es simplemente aumentar el volumen del reactor, lo que reduce la tasa de fuga debido a la difusión clásica . Por eso ITER es tan grande.
Por el contrario, los sistemas de confinamiento inercial se acercan a los valores de producto triples útiles a través de una mayor densidad y tienen intervalos de confinamiento cortos. En NIF , la carga inicial de combustible de hidrógeno congelado tiene una densidad menor que el agua que se incrementa a aproximadamente 100 veces la densidad del plomo. En estas condiciones, la velocidad de fusión es tan alta que el combustible se fusiona en los microsegundos necesarios para que el calor generado por las reacciones explote el combustible. Aunque NIF también es grande, esto es una función de su diseño de "controlador", no inherente al proceso de fusión.
Captura de energía
Se han propuesto múltiples enfoques para capturar la energía que produce la fusión. La más sencilla es calentar un fluido. La reacción DT comúnmente dirigida libera gran parte de su energía en forma de neutrones que se mueven rápidamente. Eléctricamente neutro, el neutrón no se ve afectado por el esquema de confinamiento. En la mayoría de estos diseños, se captura en una "manta" gruesa de litio que rodea el núcleo del reactor. Cuando es golpeado por un neutrón de alta energía, la manta se calienta. Luego se enfría activamente con un fluido de trabajo que impulsa una turbina para producir energía.
Otro diseño propuso utilizar los neutrones para generar combustible de fisión en una capa de desechos nucleares , un concepto conocido como híbrido de fisión-fusión . En estos sistemas, la producción de energía se ve reforzada por los eventos de fisión y la energía se extrae utilizando sistemas como los de los reactores de fisión convencionales. [8]
Los diseños que utilizan otros combustibles, en particular la reacción de fusión aneutrónica protón-boro , liberan mucha más energía en forma de partículas cargadas. En estos casos, son posibles sistemas de extracción de energía basados en el movimiento de estas cargas. La conversión de energía directa se desarrolló en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en la década de 1980 como un método para mantener un voltaje directamente utilizando productos de reacción de fusión. Esto ha demostrado una eficiencia de captura de energía del 48 por ciento. [9]
Métodos
Comportamiento del plasma
El plasma es un gas ionizado que conduce la electricidad. [10] : 10 A granel, se modela utilizando magnetohidrodinámica , que es una combinación de las ecuaciones de Navier-Stokes que rigen los fluidos y las ecuaciones de Maxwell que rigen cómo se comportan los campos eléctricos y magnéticos . [11] Fusion aprovecha varias propiedades del plasma, que incluyen:
- El plasma autoorganizado conduce campos eléctricos y magnéticos. Sus movimientos generan campos que a su vez pueden contenerlo. [12]
- El plasma diamagnético puede generar su propio campo magnético interno. Esto puede rechazar un campo magnético aplicado externamente, haciéndolo diamagnético. [13]
- Los espejos magnéticos pueden reflejar el plasma cuando se mueve de un campo de baja a alta densidad. [14] : 24
Confinamiento magnético
- Tokamak : el enfoque mejor desarrollado y mejor financiado. Este método impulsa el plasma caliente en un toro magnéticamente confinado , con una corriente interna. Cuando se complete, ITER se convertirá en el tokamak más grande del mundo. En abril de 2012, se estimaba que 215 tokamaks experimentales estaban planificados, retirados de servicio o en funcionamiento (35) en todo el mundo. [15]
- Tokamak esférico : también conocido como toro esférico. Una variación del tokamak con forma esférica.
- Stellarator : anillos retorcidos de plasma caliente. El estelarizador intenta crear una ruta de plasma retorcida natural, utilizando imanes externos. Los Stellarators fueron desarrollados por Lyman Spitzer en 1950 y evolucionaron en cuatro diseños: Torsatron, Heliotron, Heliac y Helias. Un ejemplo es Wendelstein 7-X , un dispositivo alemán. Es el estelarizador más grande del mundo. [dieciséis]
- Anillos internos: los estelaradores crean un plasma retorcido usando imanes externos, mientras que los tokamaks lo hacen usando una corriente inducida en el plasma. Varias clases de diseños proporcionan este giro utilizando conductores dentro del plasma. Los primeros cálculos mostraron que las colisiones entre el plasma y los soportes de los conductores eliminarían la energía más rápido de lo que las reacciones de fusión podrían reemplazarla. Las variaciones modernas, incluido el Experimento del dipolo levitado (LDX) , utilizan un toro superconductor sólido que levita magnéticamente dentro de la cámara del reactor. [17]
- Espejo magnético : desarrollado por Richard F. Post y los equipos de LLNL en la década de 1960. [18] Los espejos magnéticos reflejan el plasma de un lado a otro en una línea. Las variaciones incluyeron el espejo tándem , la botella magnética y la cúspide bicónica . [19] El gobierno de los Estados Unidos construyó una serie de máquinas de espejos en las décadas de 1970 y 1980, principalmente en LLNL. [20] Sin embargo, los cálculos de la década de 1970 estimaron que era poco probable que fueran comercialmente útiles.
- Toro lleno de baches : varios espejos magnéticos están dispuestos de extremo a extremo en un anillo toroidal. Todos los iones de combustible que se escapan de uno se confinan en un espejo vecino, lo que permite que la presión del plasma se eleve arbitrariamente alto sin pérdida. Una instalación experimental, ELMO Bumpy Torus o EBT fue construida y probada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en la década de 1970.
- Configuración de campo invertido : este dispositivo atrapa el plasma en una estructura cuasi-estable autoorganizada; donde el movimiento de las partículas crea un campo magnético interno que luego se atrapa a sí mismo. [21]
- Spheromak : Similar a una configuración de campo invertido, una estructura de plasma semi-estable hecha usando el campo magnético autogenerado de los plasmas. Un spheromak tiene campos toroidales y poloidales, mientras que una configuración de campo invertido no tiene campo toroidal. [22]
- Pellizco de campo invertido : aquí el plasma se mueve dentro de un anillo. Tiene un campo magnético interno. Moviéndose desde el centro de este anillo, el campo magnético invierte la dirección.
Confinamiento inercial
- Impulsión indirecta: los láseres calientan una estructura conocida como Hohlraum que se calienta tanto que comienza a irradiar luz de rayos X. Estos rayos X calientan una pastilla de combustible, lo que hace que se colapse hacia adentro para comprimir el combustible. El sistema más grande que utiliza este método es el National Ignition Facility , seguido de cerca por Laser Mégajoule . [23]
- Accionamiento directo: los láseres calientan directamente el pellet de combustible. Se han llevado a cabo notables experimentos de transmisión directa en el Laboratorio de Energía Láser (LLE) y las instalaciones de GEKKO XII . Las buenas implosiones requieren bolitas de combustible con una forma cercana a la perfecta para generar una onda de choque hacia adentro simétrica que produce el plasma de alta densidad.
- Encendido rápido: este método utiliza dos ráfagas de láser. La primera explosión comprime el combustible de fusión, mientras que la segunda lo enciende. A partir de 2019[actualizar]esta técnica había perdido el favor de la producción de energía. [24]
- Fusión magneto-inercial o fusión inercial del revestimiento magnetizado : combina un pulso láser con un pellizco magnético. La comunidad de pellizcos se refiere a ella como fusión inercial de revestimiento magnetizado, mientras que la comunidad de ICF se refiere a ella como fusión magneto-inercial. [25]
- Rayos de iones: los rayos de iones reemplazan a los rayos láser para calentar el combustible. [26] La principal diferencia es que el rayo tiene impulso debido a la masa, mientras que los láseres no. A partir de 2019, parece poco probable que los haces de iones puedan enfocarse lo suficiente espacialmente y en el tiempo.
- Máquina Z : envía una corriente eléctrica a través de alambres delgados de tungsteno, calentándolos lo suficiente para generar rayos X. Al igual que el enfoque de conducción indirecta, estos rayos X comprimen una cápsula de combustible.
Pellizcos magnéticos o eléctricos
- Z-Pinch : una corriente viaja en la dirección z a través del plasma. La corriente genera un campo magnético que comprime el plasma. Los pellizcos fueron el primer método para la fusión controlada artificial. [27] [28] El z-pinch tiene inestabilidades inherentes que limitan su compresión y calentamiento a valores demasiado bajos para una fusión práctica. La máquina más grande de este tipo, la ZETA del Reino Unido, fue el último gran experimento de este tipo. Los problemas en z-pinch llevaron al diseño de tokamak. El foco de plasma denso es una variación posiblemente superior.
- Theta-Pinch: Una corriente circula alrededor del exterior de una columna de plasma, en la dirección theta. Esto induce un campo magnético que corre por el centro del plasma, en lugar de alrededor de él. El primer dispositivo theta-pinch Scylla fue el primero en demostrar de manera concluyente la fusión, pero el trabajo posterior demostró que tenía límites inherentes que lo hacían poco interesante para la producción de energía.
- Z-Pinch estabilizado de flujo cizallado : una investigación en la Universidad de Washington bajo la dirección de Uri Shumlak investigó el uso de la estabilización de flujo cizallado para suavizar las inestabilidades de los reactores Z-pinch. Esto implica acelerar el gas neutro a lo largo del eje del pellizco. Las máquinas experimentales incluyeron los reactores experimentales FuZE y Zap Flow Z-Pinch. [29] En 2017, Conway, Nelson y Shumlak cofundaron Zap Energy para intentar comercializar la tecnología para la producción de energía. [30] [31] [32]
- Pellizco de tornillo: este método combina un pellizco theta y z para mejorar la estabilización. [33]
Confinamiento electrostático inercial
- Fusor : un campo eléctrico calienta los iones a condiciones de fusión. La máquina generalmente usa dos jaulas esféricas, un cátodo dentro del ánodo, dentro de un vacío. Estas máquinas no se consideran un enfoque viable para la potencia neta debido a sus altaspérdidas por conducción y radiación . [34] Son lo suficientemente simples de construir como para que los aficionados hayan fusionado átomos usándolos. [35]
- Polywell : Intenta combinar el confinamiento magnético con campos electrostáticos, para evitar laspérdidas de conducción generadas por la jaula. [36]
Otro
- Fusión objetivo magnetizado : confina el plasma caliente mediante un campo magnético y lo aprieta mediante la inercia. Los ejemplos incluyen lamáquina LANL FRX-L, [37] General Fusion y el experimento del revestimiento de plasma. [38]
- Sin control: la fusión ha sido iniciada por el hombre, utilizando explosiones de fisión incontroladas para estimular la fusión. Las primeras propuestas de energía de fusión incluían el uso de bombas para iniciar reacciones. Ver Proyecto PACER .
- Fusión de haz: un haz de partículas de alta energía disparado a otro haz o objetivo puede iniciar la fusión. Esto se utilizó en las décadas de 1970 y 1980 para estudiar las secciones transversales de las reacciones de fusión. [3] Sin embargo, los sistemas de haz no se pueden usar para generar energía porque mantener un haz coherente requiere más energía que la que proviene de la fusión.
- Fusión catalizada por muones : este enfoque reemplaza electrones en moléculas diatómicas de isótopos de hidrógeno con muones , partículas más masivas con la misma carga eléctrica . Su mayor masa comprime los núcleos lo suficiente como para que la fuerte interacción pueda provocar la fusión. [39] A partir de 2007, la producción de muones requería más energía de la que se puede obtener de la fusión catalizada por muones. [40]
Herramientas comunes
Se emplean muchos enfoques, equipos y mecanismos en múltiples proyectos para abordar el calentamiento, la medición y la producción de energía por fusión. [41]
Calefacción
- Aniquilación de antiprotones : los antiprotones inyectados en una masa de combustible de fusión pueden inducir reacciones termonucleares. Esta posibilidad como método de propulsión de naves espaciales, conocida como propulsión de pulso nuclear catalizada por antimateria , fue investigada en la Universidad Estatal de Pensilvania en relación con el proyecto propuesto AIMStar . [ cita requerida ]
- Calentamiento electrostático: un campo eléctrico puede trabajar sobre iones o electrones cargados, calentándolos. [42]
- Reconexión magnética : cuando el plasma se vuelve denso, sus propiedades electromagnéticas pueden cambiar, lo que puede conducir a una reconexión magnética . La reconexión ayuda a la fusión porque instantáneamente descarga energía en un plasma, calentándolo rápidamente. Hasta el 45% de la energía del campo magnético puede calentar los iones. [43] [44]
- Oscilaciones magnéticas: se pueden suministrar corrientes eléctricas variables a bobinas magnéticas que calientan el plasma confinado dentro de una pared magnética. [45]
- Inyección de haz neutro : el hidrógeno es ionizado y acelerado por un campo eléctrico para formar un haz cargado que se ilumina a través de una fuente de gas de hidrógeno neutro hacia el plasma, que a su vez está ionizado y contenido por un campo magnético. Algo del gas hidrógeno intermedio se acelera hacia el plasma por colisiones con el rayo cargado mientras permanece neutral: este rayo neutro no se ve afectado por el campo magnético y llega al plasma. Una vez dentro del plasma, el rayo neutro transmite energía al plasma mediante colisiones que lo ionizan y permiten que sea contenido por el campo magnético, calentando y repostando el reactor en una sola operación. El resto del rayo cargado es desviado por campos magnéticos hacia volcados de rayo enfriados. [46]
- Calentamiento por radiofrecuencia: una onda de radio hace que el plasma oscile (es decir, un horno de microondas ). Esto también se conoce como calentamiento por resonancia de ciclotrón de electrones o calentamiento dieléctrico . [47]
Medición
- Bucle de flujo : se inserta un bucle de alambre en el campo magnético. A medida que el campo pasa por el bucle, se genera una corriente. La corriente mide el flujo magnético total a través de ese bucle. Esto se ha utilizado en el Experimento Nacional Compacto Stellarator , [48] el polywell , [49] y las máquinas LDX . Se puede utilizar una sonda Langmuir , un objeto metálico colocado en un plasma. Se le aplica un potencial, dándole un voltaje contra el plasma circundante. El metal acumula partículas cargadas, generando una corriente. A medida que cambia el voltaje, cambia la corriente. Esto forma una curva IV . La curva IV se puede utilizar para determinar la densidad, el potencial y la temperatura plasmáticos locales. [50]
- Dispersión de Thomson : la luz se dispersa del plasma que se puede utilizar para reconstruir el comportamiento del plasma, incluida la densidad y la temperatura. Es común en la fusión por confinamiento inercial , [51] Tokamaks , [52] y fusores . En los sistemas ICF, disparar un segundo rayo en una lámina de oro adyacente al objetivo produce rayos X que atraviesan el plasma. En los tokamaks, esto se puede hacer usando espejos y detectores para reflejar la luz.
- Detectores de neutrones : varios tipos de detectores de neutrones pueden registrar la velocidad a la que se producen los neutrones. [53] [54]
- Detectores de rayos X Los rayos visibles, IR, UV y X se emiten cada vez que una partícula cambia de velocidad. [55] Si la razón es la desviación por un campo magnético, la radiación es radiación de ciclotrón a bajas velocidades y radiación de sincrotrón a altas velocidades. Si el motivo es la desviación de otra partícula, el plasma irradia rayos X, lo que se conoce como radiación de Bremsstrahlung . [56]
Producción de energía
Las mantas de neutrones absorben neutrones, lo que calienta la manta. La energía se puede extraer de la manta de varias formas:
- Las turbinas de vapor pueden ser impulsadas por calor transferido a un fluido de trabajo que se convierte en vapor, impulsando generadores eléctricos. [57]
- Mantas de neutrones: estos neutrones pueden regenerar el combustible de fisión gastado. [58] El tritio se puede producir utilizando una manta reproductora que consiste en litio líquido o un lecho de guijarros enfriado con helio hecho de guijarros de cerámica que contienen litio. [59]
- Conversión directa : la energía cinética de una partícula se puede convertir en voltaje . [18] Fue sugerido por primera vez por Richard F. Post junto con espejos magnéticos , a fines de la década de 1960. Se ha propuesto para configuraciones de campo invertido , así como para dispositivos de enfoque de plasma denso . El proceso convierte una gran fracción de la energía aleatoria de los productos de fusión en movimiento dirigido. Luego, las partículas se recogen en electrodos a varios potenciales eléctricos grandes. Este método ha demostrado una eficiencia experimental del 48 por ciento. [60]
Confinamiento
El confinamiento se refiere a todas las condiciones necesarias para mantener un plasma denso y caliente el tiempo suficiente para someterse a la fusión. Principios generales:
- Equilibrio : las fuerzas que actúan sobre el plasma deben estar equilibradas. Una excepción es el confinamiento inercial , donde la fusión debe ocurrir más rápido que el tiempo de dispersión.
- Estabilidad : El plasma debe estar construido de manera que las alteraciones no provoquen la dispersión del plasma.
- Transporte o conducción : La pérdida de material debe ser lo suficientemente lenta. [4] El plasma se lleva energía consigo, por lo que la rápida pérdida de material interrumpirá la fusión. El material se puede perder por transporte a diferentes regiones o por conducción a través de un sólido o líquido.
Para producir una fusión autosostenida, parte de la energía liberada por la reacción debe usarse para calentar nuevos reactivos y mantener las condiciones para la fusión.
No confinado
La primera reacción de fusión a gran escala hecha por humanos fue la prueba de la bomba de hidrógeno , Ivy Mike , en 1952.
Confinamiento magnético
Espejo Magnético
Efecto espejo magnético . Si una partícula sigue la línea de campo y entra en una región de mayor intensidad de campo, las partículas pueden reflejarse. Varios dispositivos aplican este efecto. Las más famosas fueron las máquinas de espejos magnéticos, una serie de dispositivos construidos en LLNL desde la década de 1960 hasta la de 1980. [61] Otros ejemplos incluyen botellas magnéticas y cúspide bicónica . [62] Debido a que las máquinas de espejos eran rectas, tenían algunas ventajas sobre los diseños en forma de anillo. Los espejos fueron más fáciles de construir y mantener y la captura de energía de conversión directa fue más fácil de implementar. [9] El confinamiento deficiente llevó a que se abandonara este enfoque, excepto en el diseño de polywell. [63]
Bucles magnéticos
Los bucles magnéticos doblan las líneas de campo sobre sí mismos, ya sea en círculos o más comúnmente en superficies toroidales anidadas . Los sistemas más desarrollados de este tipo son el tokamak, el stellarator y el pinch de campo inverso. Los toroides compactos , especialmente la configuración de campo invertido y el spheromak, intentan combinar las ventajas de las superficies magnéticas toroidales con las de una máquina simplemente conectada (no toroidal), lo que da como resultado un área de confinamiento mecánicamente más simple y más pequeña.
Confinamiento inercial
El confinamiento inercial es el uso de una implosión rápida para calentar y confinar el plasma. Un proyectil que rodea el combustible se hace implosionar mediante una ráfaga láser directa (transmisión directa), una explosión secundaria de rayos X (transmisión indirecta) o rayos pesados. El combustible debe comprimirse hasta aproximadamente 30 veces la densidad sólida con haces de energía. En principio, el accionamiento directo puede ser eficaz, pero la uniformidad insuficiente ha impedido el éxito. [64] : 19-20 La impulsión indirecta utiliza rayos para calentar un proyectil, impulsando el proyectil para irradiar rayos X , que luego implosionan el perdigón. Los rayos son comúnmente rayos láser, pero se han investigado los rayos de iones y electrones. [64] : 182-193
Confinamiento electrostático
Los dispositivos de fusión por confinamiento electrostático utilizan campos electrostáticos. El más conocido es el fusor . Este dispositivo tiene un cátodo dentro de una jaula de alambre de ánodo. Los iones positivos vuelan hacia la jaula interior negativa y son calentados por el campo eléctrico en el proceso. Si pierden la jaula interior, pueden chocar y fusionarse. Los iones normalmente golpean el cátodo, sin embargo, creando altas pérdidas de conducción prohibitivas . Las velocidades de fusión en los fusores son bajas debido a los efectos físicos en competencia, como la pérdida de energía en forma de radiación luminosa. [65] Se han propuesto diseños para evitar los problemas asociados con la jaula, al generar el campo utilizando una nube no neutra. Estos incluyen un dispositivo de oscilación de plasma, [66] una rejilla blindada magnéticamente, [67] una trampa de pluma , el polywell , [68] y el concepto de controlador de cátodo F1. [69]
Combustibles
Los combustibles considerados para la energía de fusión han sido todos elementos ligeros como los isótopos de hidrógeno: protio , deuterio y tritio . [3] La reacción de deuterio y helio-3 requiere helio-3, un isótopo de helio tan escaso en la Tierra que tendría que ser extraído extraterrestre o producido por otras reacciones nucleares. Finalmente, los investigadores esperan adoptar la reacción protio / boro-11, porque no produce neutrones directamente, aunque las reacciones secundarias pueden hacerlo. [70]
Deuterio / tritio
La reacción nuclear más fácil, con la energía más baja, es D + T :
- 2 1D + 3 1T → 4 2Él (3,5 MeV) + 1 0norte (14,1 MeV)
Esta reacción es común en aplicaciones de investigación, industriales y militares, generalmente como fuente de neutrones. El deuterio es un isótopo natural de hidrógeno y está comúnmente disponible. La gran proporción de masa de los isótopos de hidrógeno facilita su separación en comparación con el proceso de enriquecimiento de uranio . El tritio es un isótopo natural del hidrógeno, pero debido a que tiene una vida media corta de 12,32 años, es difícil de encontrar, almacenar, producir y es caro. En consecuencia, el ciclo del combustible deuterio-tritio requiere la obtención de tritio a partir de litio mediante una de las siguientes reacciones:
- 1
0norte
+ 6
3Li
→ 3
1T
+ 4
2Él - 1
0norte
+ 7
3Li
→ 3
1T
+ 4
2Él
+ 1
0norte
El neutrón reactivo es suministrado por la reacción de fusión DT que se muestra arriba, y es la que tiene el mayor rendimiento energético. La reacción con 6 Li es exotérmica , lo que proporciona una pequeña ganancia de energía para el reactor. La reacción con 7 Li es endotérmica , pero no consume el neutrón. Se requieren reacciones de multiplicación de neutrones para reemplazar los neutrones perdidos por absorción por otros elementos. Los principales materiales candidatos para la multiplicación de neutrones son el berilio y el plomo; sin embargo, la reacción de 7 Li ayuda a mantener alta la población de neutrones. El litio natural es principalmente de 7 Li, que tiene una sección transversal de baja producción de tritio en comparación con 6 Li, por lo que la mayoría de los diseños de reactores utilizan mantas reproductoras con 6 Li enriquecidos .
Inconvenientes comúnmente atribuidos a la energía de fusión DT:
- El suministro de neutrones da como resultado la activación neutrónica de los materiales del reactor. [71] : 242
- El 80% de la energía resultante es transportada por neutrones, lo que limita el uso de conversión de energía directa. [72]
- Requiere el radioisótopo tritio. El tritio puede escaparse de los reactores. Algunas estimaciones sugieren que esto representaría una liberación de radiactividad ambiental sustancial. [73]
El flujo de neutrones esperado en un reactor de fusión DT comercial es aproximadamente 100 veces mayor que el de los reactores de potencia de fisión, lo que plantea problemas para el diseño de materiales . Después de una serie de pruebas DT en JET , el recipiente de vacío era lo suficientemente radiactivo como para requerir manipulación remota durante el año siguiente a las pruebas. [74]
En un entorno de producción, los neutrones reaccionarían con el litio en la capa reproductora compuesta de guijarros de cerámica de litio o litio líquido, produciendo tritio. La energía de los neutrones termina en el litio, que luego se transferiría para impulsar la producción eléctrica. La capa de litio protege las partes exteriores del reactor del flujo de neutrones. Los diseños más nuevos, el tokamak avanzado en particular, utilizan litio dentro del núcleo del reactor como elemento de diseño. El plasma interactúa directamente con el litio, evitando un problema conocido como "reciclaje". La ventaja de este diseño se demostró en el Experimento Lithium Tokamak .
Deuterio
Esta es la segunda reacción de fusión más fácil, fusionando dos núcleos de deuterio. La reacción tiene dos ramas que ocurren con casi la misma probabilidad:
D + D → T + 1 H D + D → 3 Él + n
Esta reacción también es común en la investigación. La energía óptima para iniciar esta reacción es de 15 keV, solo un poco más alta que la de la reacción DT. La primera rama produce tritio, por lo que un reactor DD no está libre de tritio, aunque no requiere un aporte de tritio o litio. A menos que los tritones se eliminen rápidamente, la mayor parte del tritio producido se quema en el reactor, lo que reduce la manipulación del tritio, a costa de más neutrones energéticos. El neutrón de la segunda rama tiene una energía de solo 2,45 MeV (0,393 pJ), mientras que el neutrón de la reacción DT tiene una energía de 14,1 MeV (2,26 pJ), lo que resulta en una mayor producción de isótopos y daño material. Cuando los tritones se eliminan rápidamente mientras se permite que el 3 He reaccione, el ciclo del combustible se denomina "fusión suprimida por tritio". [75] El tritio extraído se desintegra a 3 He con una vida media de 12,5 años. Al reciclar la desintegración de 3 He en el reactor, el reactor de fusión no requiere materiales resistentes a los neutrones rápidos.
Suponiendo que el tritio se queme por completo, la reducción en la fracción de energía de fusión transportada por los neutrones sería solo de aproximadamente el 18%, por lo que la principal ventaja del ciclo de combustible DD es que no se requiere la reproducción de tritio. Otras ventajas son la independencia de los recursos de litio y un espectro de neutrones algo más suave. La desventaja de DD en comparación con DT es que el tiempo de confinamiento de energía (a una determinada presión) debe ser 30 veces mayor y la potencia producida (a una determinada presión y volumen) es 68 veces menor. [ cita requerida ]
Suponiendo la eliminación completa del tritio y el reciclaje de 3 He, solo el 6% de la energía de fusión es transportada por neutrones. La fusión DD con supresión de tritio requiere un confinamiento de energía que es 10 veces más largo en comparación con DT y el doble de la temperatura del plasma. [76]
Deuterio, helio-3
Un enfoque de segunda generación para la energía de fusión controlada implica combinar helio-3 ( 3 He) y deuterio ( 2 H):
D + 3 Él → 4 Él + 1 H
Esta reacción produce 4 He y un protón de alta energía. Al igual que con el ciclo del combustible de fusión aneutrónica p- 11 B , la mayor parte de la energía de reacción se libera como partículas cargadas, lo que reduce la activación de la carcasa del reactor y permite potencialmente una recolección de energía más eficiente (a través de cualquiera de varias vías). [77] En la práctica, las reacciones secundarias DD producen un número significativo de neutrones, dejando p- 11 B como el ciclo preferido para la fusión aneutrónica. [77]
Protón, boro-11
Tanto los problemas de la ciencia de los materiales como las preocupaciones por la no proliferación disminuyen enormemente con la fusión aneutrónica . En teoría, el combustible aneutrónico más reactivo es el 3 He. Sin embargo, obtener cantidades razonables de 3 He implica minería extraterrestre a gran escala en la luna o en la atmósfera de Urano o Saturno. Por lo tanto, el combustible candidato más prometedor para tal fusión es la fusión del protio (es decir, un protón ) fácilmente disponible y boro . Su fusión no libera neutrones, pero produce partículas alfa (helio) cargadas energéticamente cuya energía se puede convertir directamente en energía eléctrica:
- p + 11 B → 3 4 He
Es probable que las reacciones secundarias produzcan neutrones que transportan sólo alrededor del 0,1% de la energía, [78] : 177-182, lo que significa que la dispersión de neutrones no se utiliza para la transferencia de energía y la activación del material se reduce varios miles de veces. La temperatura óptima para esta reacción de 123 keV [79] es casi diez veces mayor que la de las reacciones de hidrógeno puro, y el confinamiento de energía debe ser 500 veces mejor que el requerido para la reacción de DT. Además, la densidad de potencia es 2500 veces menor que para el DT, aunque por unidad de masa de combustible, sigue siendo considerablemente más alta que para los reactores de fisión.
Debido a que las propiedades de confinamiento del tokamak y la fusión de pellets láser son marginales, la mayoría de las propuestas de fusión aneutrónica se basan en conceptos de confinamiento radicalmente diferentes, como el Polywell y el Dense Plasma Focus . En 2013, un equipo de investigación dirigido por Christine Labaune en École Polytechnique , informó un nuevo récord de velocidad de fusión para la fusión protón-boro, con un estimado de 80 millones de reacciones de fusión durante un fuego láser de 1,5 nanosegundos, 100 veces experimentos anteriores. [80] [81]
Selección de material
La estabilidad del material estructural es un tema crítico. [82] Los materiales que pueden sobrevivir a las altas temperaturas y al bombardeo de neutrones experimentado en un reactor de fusión se consideran clave para el éxito. [83] [82] Los problemas principales son las condiciones generadas por el plasma, la degradación neutrónica de las superficies de las paredes y el problema relacionado con las condiciones de la superficie de las paredes del plasma. [84] [85] La reducción de la permeabilidad al hidrógeno se considera crucial para el reciclaje de hidrógeno [86] y el control del inventario de tritio. [87] Los materiales con la menor solubilidad y difusividad de hidrógeno a granel proporcionan los candidatos óptimos para barreras estables. Se han investigado algunos metales puros, incluidos tungsteno y berilio, y compuestos como carburos, óxidos densos y nitruros. La investigación ha puesto de relieve que las técnicas de recubrimiento para preparar barreras bien adheridas y perfectas son de importancia equivalente. Las técnicas más atractivas son aquellas en las que una capa de publicidad se forma solo por oxidación. Los métodos alternativos utilizan entornos de gas específicos con fuertes campos magnéticos y eléctricos. La evaluación del desempeño de la barrera representa un desafío adicional. La permeación de gas de las membranas revestidas clásicas sigue siendo el método más confiable para determinar la eficiencia de la barrera de permeación de hidrógeno (HPB). [87]
Consideraciones de contención
Incluso en escalas de producción más pequeñas, el aparato de contención está lleno de materia y energía. Los diseños de contención de plasma deben considerar:
- Un ciclo de calefacción y refrigeración, hasta una carga térmica de 10 MW / m 2 .
- Radiación de neutrones , que con el tiempo conduce a la activación y fragilización de los neutrones .
- Los iones de alta energía salen de decenas a cientos de electronvoltios .
- Partículas alfa que salen a millones de electronvoltios .
- Los electrones salen a alta energía.
- Radiación luminosa (IR, visible, UV, rayos X).
Dependiendo del enfoque, estos efectos pueden ser mayores o menores que los de los reactores de fisión. [88] Según una estimación, la radiación es 100 veces superior a la de un reactor típico de agua a presión . [ cita requerida ] Dependiendo del enfoque, otras consideraciones como la conductividad eléctrica , la permeabilidad magnética y la resistencia mecánica son importantes. Los materiales tampoco deben terminar como desechos radiactivos de larga duración. [82]
Condiciones de la superficie de la pared de plasma
Para un uso a largo plazo, se espera que cada átomo de la pared sea golpeado por un neutrón y desplazado unas 100 veces antes de que se reemplace el material. Los neutrones de alta energía producen hidrógeno y helio a través de reacciones nucleares que tienden a formar burbujas en los límites de los granos y producen hinchazón, ampollas o fragilización. [88]
Selección de materiales
Los materiales con bajo contenido de Z , como el grafito o el berilio, se prefieren generalmente a los materiales con alto contenido de Z, generalmente tungsteno con molibdeno como segunda opción. [87] Se han propuesto metales líquidos (litio, galio , estaño ), por ejemplo, mediante la inyección de corrientes de 1 a 5 mm de espesor que fluyen a 10 m / s sobre sustratos sólidos. [ cita requerida ]
El grafito presenta una tasa de erosión bruta debido a la pulverización química y física que asciende a muchos metros por año, lo que requiere la redeposición del material pulverizado. El sitio de redeposición generalmente no coincide exactamente con el sitio de pulverización catódica, lo que permite una erosión neta que puede ser prohibitiva. Un problema aún mayor es que el tritio se vuelve a depositar con el grafito que se vuelve a depositar. El inventario de tritio en la pared y el polvo podría acumular muchos kilogramos, lo que representa un desperdicio de recursos y un peligro radiológico en caso de accidente. El grafito tuvo aceptación como material para experimentos de corta duración, pero parece poco probable que se convierta en el material primario de cara al plasma (PFM) en un reactor comercial. [82]
La tasa de pulverización catódica del tungsteno es un orden de magnitud menor que la del carbono, y el tritio se incorpora mucho menos al tungsteno redepositado. Sin embargo, las impurezas del plasma de tungsteno son mucho más dañinas que las impurezas de carbono, y la auto-pulverización catódica puede ser alta, lo que requiere que el plasma en contacto con el tungsteno no esté demasiado caliente (unas pocas decenas de eV en lugar de cientos de eV). El tungsteno también tiene problemas relacionados con las corrientes de Foucault y el derretimiento en eventos anormales, así como algunos problemas radiológicos. [82]
Seguridad y medio ambiente
Potencial de accidente
La fusión requiere parámetros precisos y controlados de temperatura, presión y campo magnético para producir energía neta. Cualquier daño o pérdida del control requerido apagaría rápidamente la reacción. [89] Los reactores de fusión funcionan con segundos o incluso microsegundos de combustible en cualquier momento. Sin reabastecimiento activo de combustible, las reacciones se apagan inmediatamente. Por lo tanto, los reactores de fusión no están sujetos a una fusión catastrófica. [90]
Las mismas restricciones evitan reacciones descontroladas. Aunque se espera que el plasma tenga un volumen de 1.000 metros cúbicos (35.000 pies cúbicos) o más, el plasma normalmente contiene sólo unos pocos gramos de combustible. [90] En comparación, un reactor de fisión generalmente se carga con suficiente combustible durante meses o años, y no se necesita combustible adicional para continuar la reacción. Este gran suministro de combustible es lo que ofrece la posibilidad teórica de una fusión (aunque ningún reactor de potencia lo ha hecho nunca). [91]
En la contención magnética, se desarrollan campos fuertes en bobinas que se mantienen mecánicamente en su lugar por la estructura del reactor. La falla de esta estructura podría liberar esta tensión y permitir que el imán "explote" hacia afuera. La gravedad de este evento sería similar a la de otros accidentes industriales o al apagado / explosión de una máquina de resonancia magnética , y podría estar contenido de manera efectiva dentro de un edificio de contención similar a los utilizados en los reactores de fisión.
En la contención inercial impulsada por láser, el tamaño más grande de la cámara de reacción reduce la tensión sobre los materiales. Aunque es posible que falle la cámara de reacción, detener el suministro de combustible evita una falla catastrófica. [92]
La mayoría de los diseños de reactores se basan en hidrógeno líquido como refrigerante y para convertir los neutrones perdidos en tritio , que se retroalimenta al reactor como combustible. El hidrógeno es inflamable y es posible que el hidrógeno almacenado en el lugar se inflame. En este caso, la fracción de tritio del hidrógeno entraría a la atmósfera, planteando un riesgo de radiación. Los cálculos sugieren que estaría presente alrededor de 1 kilogramo (2,2 libras) de tritio y otros gases radiactivos en una central eléctrica típica. La cantidad es lo suficientemente pequeña como para diluirse hasta los límites legalmente aceptables para cuando lleguen a la cerca perimetral de la estación . [93]
Se estima que la probabilidad de pequeños accidentes industriales, incluida la liberación local de radiactividad y lesiones al personal, es menor en comparación con la fisión. Incluirían emisiones accidentales de litio o tritio o mal manejo de los componentes del reactor radiactivo. [92]
Apagado del imán
La extinción de un imán es una terminación anormal de la operación del imán que ocurre cuando parte de la bobina superconductora sale del estado superconductor (se vuelve normal). Esto puede ocurrir porque el campo dentro del imán es demasiado grande, la tasa de cambio de campo es demasiado grande (causando corrientes parásitas y el calentamiento resultante en la matriz de soporte de cobre), o una combinación de los dos.
Más raramente, un defecto del imán puede causar una extinción. Cuando esto sucede, ese lugar en particular está sujeto a un rápido calentamiento Joule de la corriente, lo que eleva la temperatura de las regiones circundantes. Esto también empuja a esas regiones al estado normal, lo que conduce a un mayor calentamiento en una reacción en cadena. Todo el imán se normaliza rápidamente durante varios segundos, dependiendo del tamaño de la bobina superconductora. Esto se acompaña de un fuerte estallido cuando la energía del campo magnético se convierte en calor y el líquido criogénico se evapora. La disminución abrupta de la corriente puede resultar en picos de voltaje inductivo de kilovoltios y arcos eléctricos. El daño permanente al imán es raro, pero los componentes pueden dañarse por calentamiento localizado, altos voltajes o grandes fuerzas mecánicas.
En la práctica, los imanes suelen tener dispositivos de seguridad para detener o limitar la corriente cuando se detecta un enfriamiento. Si un imán grande se enfría, el vapor inerte formado por el fluido criogénico que se evapora puede presentar un peligro de asfixia significativo para los operadores al desplazar el aire respirable.
Una gran parte de los imanes superconductores en el CERN 's gran colisionador de hadrones inesperadamente apaga durante las operaciones de puesta en marcha en 2008, destruyendo varios imanes. [94] Para evitar una recurrencia, los imanes superconductores del LHC están equipados con calentadores de rampa rápida que se activan cuando se detecta un evento de enfriamiento. Los imanes de flexión dipolo están conectados en serie. Cada circuito de potencia incluye 154 imanes individuales y, en caso de que ocurra un evento de apagado, toda la energía combinada almacenada de estos imanes debe descargarse de una vez. Esta energía se transfiere a enormes bloques de metal que se calientan hasta varios cientos de grados Celsius, debido al calentamiento resistivo, en segundos. La extinción de un imán es un "evento bastante rutinario" durante el funcionamiento de un acelerador de partículas. [95]
Efluentes
El producto natural de la reacción de fusión es una pequeña cantidad de helio , que es inofensivo para la vida. El tritio peligroso es difícil de retener por completo. Durante el funcionamiento normal, el tritio se libera continuamente. [92]
Aunque el tritio es volátil y biológicamente activo, el riesgo para la salud que presenta una liberación es mucho menor que el de la mayoría de los contaminantes radiactivos, debido a la corta vida media del tritio (12,32 años) y la energía de desintegración muy baja (~ 14,95 keV), y porque no se bioacumula (cicla fuera del cuerpo como agua, con una vida media biológica de 7 a 14 días). [96] El ITER incorpora instalaciones de contención total para el tritio. [97]
Desechos radiactivos
Los reactores de fusión crean mucho menos material radiactivo que los reactores de fisión. Además, el material que crea es menos dañino biológicamente y la radiactividad se disipa en un período de tiempo que está dentro de las capacidades de ingeniería existentes para el almacenamiento seguro de desechos a largo plazo. En términos específicos, excepto en el caso de la fusión aneutrónica , [98] [99] el flujo de neutrones convierte los materiales estructurales en radiactivos. La cantidad de material radiactivo en el momento de la parada puede ser comparable a la de un reactor de fisión, con importantes diferencias. La vida media de los radioisótopos de fusión tiende a ser menor que la de los de la fisión, por lo que cualquier peligro disminuye más rápidamente. Los reactores de fisión producen desechos que permanecen radiactivos durante miles de años. El período peligroso para los materiales de los reactores de fusión es de 50 años, y sus desechos de baja actividad durante 150. [100] Aunque estos desechos son considerablemente más radiactivos durante esos 50 años que los desechos de fisión, su corta vida media elimina el desafío de los desechos de larga duración. almacenamiento temporal. En 500 años, el material tendría la misma radiotoxicidad que la ceniza de carbón . [93] No obstante, la clasificación como residuos de actividad intermedia en lugar de residuos de actividad baja puede complicar los debates sobre seguridad. [101]
La elección de materiales está menos restringida que en la fisión convencional, donde se requieren muchos materiales para sus secciones transversales específicas de neutrones . Los reactores de fusión pueden diseñarse utilizando materiales de "baja activación" que no se vuelven radiactivos fácilmente. El vanadio , por ejemplo, se vuelve mucho menos radiactivo que el acero inoxidable . [102] Los materiales de fibra de carbono también son de baja activación, fuertes y ligeros, y son prometedores para los reactores de inercia láser donde no se requiere un campo magnético. [103]
Proliferación nuclear
La superposición de Fusion con las armas nucleares es limitada. Una central eléctrica de fusión podría producir una gran cantidad de tritio ; El tritio se utiliza en el disparador de bombas de hidrógeno y en un arma de fisión mejorada moderna , pero se puede producir de otras formas. Los neutrones energéticos de un reactor de fusión podrían usarse para producir plutonio o uranio apto para armas para una bomba atómica (por ejemplo, por transmutación de238
U a 239Pu , o232
Th a233
U ).
Un estudio realizado en 2011 evaluó tres escenarios: [104]
- Estación de fusión a pequeña escala: como resultado de un consumo de energía mucho mayor, una disipación de calor y un diseño más reconocible en comparación con las centrífugas de gas de enriquecimiento , esta elección sería mucho más fácil de detectar y, por lo tanto, inverosímil. [104]
- Instalación comercial: El potencial de producción es significativo. Pero ninguna sustancia fértil o fisionable necesaria para la producción de materiales utilizables para armas necesita estar presente en un sistema de fusión civil. Si no están protegidos, la detección de estos materiales se puede realizar mediante su característica radiación gamma. El rediseño subyacente podría detectarse mediante verificaciones periódicas de la información del diseño. En el caso (técnicamente más factible) de módulos de mantas reproductoras sólidas, sería necesario inspeccionar los componentes entrantes para detectar la presencia de material fértil [104], de lo contrario se podría producir plutonio para varias armas cada año. [105]
- Dar prioridad al material apto para armas independientemente del secreto: la forma más rápida de producir material utilizable para armas se vio en la modificación de una central eléctrica de fusión civil. No se requiere material compatible con armas durante el uso civil. Incluso sin la necesidad de una acción encubierta, tal modificación tomaría alrededor de 2 meses para comenzar la producción y al menos una semana adicional para generar una cantidad significativa. Se consideró tiempo suficiente para detectar un uso militar y reaccionar con medios diplomáticos o militares. Para detener la producción, sería suficiente una destrucción militar de partes de la instalación dejando fuera el reactor. [104]
Otro estudio concluyó que "... los grandes reactores de fusión, incluso si no están diseñados para la reproducción de material fisible, podrían producir fácilmente varios cientos de kg de Pu al año con una alta calidad de arma y requisitos de material de origen muy bajos". Se enfatizó que la implementación de características para la resistencia intrínseca a la proliferación solo podría ser posible en una fase temprana de investigación y desarrollo. [105] Las herramientas teóricas y computacionales necesarias para el diseño de bombas de hidrógeno están estrechamente relacionadas con las necesarias para la fusión por confinamiento inercial , pero tienen muy poco en común con la fusión por confinamiento magnético.
Reservas de combustible
La energía de fusión comúnmente propone el uso de deuterio como combustible y muchos diseños actuales también usan litio . Suponiendo una producción de energía de fusión igual a la producción de energía global de 1995 de aproximadamente 100 E J / año (= 1 × 10 20 J / año) y que esto no aumenta en el futuro, lo cual es poco probable, entonces las reservas de litio actuales conocidas durarían. 3000 años. Sin embargo, el litio del agua de mar duraría 60 millones de años, y un proceso de fusión más complicado utilizando solo deuterio tendría combustible durante 150 mil millones de años. [106] Para poner esto en contexto, 150 mil millones de años es cerca de 30 veces la vida útil restante del sol, [107] y más de 10 veces la edad estimada del universo.
Ciencias económicas
La UE gastó casi 10.000 millones de euros durante la década de los noventa. [108] ITER representa una inversión de más de veinte mil millones de dólares y posiblemente decenas de miles de millones más, incluidas las contribuciones en especie . [109] [110] En el Sexto Programa Marco de la Unión Europea , la investigación sobre fusión nuclear recibió 750 millones de euros (además de la financiación del ITER), en comparación con 810 millones de euros para la investigación en energía sostenible, [111] lo que sitúa la investigación en energía de fusión muy por delante de el de cualquier tecnología rival.
El tamaño de las inversiones y los resultados de los plazos significan que la investigación sobre la fusión ha sido financiada casi exclusivamente con fondos públicos. Sin embargo, las empresas de nueva creación han atraído más de 2.000 millones de dólares [112], con inversores como Jeff Bezos , Peter Thiel y Bill Gates , así como inversores institucionales como Legal & General , y empresas de energía como Equinor , Eni , Chevron , [113 ] y el grupo chino ENN . [114] En septiembre de 2019, Bloomberg descubrió que participaban más de veinte empresas privadas. [115]
Los escenarios desarrollados en la década de 2000 y principios de la de 2010 discutieron el efecto de la comercialización de la energía de fusión en el futuro de la civilización humana. [116] Utilizando la fisión nuclear como guía, estos vieron ITER y más tarde DEMO como poner en funcionamiento los primeros reactores comerciales alrededor de 2050 y una rápida expansión después de mediados de siglo. [116] Algunos escenarios enfatizaron las 'instalaciones de ciencia nuclear de fusión' como un paso más allá del ITER. [117] [118] Sin embargo, los obstáculos económicos a la energía de fusión basada en tokamak siguen siendo inmensos y requieren inversiones para financiar prototipos de reactores tokamak [119] y el desarrollo de nuevas cadenas de suministro. [120] Los diseños de Tokamak parecen requerir mucha mano de obra, [121] mientras que el riesgo de comercialización de alternativas como la energía de fusión inercial es alto debido a la falta de recursos gubernamentales. [122]
Los escenarios desde 2010 señalan los avances en la informática y la ciencia de los materiales que permiten 'Plantas piloto de fusión' (FPP) nacionales de múltiples fases o de costos compartidos a lo largo de diversas vías tecnológicas, [123] [118] [124] [125] [126] [127] tales como el Tokamak esférico del Reino Unido para la producción de energía , dentro del marco de tiempo 2030-2040. [115] [128] La tecnología de reactores compactos puede permitir la comercialización mediante un enfoque de flota. [129]
La adopción generalizada de energías renovables no nucleares ha transformado el panorama energético. Se prevé que estas energías renovables suministren el 74% de la energía mundial para 2050. [130] La caída constante de los precios de las energías renovables desafía la competitividad económica de la energía de fusión. [131]
Algunos economistas sugieren que es poco probable que la energía de fusión iguale los costos de otras energías renovables . [131] Se espera que las plantas de fusión afronten grandes costes de puesta en marcha y de capital . Además, es probable que la operación y el mantenimiento sean costosos. [131] Si bien los costos del CFETR no son bien conocidos, se proyectó un concepto de fusión DEMO de la UE para presentar un costo nivelado de la energía (LCOE) de $ 121 / MWh. [132]
Además, los economistas sugieren que el costo de la energía de fusión aumenta en $ 16,5 / MWh por cada $ 1 mil millones de aumento en el precio de la tecnología de fusión. [131] Este elevado LCOE se debe en gran medida a los costes de construcción. [131]
En contraste, las estimaciones de LCOE renovables son sustancialmente más bajas. Por ejemplo, el LCOE de energía solar de 2019 se estimó en $ 40- $ 46 / MWh, la energía eólica en tierra se estimó en 29-56 $ / MWh y la energía eólica marina fue de aproximadamente $ 92 / MWh. [133]
Sin embargo, la energía de fusión todavía puede tener un papel en llenar los vacíos de energía que dejan las energías renovables. [131] Por lo tanto, la energía de fusión puede funcionar en conjunto con otras fuentes de energía renovable en lugar de convertirse en la fuente de energía primaria. [131] Sin embargo, en algunas aplicaciones, la energía de fusión podría proporcionar la carga base. [131]
Regulación
A medida que las plantas piloto de fusión se acercan, se deben abordar las cuestiones legales y reglamentarias. [134] En septiembre de 2020, la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos consultó con empresas privadas de fusión para considerar una planta piloto nacional. Al mes siguiente, el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) y la Asociación de la Industria de la Fusión organizaron conjuntamente un foro público para comenzar el proceso. [113] En noviembre de 2020, la Agencia Internacional de Energía Atómica (OIEA) comenzó a trabajar con varias naciones para crear estándares de seguridad [135] como regulaciones de dosis y manejo de desechos radiactivos. [135] En enero y marzo de 2021, la NRC organizó dos reuniones públicas sobre marcos regulatorios. [136] [137] En la Ley de Asignaciones Consolidadas HR133 de 27 de diciembre de 2021 se aprobó un enfoque público-privado de participación en los costos, que autorizó 325 millones de dólares durante cinco años para un programa de asociación para construir instalaciones de demostración de fusión, con una contrapartida del 100% de industria privada. [138] Posteriormente, el Consejo Regulador de Horizontes del Reino Unido publicó un informe en el que pedía un marco regulador de la fusión para principios de 2022. [139]
Geopolítica
Dado el potencial de la fusión para transformar la industria energética mundial y mitigar el cambio climático , [140] [124] [141] la ciencia de la fusión se ha considerado tradicionalmente como una parte integral de la diplomacia científica de consolidación de la paz . [142] [97] Sin embargo, los avances tecnológicos [143] y la participación del sector privado han suscitado preocupaciones sobre la propiedad intelectual, la administración reglamentaria y el liderazgo mundial; [140] equidad y potencial armamentismo. [114] [144] Estos cuestionan la función de consolidación de la paz del ITER y dieron lugar a pedidos de una comisión mundial. [144] [145]
Los acontecimientos de septiembre y octubre de 2020 llevaron a hablar de una "nueva carrera espacial" con múltiples participantes, enfrentando a Estados Unidos contra China [146] y el STEP FPP del Reino Unido . [147] El 24 de septiembre, la Cámara de Representantes de los Estados Unidos aprobó un programa de investigación y comercialización. La sección Fusion Energy Research incorporó un programa de asociación público-privada de costos compartidos basado en hitos modelado en el programa COTS de la NASA, que lanzó la industria espacial comercial . [113] En febrero de 2021, las Academias Nacionales publicaron Bringing Fusion to the US Grid , recomendando una planta de costos compartidos impulsada por el mercado para 2035-2040, [148] [149] [150] y el lanzamiento del Caucus de fusión bipartidista del Congreso. . [151]
En diciembre de 2020, un panel de expertos independientes revisaron Eurofusion 'diseño y trabajo de I + D s en DEMO, y Eurofusion confirmó que se estaba desarrollando con su plan de trabajo a la energía de fusión, a partir del diseño conceptual del DEMO en asociación con la comunidad europea de la fusión, lo que sugiere una UE- La máquina respaldada había entrado en la carrera. [152]
Ventajas
La energía de fusión prometía proporcionar más energía para un peso determinado de combustible que cualquier fuente de energía que consuma combustible actualmente en uso. [153] El combustible (principalmente deuterio ) existe en abundancia en el océano: aproximadamente 1 de cada 6500 átomos de hidrógeno en el agua de mar es deuterio. [154] Aunque esto es solo alrededor del 0.015%, el agua de mar es abundante y de fácil acceso, lo que implica que la fusión podría satisfacer las necesidades energéticas del mundo durante millones de años. [155] [156]
La energía de fusión podría usarse en el espacio interestelar donde la energía solar no está disponible. [157] [158]
Historia
Investigaciones tempranas
La investigación sobre la fusión nuclear comenzó a principios del siglo XX. En 1920, el físico británico Francis William Aston descubrió que la masa equivalente de cuatro átomos de hidrógeno es más pesada que la masa de un átomo de helio ( He-4 ), lo que implicaba que se puede liberar energía neta combinando átomos de hidrógeno para formar helio, y proporcionó la primeros indicios de un mecanismo por el cual las estrellas podrían producir energía. A lo largo de la década de 1920, Arthur Stanley Eddington se convirtió en uno de los principales defensores de la reacción en cadena protón-protón (reacción PP) como el sistema principal que opera el Sol . [142]
Los neutrones de fusión fueron detectados por primera vez por miembros del personal de Ernest Rutherfords en la Universidad de Cambridge , en 1933. [[[Wikipedia:Citing_sources|
Una teoría verificada por Hans Bethe en 1939 mostró que la desintegración beta y la formación de túneles cuánticos en el núcleo del Sol podrían convertir uno de los protones en un neutrón y, por lo tanto, producir deuterio en lugar de un diprotón . El deuterio luego se fusionaría a través de otras reacciones para aumentar aún más la producción de energía. Por este trabajo, Bethe ganó el Premio Nobel de Física . [142]
La primera patente relacionada con un reactor de fusión fue registrada en 1946 [165] por la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido . Los inventores fueron Sir George Paget Thomson y Moses Blackman . Este fue el primer examen detallado del concepto Z-pinch . A partir de 1947, dos equipos del Reino Unido llevaron a cabo pequeños experimentos basados en este concepto y comenzaron a construir experimentos cada vez más grandes. [142]
1950
El primer dispositivo de fusión hecho por el hombre con éxito fue el arma de fisión potenciada probada en 1951 en la prueba del elemento de efecto invernadero . La primera arma de fusión verdadera fue Ivy Mike de 1952 , y los primeros ejemplos prácticos fueron Castle Bravo de 1954 . En estos dispositivos, la energía liberada por una explosión de fisión comprime y calienta el combustible, iniciando una reacción de fusión. La fusión libera neutrones . Estos neutrones golpean el combustible de fisión circundante, lo que hace que los átomos se dividan mucho más rápido que los procesos de fisión normales. Esto aumenta la eficacia de las bombas: las armas de fisión normales se destruyen antes de que se agote todo su combustible; Las armas de fusión / fisión no tienen este límite superior práctico.
En 1949, el expatriado alemán Ronald Richter propuso el Proyecto Huemul en Argentina y anunció resultados positivos en 1951. Estos resultaron ser falsos, pero despertaron un interés considerable en el concepto. En particular, llevó a Lyman Spitzer a comenzar a considerar formas de resolver los problemas relacionados con el confinamiento de un plasma caliente y, sin darse cuenta de los esfuerzos de z-pinch, desarrolló una nueva solución, conocida como stellarator.
Stellarator
Spitzer solicitó fondos a la Comisión de Energía Atómica de EE. UU. Para construir un dispositivo de prueba. Durante este período, James L. Tuck, que había trabajado con los equipos del Reino Unido en z-pinch, había estado presentando el concepto a sus compañeros de trabajo en LANL. Cuando se enteró de la propuesta de financiación de Spitzer, solicitó construir una máquina propia, la Perhapsatron . [142]
La idea de Spitzer ganó fondos y comenzó a trabajar en el stellarator en el marco del Proyecto Matterhorn. Su trabajo condujo a la creación del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton . Tuck regresó a LANL y organizó fondos locales para construir su máquina. En ese momento, estaba claro que las máquinas de pellizco estaban sufriendo problemas relacionados con la inestabilidad y el estancamiento del progreso. En 1953, Tuck y otros sugirieron soluciones que llevaron a una segunda serie de máquinas pinza, como los dispositivos ZETA y Sceptre . [142]
Spitzer había planeado un agresivo proyecto de desarrollo de cuatro máquinas, A, B, C y D. A y B iban a ser pequeños dispositivos de investigación, C un prototipo de producción de energía y D un prototipo comercial. A funcionó, pero B sufrió inestabilidades y fugas de plasma. El progreso en C se ralentizó. [166] [167]
En 1954, el presidente de AEC, Lewis Strauss, previó que la electricidad era " demasiado barata para medirla ". [168] Strauss probablemente se refería a la fusión [169] como parte del proyecto secreto Sherwood, pero la declaración de Strauss se interpretó como una referencia a la fisión. La AEC había emitido un testimonio más realista sobre la fisión nuclear ante el Congreso solo unos meses antes, proyectando que "los costos pueden reducirse ... [a] ... aproximadamente lo mismo que el costo de la electricidad de fuentes convencionales ..." [ 170]
Edward Teller
A mediados de la década de 1950, las herramientas teóricas utilizadas para calcular el rendimiento de las máquinas de fusión no predecían su comportamiento real. Las máquinas invariablemente filtraban plasma a tasas mucho más altas de lo previsto. En 1954, Edward Teller celebró una reunión de investigadores de fusión en el Princeton Gun Club, cerca de los terrenos del Proyecto Matterhorn (más tarde conocido como Proyecto Sherwood ). Teller comenzó señalando los problemas y sugirió que cualquier sistema que confinara el plasma dentro de campos cóncavos estaba condenado al fracaso. Los asistentes lo recuerdan diciendo algo en el sentido de que los campos eran como bandas elásticas, e intentaban volver a una configuración recta cada vez que aumentaba la potencia, expulsando el plasma. Sugirió que la única forma de confinar el plasma de manera predecible sería utilizar campos convexos: una configuración de "cúspide". [171] : 118
Cuando concluyó la reunión, la mayoría de los investigadores elaboraron artículos que explicaban por qué las preocupaciones de Teller no se aplicaban a su dispositivo. Las máquinas pinza no usaban campos magnéticos de esta manera, mientras que el espejo y el estelar proponían varias soluciones. Sin embargo, esto fue seguido pronto por el artículo de Martin David Kruskal y Martin Schwarzschild sobre las máquinas pinza, que demostró que las inestabilidades de esos dispositivos eran inherentes. [171] : 118
ZETA
El dispositivo de pellizco "clásico" más grande fue el ZETA , que incluía todas las actualizaciones, que comenzó a funcionar en el Reino Unido en 1957. A principios de 1958, John Cockcroft anunció que se había logrado la fusión en el ZETA, un anuncio que fue noticia en todo el mundo. . Cuando los físicos estadounidenses expresaron su preocupación, inicialmente fueron despedidos. Los experimentos estadounidenses pronto produjeron neutrones similares, aunque las mediciones de temperatura sugirieron que no podían ser de fusión. Más tarde se demostró que los neutrones ZETA procedían de diferentes versiones de los mismos procesos de inestabilidad que afectaban a las máquinas anteriores. Cockcroft se vio obligado a retractarse de sus afirmaciones de fusión, contaminando todo el campo durante años. ZETA terminó en 1968. [142]
Scylla
El primer experimento para lograr la fusión termonuclear controlada se realizó usando Scylla I en LANL en 1958. [28] Scylla I era una máquina de θ pellizcos , con un cilindro lleno de deuterio. La corriente eléctrica se disparó por los lados del cilindro. La corriente produjo campos magnéticos que pellizcaron el plasma, elevando las temperaturas a 15 millones de grados Celsius, durante el tiempo suficiente para que los átomos se fusionaran y produjeran neutrones. [27] [28] El programa Sherwood patrocinó una serie de máquinas Scylla en Los Alamos. El programa comenzó con 5 investigadores y $ 100,000 en financiamiento estadounidense en enero de 1952. [172] Para 1965, se había gastado un total de $ 21 millones en el programa y la dotación de personal nunca superó los 65. [ cita requerida ]
Tokamak
En 1950-1951 IE Tamm y AD Sakharov en la Unión Soviética , discutieron por primera vez un enfoque similar al tokamak . La investigación experimental sobre esos diseños comenzó en 1956 en el Instituto Kurchatov en Moscú por un grupo de científicos soviéticos dirigido por Lev Artsimovich . El tokamak esencialmente combinó un dispositivo de pellizco de baja potencia con un estelarizador simple de baja potencia. La clave fue combinar los campos de tal manera que las partículas orbitaran dentro del reactor un número determinado de veces, lo que hoy se conoce como " factor de seguridad ". La combinación de estos campos mejoró drásticamente los tiempos y densidades de confinamiento, lo que resultó en enormes mejoras con respecto a los dispositivos existentes. [142]
1960
Spitzer publicó un texto clave sobre física del plasma en Princeton en 1963. [173] Tomó las leyes de los gases ideales y las adaptó a un plasma ionizado, desarrollando muchas de las ecuaciones fundamentales utilizadas para modelar un plasma.
La fusión con láser fue sugerida en 1962 por científicos del LLNL, poco después de la invención del láser en 1960. En ese momento, los láseres eran máquinas de baja potencia. La investigación de la fusión por láser (fusión por confinamiento inercial ) comenzó en 1965.
En la Feria Mundial de 1964 , el público tuvo su primera demostración de fusión. [174] El dispositivo fue un Theta-pinch de General Electric. Esto era similar a la máquina Scylla desarrollada anteriormente en Los Alamos.
El espejo magnético fue publicado por primera vez en 1967 por Richard F. Post y muchos otros en LLNL. [175] El espejo constaba de dos grandes imanes dispuestos de modo que tuvieran campos fuertes dentro de ellos y un campo más débil, pero conectado, entre ellos. El plasma introducido en el área entre los dos imanes "rebotaría" de los campos más fuertes en el medio.
El grupo de AD Sakharov construyó los primeros tokamaks. Los más exitosos fueron el T-3 y su versión más grande T-4. T-4 fue probado en 1968 en Novosibirsk , produciendo la primera reacción de fusión cuasiestacionaria. [176] : 90 Cuando se anunció esto, la comunidad internacional se mostró escéptica. Un equipo británico fue invitado a ver el T-3 y confirmó las afirmaciones soviéticas. Siguió un estallido de actividad, ya que se abandonaron muchos dispositivos planificados y se introdujeron tokamaks en su lugar: el stellarator modelo C, entonces en construcción después de muchos rediseños, se convirtió rápidamente al Tokamak simétrico. [142]
En su trabajo con tubos de vacío, Philo Farnsworth observó que la carga eléctrica se acumulaba en regiones del tubo. Hoy en día, este efecto se conoce como efecto Multipactor . [177] Farnsworth razonó que si los iones se concentraran lo suficientemente alto, podrían colisionar y fusionarse. En 1962, presentó una patente sobre un diseño que usaba una jaula interna positiva para concentrar plasma y fusionar protones. [178] Durante este tiempo, Robert L. Hirsch se unió a los laboratorios de Farnsworth Television y comenzó a trabajar en lo que se convirtió en el fusor. Hirsch patentó el diseño en 1966 [179] y lo publicó en 1967. [180]
1970
En 1972, John Nuckolls esbozó la idea de encendido. [23] Esta es una reacción en cadena de fusión. El helio caliente producido durante la fusión recalienta el combustible y comienza más reacciones. Nuckolls argumentó que la ignición requeriría láseres de aproximadamente 1 kJ . Esto resultó estar mal. El artículo de Nuckolls inició un importante esfuerzo de desarrollo. Se construyeron varios sistemas láser en LLNL. Estos incluyeron el Argus , el Cyclops , el Janus , el largo camino , el láser Shiva y el Nova en 1984. Esto llevó al Reino Unido a construir la Central Laser Facility en 1976. [181]
Durante este tiempo, aumentó la comprensión del tokamak. [182] Las mejoras se convirtieron en parte del concepto de "tokamak avanzado", que incluye plasma no circular, desviadores y limitadores internos, imanes superconductores y funcionamiento en la isla llamada "modo H" de mayor estabilidad. [183] Otros dos diseños se hicieron prominentes; el tokamak compacto cableado con los imanes en el interior de la cámara de vacío, [184] [185] y el tokamak esférico con una sección transversal lo más pequeña posible. [186] [187]
En 1974, un estudio ZETA demostró un efecto secundario interesante; una vez finalizada una serie experimental, el plasma entraba en un breve período de estabilidad. Esto llevó al concepto de pellizco de campo invertido . El 1 de mayo de 1974, la empresa de fusión KMS (fundada por Kip Siegel ) logró la primera fusión inducida por láser del mundo en una pastilla de deuterio-tritio. [[[Wikipedia:Citing_sources|
A mediados de la década de 1970, el Proyecto PACER , llevado a cabo en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL), exploró la posibilidad de explotar pequeñas bombas de hidrógeno (bombas de fusión) dentro de una cavidad subterránea. [189] : 25 Como fuente de energía, el sistema era el único que podía funcionar con la tecnología existente. Sin embargo, también requeriría un gran suministro continuo de bombas nucleares con una economía cuestionable.
En 1976, el láser Argus de dos haces comenzó a funcionar en Livermore . [190] En 1977, se completó el láser Shiva de 20 haces en Livermore, capaz de entregar 10,2 kilojulios de energía infrarroja en el objetivo. A un precio de 25 millones de dólares y un tamaño cercano al de un campo de fútbol, Shiva fue el primer megaláser. [190] Ese mismo año, el proyecto JET fue aprobado por la Comisión Europea y se seleccionó un sitio.
Decenio de 1980
Espejo magnetico
Estados Unidos financió un enorme programa de espejos magnéticos a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980. Este programa dio como resultado una serie de grandes dispositivos de espejo magnético que incluyen: 2X, [191] : 273 Baseball I, Baseball II, el Experimento del Espejo Tandem , la actualización del experimento del Espejo Tandem, la Instalación de Prueba de Fusión del Espejo y el MFTF-B. Estas máquinas se construyeron y probaron LLNL desde finales de la década de 1960 hasta mediados de la de 1980. [192] [193] Los colaboradores institucionales participantes incluyeron el Instituto de Estudios Avanzados y la Universidad de Wisconsin-Madison . La última máquina, Mirror Fusion Test Facility, costó 372 millones de dólares y era, en ese momento, el proyecto más caro en la historia de LLNL. [61] Se inauguró el 21 de febrero de 1986 y se cerró rápidamente, supuestamente para equilibrar el presupuesto federal. Este programa fue apoyado desde dentro de las administraciones de Carter y Reagan tempranas por el Capitán de la Armada Edwin E. Kintner , bajo Alvin Trivelpiece . [194]
Láser
En Laser Fusion progresó: en 1983, se completó el láser NOVETTE . En diciembre siguiente, se terminó el láser NOVA de diez haces . Cinco años después, NOVA produjo 120 kilojulios de luz infrarroja, durante un pulso de nanosegundos. [195] Mientras tanto, la investigación se centró en la entrega rápida o la suavidad del haz. Ambos se enfocaron en aumentar la uniformidad energética. Uno de los primeros problemas fue que la luz en la longitud de onda infrarroja perdió mucha energía antes de llegar al combustible. Se hicieron avances en LLE en la Universidad de Rochester . Los científicos de Rochester utilizaron cristales que triplican la frecuencia para transformar los rayos láser infrarrojos en rayos ultravioleta. En 1985, Donna Strickland [196] y Gérard Mourou inventaron un método para amplificar los pulsos de láser mediante "chirridos". Esto cambió una sola longitud de onda en un espectro completo. Luego, el sistema amplificó el haz en cada longitud de onda y luego reconstituyó el haz en un solo color. La amplificación de pulsos de chirp se convirtió en fundamental en la construcción de NIF y el sistema Omega EP. La mayor parte de la investigación de la ICF se centró en las armas, porque la implosión fue relevante para las armas nucleares. [197]
Durante este tiempo, LANL construyó una serie de instalaciones láser. [198] Incluían Gemini (un sistema de dos haces), Helios (ocho haces), Antares (24 haces) y Aurora (96 haces). [199] [200] El programa terminó a principios de los noventa con un costo del orden de mil millones de dólares. [198]
En 1987, Akira Hasegawa [201] notó que en un campo magnético dipolar, las fluctuaciones tendían a comprimir el plasma sin pérdida de energía. Este efecto se notó en los datos tomados por la Voyager 2 , cuando se encontró con Urano . Esta observación se convertiría en la base de un enfoque de fusión conocido como dipolo levitado .
En tokamaks, el Tore Supra estuvo en construcción a mediados de los años ochenta (1983 a 1988). Este fue un tokamak construido en Cadarache , Francia. [202] En 1983, se completó el JET y se lograron los primeros plasmas. En 1985, se completó el tokamak japonés, JT-60 . En 1988, se completó el T-15, un tokamak soviético. Fue el primer reactor de fusión industrial en utilizar imanes superconductores (refrigerados por helio) . [203]
En 1984, Martin Peng de ORNL propuso [204] una disposición alternativa de las bobinas magnéticas que reduciría en gran medida la relación de aspecto y evitaría los problemas de erosión del tokamak compacto: un tokamak esférico . En lugar de cablear cada bobina magnética por separado, propuso usar un solo conductor grande en el centro y cablear los imanes como medio anillo fuera de este conductor. Lo que una vez fue una serie de anillos individuales que pasaban a través del orificio en el centro del reactor se redujo a un solo poste, lo que permitió relaciones de aspecto tan bajas como 1,2. [205] : B247 [206] : 225 El concepto ST pareció representar un enorme avance en el diseño de tokamak. Sin embargo, se proponía durante un período en el que los presupuestos estadounidenses para la investigación de la fusión se reducían drásticamente. ORNL recibió fondos para desarrollar una columna central adecuada construida con una aleación de cobre de alta resistencia llamada "Glidcop". Sin embargo, no pudieron obtener fondos para construir una máquina de demostración, "STX". Al no poder construir un ST en ORNL, Peng comenzó un esfuerzo mundial para interesar a otros equipos en el concepto ST y conseguir que se construyera una máquina de prueba. Una forma de hacer esto rápidamente sería convertir una máquina spheromak al diseño esférico tokamak . [206] : 225 La defensa de Peng también atrajo el interés de Derek Robinson , del centro de fusión de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido en Culham . Robinson pudo reunir un equipo y asegurar fondos del orden de 100,000 libras para construir una máquina experimental, la Small Tight Aspect Ratio Tokamak , o START. Varias partes de la máquina se reciclaron de proyectos anteriores, mientras que otras se prestaron de otros laboratorios, incluido un inyector de haz neutro de 40 keV de ORNL. La construcción del START comenzó en 1990, se ensambló rápidamente y comenzó a funcionar en enero de 1991. [205] : 11
Decenio de 1990
En 1991, el Experimento Preliminar de Tritio en el Joint European Torus en Inglaterra logró la primera liberación controlada de energía de fusión del mundo. [207]
En 1992, Robert McCory en LLE publicó un artículo importante en Physics Today que describía el estado actual de ICF y abogaba por una instalación nacional de encendido. [208] Esto fue seguido por un importante artículo de revisión, de John Lindl en 1995, [209] abogando por NIF . Durante este tiempo, se desarrollaron una serie de subsistemas ICF, incluida la fabricación de objetivos, sistemas de manipulación criogénica, nuevos diseños de láser (en particular, el láser NIKE en NRL ) y diagnósticos mejorados como analizadores de tiempo de vuelo y dispersión Thomson . Este trabajo se realizó en el sistema láser NOVA , General Atomics , Laser Mégajoule y el sistema GEKKO XII en Japón. A través de este trabajo y el cabildeo de grupos como Fusion Power Associates y John Sethian en NRL, se realizó una votación en el Congreso, autorizando la financiación del proyecto NIF a finales de los noventa.
A principios de los noventa se publicaron trabajos teóricos y experimentales sobre fusores y polipocillos . [210] [211] En respuesta, Todd Rider del MIT desarrolló modelos generales de estos dispositivos. [212] Rider argumentó que todos los sistemas de plasma en equilibrio termodinámico estaban fundamentalmente limitados. En 1995, William Nevins publicó una crítica [213] argumentando que las partículas dentro de los fusores y pozos polivalentes acumularían un momento angular , haciendo que el núcleo denso se degrade.
En 1995, la Universidad de Wisconsin-Madison construyó un fusor grande , conocido como HOMER, que todavía está en funcionamiento. [214] Mientras tanto, el Dr. George H. Miley en Illinois , construyó un pequeño fusor que ha producido neutrones usando gas deuterio [215] [216] y descubrió el "modo estrella" del funcionamiento del fusor. Al año siguiente, se llevó a cabo el primer "Taller de EE. UU. Y Japón sobre fusión de IEC". En este momento en Europa, Daimler-Chrysler y NSD Fusion desarrollaron un dispositivo IEC como fuente de neutrones comercial . [217] [218]
Al año siguiente, la máquina Z fue mejorada y abierta al público por el Ejército de los Estados Unidos en agosto de 1998 en Scientific American. [219] Los atributos clave de la máquina Z de Sandia [220] son sus 18 millones de amperios y un tiempo de descarga de menos de 100 nanosegundos . Esto genera un pulso magnético, dentro de un gran tanque de aceite, esto golpea una serie de cables de tungsteno llamados revestimiento . [221] Encender la máquina Z se ha convertido en una forma de probar condiciones de muy alta energía y alta temperatura (2 mil millones de grados). [222] En 1996, el Tore Supra crea un plasma durante dos minutos con una corriente de casi 1 millón de amperios impulsado de forma no inductiva por 2,3 MW de ondas de frecuencia híbrida más baja . Se trata de 280 MJ de energía inyectada y extraída. Este resultado fue posible gracias a los componentes que se enfrentan al plasma enfriados activamente [223]
En 1997, JET produjo un pico de 16,1 MW de potencia de fusión (65% del calor al plasma [224] ), con una potencia de fusión de más de 10 MW sostenida durante más de 0,5 segundos. Su sucesor, el Reactor Termonuclear Experimental Internacional ( ITER ), fue anunciado oficialmente como parte de un consorcio de siete partes (seis países y la UE). ITER está diseñado para producir diez veces más energía de fusión que la energía puesta en el plasma . ITER se encuentra actualmente en construcción en Cadarache , Francia. [225]
A finales de los noventa, un equipo de la Universidad de Columbia y el MIT desarrolló el dipolo levitado , [226] un dispositivo de fusión que consistía en un electroimán superconductor, flotando en una cámara de vacío en forma de platillo. [227] El plasma se arremolinaba alrededor de esta rosquilla y se fusionaba a lo largo del eje central. [228]
2000
El "encendido rápido" [234] [235] apareció a finales de los noventa y fue parte de un impulso de LLE para construir el sistema Omega EP, terminado en 2008. El encendido rápido mostró un ahorro de energía espectacular y llevó a ICF a la carrera por la energía. producción. Una instalación experimental dedicada al enfoque de encendido rápido se conoce como HiPER .
En abril de 2005, un equipo de UCLA anunció [236] una forma de producir fusión utilizando una máquina que "cabe en una mesa de laboratorio", utilizando equivalente de litio para generar suficiente voltaje para fusionar el deuterio . Sin embargo, el proceso no generó energía neta. Tal dispositivo sería útil en el mismo tipo de funciones que el fusor.
Al año siguiente, se completó el reactor de prueba EAST de China . [237] Este fue el primer tokamak en utilizar imanes superconductores para generar campos toroidales y poloidales.
A principios de la década de 2000, los investigadores de LANL razonaron que un plasma oscilante podría alcanzar el equilibrio termodinámico local. Esto motivó los diseños de trampas de POPS y Penning . [238] [239]
Un investigador del MIT se interesó por los fusores para la propulsión espacial [240] y la propulsión de vehículos espaciales, utilizando fusores con múltiples jaulas interiores. [241] Greg Piefer fundó Phoenix Nuclear Labs y desarrolló el fusor en una fuente de neutrones para la producción de isótopos médicos . [242] Robert Bussard comenzó a hablar abiertamente sobre el polywell en 2006. [243] [244]
En marzo de 2009 entró en funcionamiento el NIF. [245]
A principios de la década de 2000, se habían fundado empresas de fusión con respaldo privado con el objetivo declarado de desarrollar energía de fusión comercialmente viable. [246] Tri Alpha Energy , fundada en 1998, comenzó explorando un enfoque de configuración de campo invertido . [247] [248] En 2002, la empresa canadiense General Fusion inició experimentos de prueba de concepto basados en un enfoque híbrido magneto-inercial llamado Magnetized Target Fusion. [247] [246] Los inversores incluyen a Jeff Bezos (General Fusion) y Paul Allen (Tri Alpha Energy). [247] Hacia el final de la década, la empresa de fusión con sede en el Reino Unido Tokamak Energy comenzó a explorar dispositivos tokamak esféricos utilizando la reconexión para poner en marcha el tokamak. [249]
2010
La investigación pública y privada se aceleró en la década de 2010. General Fusion desarrolló su tecnología de inyector de plasma y Tri Alpha Energy construyó y operó su dispositivo C-2U. [250] La fusión fue investigada por el NIF y el Laser Mégajoule francés . En 2010, los investigadores del NIF llevaron a cabo una serie de disparos de "ajuste" para determinar el diseño óptimo del objetivo y los parámetros del láser para experimentos de ignición de alta energía con combustible de fusión. [251] [252] La ganancia neta de energía [253] se logró en agosto de 2013. [254]
Un artículo de 2012 demostró que un foco de plasma denso había alcanzado temperaturas de 1.800 millones de grados Celsius, suficientes para la fusión del boro , y que las reacciones de fusión se producían principalmente dentro del plasmoide contenido, una condición necesaria para la potencia neta. [255]
En abril de 2014, LLNL finalizó el programa Laser Inertial Fusion Energy (LIFE) y redirigió sus esfuerzos hacia NIF. [256] En agosto de 2014, Phoenix Nuclear Labs anunció la venta de un generador de neutrones de alto rendimiento que podría sostener 5 × 10 11 reacciones de fusión de deuterio por segundo durante un período de 24 horas. [257] En octubre de 2014, Lockheed Martin 's Skunk Works anunció el desarrollo de un alto beta reactor de fusión, el compacto reactor de fusión . [258] [259] [260] Aunque el concepto original era construir una unidad del tamaño de un contenedor de 20 toneladas, el equipo admitió en 2018 que la escala mínima sería de 2000 toneladas. [261]
En enero de 2015, el polywell se presentó en Microsoft Research . [262] En agosto, el MIT anunció un tokamak al que denominó reactor de fusión ARC , que utilizaba cintas superconductoras de óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO) para producir bobinas de alto campo magnético que, según afirma, producen una fuerza de campo magnético comparable en una configuración más pequeña que otros diseños. [263] En octubre, los investigadores del Instituto Max Planck de Física del Plasma completaron la construcción del estelarizador más grande hasta la fecha, el Wendelstein 7-X . En diciembre produjeron el primer plasma de helio y en febrero de 2016 produjeron plasma de hidrógeno. [264] Con descargas de plasma que duran hasta 30 minutos, Wendelstein 7-X está intentando demostrar el atributo esencial del estelarador: el funcionamiento continuo de un plasma a alta temperatura.
En 2017 , entró en funcionamiento la máquina de plasma de quinta generación de Helion Energy , que busca lograr una densidad de plasma de 20 Tesla y temperaturas de fusión. [261] También en 2017, el reactor de fusión ST40 del Reino Unido generó el "primer plasma". [265] Al año siguiente, Eni anunció una inversión de 50 millones de dólares en Commonwealth Fusion Systems , recientemente fundado , para intentar comercializar la tecnología ARC utilizando un reactor de prueba ( SPARC ) en colaboración con el MIT. [266] [267] [268] [269]
En 2019, el Reino Unido anunció una inversión planificada de £ 200 millones (US $ 248 millones) para producir un diseño para una instalación de fusión llamada Spherical Tokamak for Energy Production (STEP), para principios de la década de 2040. [270] [271]
2020
En 2020, Chevron Corporation anunció una inversión en la puesta en marcha de Zap Energy. [272] El DOE de EE. UU. Lanzó el programa INFUSE, una iniciativa de intercambio de conocimientos público-privado en la que participan un Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL), el Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT y la asociación Commonwealth Fusion Systems, [273] junto con asociaciones con TAE Technologies , Princeton Fusion Systems y Tokamak Energy. [274]
En 2021, el Comité Asesor de Ciencias de la Energía de Fusión del DOE aprobó un plan estratégico para guiar la investigación de la energía de fusión y la física del plasma durante una década. [275] [276] [277] incluye el desarrollo de instalaciones y programas para una planta de energía en funcionamiento de EE. UU. Para 2040, similar a los esfuerzos de Canadá, China y el Reino Unido. [278] [279]
En enero de 2021, SuperOx anunció la comercialización de un nuevo cable superconductor, con una capacidad de corriente de más de 700 A / mm2. Se afirmó que este cable mejoraba el rendimiento de la fusión. [280]
TAE Technologies anunció resultados líderes utilizando su dispositivo Norman, manteniendo una temperatura de alrededor de 60 millones de grados C durante 30 milisegundos, 8 y 10 veces más alta, respectivamente, que los dispositivos anteriores de la compañía. Se afirmó que la duración estaba limitada por la fuente de alimentación en lugar del dispositivo. [281]
Registros
Varios dispositivos han establecido récords de fusión. Algunos siguen:
Dominio | Año | Registro | Dispositivo | Notas |
---|---|---|---|---|
Temperatura de plasma | 2012 | 1.8 mil millones de kelvin | Focus-Fusion 1 [282] [283] | |
El poder de la fusion | 1997 | 16 mw | JET [284] | |
Presión de plasma | 2016 | 2,05 atmósferas | Alcator C-Mod [285] | |
Criterio de Lawson | 2013 | 1,53 x 10 21 keV.sm −3 | JT-60 . [286] [287] | |
Factor de ganancia de energía de fusión Q | 1997 | 0,69 | Torus europeo conjunto (JET) | 16 MW de potencia frente a los 23 MW de calentamiento por plasma. [284] |
Tiempo de confinamiento (configuración de campo invertido) | 2016 | 300 ms | Configuración invertida de Princeton Field [288] | No se observó fusión. |
Tiempo de confinamiento (stellarator) | 2019 | 100 s | Wendelstein 7-X [289] [290] | |
Beta | 0,32 | Tokamak de pequeña relación de aspecto ajustada [ cita requerida ] |
Ver también
- Proceso COLEX , para la producción de Li-6
- Reactor de fusión de alta beta
- Confinamiento electrostático inercial
- Dipolo levitado
- Lista de experimentos de fusión
- Espejo magnetico
Referencias
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enlaces externos
- Base de energía de fusión
- Programa de ciencia de la energía de fusión de EE. UU.