Un fusor es un dispositivo que utiliza un campo eléctrico para calentar iones a condiciones de fusión nuclear . La máquina induce un voltaje entre dos jaulas metálicas, dentro de un vacío. Los iones positivos caen por esta caída de voltaje, aumentando la velocidad. Si chocan en el centro, pueden fusionarse. Este es un tipo de dispositivo de confinamiento electrostático inercial : una rama de la investigación de la fusión.
Un fusor Farnsworth-Hirsch es el tipo de fusor más común. [1] Este diseño proviene del trabajo de Philo T. Farnsworth en 1964 y Robert L. Hirsch en 1967. [2] [3] William Elmore, James L. Tuck y Ken Watson habían propuesto previamente un tipo de fusor variante. en el Laboratorio Nacional de Los Alamos [4] aunque nunca construyeron la máquina.
Varias instituciones han construido fusores. Estos incluyen instituciones académicas como la Universidad de Wisconsin-Madison , [5] el Instituto de Tecnología de Massachusetts [6] y entidades gubernamentales, como la Organización de Energía Atómica de Irán y la Autoridad de Energía Atómica de Turquía . [7] [8] Los fusores también se han desarrollado comercialmente, como fuentes de neutrones por DaimlerChrysler Aerospace [9] y como método para generar isótopos médicos. [10] [11] [12] Los Fusors también se han vuelto muy populares entre los aficionados y aficionados. Un número creciente de aficionados ha realizado la fusión nuclear utilizando simples fusores. [13] [14] [15] [16] [17] [18] Sin embargo, los científicos no consideran que los fusores sean un concepto viable para la producción de energía a gran escala.
Mecanismo
Por cada voltio en el que se acelera un ion de ± 1 carga, gana 1 electronvoltio en energía, similar a calentar un material en 11.604 kelvins de temperatura ( T = eV / k B , donde T es la temperatura en kelvins , eV es la energía del ion en electronvoltios , y k B es la constante de Boltzmann ). Después de ser acelerado en 15 kV, un ion con carga única tiene una energía cinética de 15 keV, similar a la energía cinética promedio a una temperatura de aproximadamente 174 megakelvins, una temperatura típica del plasma de fusión por confinamiento magnético . Debido a que la mayoría de los iones caen en los cables de la jaula, los fusores sufren pérdidas de conducción elevadas . En una mesa de trabajo, estas pérdidas pueden ser al menos cinco órdenes de magnitud más altas que la energía liberada por la reacción de fusión, incluso cuando el fusor está en modo estrella. [19] Por lo tanto, ningún fusor se ha acercado jamás a la producción de energía al punto de equilibrio. Las fuentes comunes de la alta tensión son ZVS flyback HV fuentes y transformadores de neón-signo . También se le puede llamar acelerador de partículas electrostático .
Historia
El fusor fue concebido originalmente por Philo T. Farnsworth , más conocido por su trabajo pionero en la televisión. A principios de la década de 1930, investigó varios diseños de tubos de vacío para su uso en televisión y encontró uno que produjo un efecto interesante. En este diseño, al que llamó "multipactor", los electrones que se movían de un electrodo a otro se detuvieron en pleno vuelo con la aplicación adecuada de un campo magnético de alta frecuencia . Entonces, la carga se acumularía en el centro del tubo, dando lugar a una alta amplificación. Desafortunadamente, también condujo a una alta erosión en los electrodos cuando los electrones finalmente los golpearon, y hoy en día el efecto multipactor generalmente se considera un problema que debe evitarse.
Lo que le interesó particularmente a Farnsworth sobre el dispositivo fue su capacidad para enfocar electrones en un punto en particular. Uno de los mayores problemas en la investigación de la fusión es evitar que el combustible caliente golpee las paredes del contenedor. Si se permite que esto suceda, el combustible no se puede mantener lo suficientemente caliente para que ocurra la reacción de fusión . Farnsworth razonó que podía construir un sistema de confinamiento de plasma electrostático en el que los campos de "pared" del reactor fueran electrones o iones que se mantenían en su lugar mediante el multipactor . A continuación, se podría inyectar combustible a través de la pared y, una vez dentro, no podría escapar. Llamó a este concepto un electrodo virtual y al sistema en su conjunto el fusor .
Diseño
Los diseños de fusores originales de Farnsworth se basaban en disposiciones cilíndricas de electrodos, como los multipactores originales. El combustible se ionizó y luego se disparó desde pequeños aceleradores a través de orificios en los electrodos externos (físicos). Una vez a través del orificio, se aceleraron hacia el área de reacción interna a alta velocidad. La presión electrostática de los electrodos cargados positivamente mantendría el combustible en su conjunto alejado de las paredes de la cámara, y los impactos de nuevos iones mantendrían el plasma más caliente en el centro. Se refirió a esto como confinamiento electrostático inercial , un término que se sigue utilizando hasta el día de hoy. El voltaje entre los electrodos debe ser de al menos 25.000 voltios para que se produzca la fusión.
Trabajar en los laboratorios de televisión de Farnsworth
Todo este trabajo se había llevado a cabo en los laboratorios de Farnsworth Television , que ITT Corporation había comprado en 1949 , como parte de su plan para convertirse en la próxima RCA . Sin embargo, un proyecto de investigación sobre la fusión no se consideró rentable de inmediato. En 1965, la junta directiva comenzó a pedirle a Harold Geneen que vendiera la división de Farnsworth, pero su presupuesto de 1966 fue aprobado con financiamiento hasta mediados de 1967. Se rechazó más financiamiento y eso puso fin a los experimentos de ITT con la fusión. [ cita requerida ]
Las cosas cambiaron drásticamente con la llegada de Robert Hirsch y la introducción de la patente de fusor Hirsch-Meeks modificada. [ cita requerida ] Los nuevos fusores basados en el diseño de Hirsch se construyeron por primera vez entre 1964 y 1967. [2] Hirsch publicó su diseño en un artículo en 1967. Su diseño incluía haces de iones para disparar iones en la cámara de vacío. [2]
Luego, el equipo se dirigió a la AEC , entonces a cargo de la financiación de la investigación de fusión, y les proporcionó un dispositivo de demostración montado en un carro de servicio que producía más fusión que cualquier dispositivo "clásico" existente. Los observadores se sorprendieron, pero el momento no fue correcto; El propio Hirsch había revelado recientemente el gran progreso que estaban haciendo los soviéticos utilizando el tokamak . En respuesta a este sorprendente desarrollo, la AEC decidió concentrar los fondos en grandes proyectos de tokamak y reducir el respaldo a conceptos alternativos. [ cita requerida ]
Desarrollos recientes
George H. Miley de la Universidad de Illinois volvió a examinar el fusor y lo reintrodujo en el campo. Desde entonces, ha persistido un interés bajo pero constante en el fusor. Un avance importante fue la exitosa introducción comercial de un generador de neutrones basado en fusor . Desde 2006 hasta su muerte en 2007, Robert W. Bussard dio charlas sobre un reactor de diseño similar al fusor, ahora llamado polywell , que dijo que sería capaz de generar energía útil. [21] Más recientemente, el fusor ha ganado popularidad entre los aficionados, que los eligen como proyectos domésticos debido a sus requisitos relativamente bajos de espacio, dinero y energía. Una comunidad en línea de "fusores", The Open Source Fusor Research Consortium, o Fusor.net, se dedica a informar sobre los desarrollos en el mundo de los fusores y ayudar a otros aficionados en sus proyectos. El sitio incluye foros, artículos y trabajos realizados sobre el fusor, incluida la patente original de Farnsworth, así como la patente de Hirsch de su versión de la invención. [22]
Fusión en fusores
Fusión básica
La fusión nuclear se refiere a reacciones en las que se combinan núcleos más ligeros para convertirse en núcleos más pesados. Este proceso convierte la masa en energía que, a su vez, puede capturarse para proporcionar energía de fusión . Se pueden fusionar muchos tipos de átomos. Los más fáciles de fusionar son el deuterio y el tritio . Para que se produzca la fusión, los iones deben estar a una temperatura de al menos 4 keV ( kiloelectronvoltios ), o aproximadamente 45 millones de kelvin . La segunda reacción más fácil es fusionar el deuterio consigo mismo. Debido a que este gas es más barato, es el combustible más utilizado por los aficionados. La facilidad de realizar una reacción de fusión se mide por su sección transversal . [23]
Poder de la red
En tales condiciones, los átomos se ionizan y forman un plasma . La energía generada por fusión, dentro de una nube de plasma caliente, se puede encontrar con la siguiente ecuación. [24]
dónde
- es la densidad de potencia de fusión (energía por tiempo por volumen),
- n es la densidad numérica de las especies A o B (partículas por volumen),
- es el producto de la sección transversal de colisión σ (que depende de la velocidad relativa) y la velocidad relativa v de las dos especies, promediada sobre todas las velocidades de las partículas en el sistema,
- es la energía liberada por una sola reacción de fusión.
Esta ecuación muestra que la energía varía con la temperatura, la densidad, la velocidad de colisión y el combustible utilizado. Para alcanzar la potencia neta, las reacciones de fusión deben ocurrir lo suficientemente rápido como para compensar las pérdidas de energía. Cualquier planta de energía que utilice fusión se mantendrá en esta nube caliente. Las nubes de plasma pierden energía por conducción y radiación . [24] La conducción es cuando los iones , electrones o neutrales tocan una superficie y se filtran. La energía se pierde con la partícula. La radiación es cuando la energía sale de la nube en forma de luz. La radiación aumenta a medida que aumenta la temperatura. Para obtener energía neta de la fusión, debe superar estas pérdidas. Esto conduce a una ecuación para la producción de energía.
dónde:
- η es la eficiencia,
- es el poder de las pérdidas por conducción a medida que la masa cargada de energía se va,
- es el poder de las pérdidas por radiación cuando la energía sale como luz,
- es la potencia neta de la fusión.
John Lawson utilizó esta ecuación para estimar algunas condiciones para la potencia neta [24] basándose en una nube de Maxwell . [24] Este se convirtió en el criterio de Lawson . Los fusores suelen sufrir pérdidas de conducción debido a que la jaula de alambre se encuentra en el camino del plasma en recirculación.
En fusores
En el diseño original del fusor, varios aceleradores de partículas pequeñas , esencialmente tubos de TV con los extremos retirados, inyectan iones a un voltaje relativamente bajo en una cámara de vacío . En la versión Hirsch del fusor, los iones se producen ionizando un gas diluido en la cámara. En cualquier versión hay dos electrodos esféricos concéntricos , el interior se carga negativamente con respecto al exterior (a aproximadamente 80 kV). Una vez que los iones entran en la región entre los electrodos, se aceleran hacia el centro.
En el fusor, los iones son acelerados a varios keV por los electrodos, por lo que el calentamiento como tal no es necesario (siempre que los iones se fusionen antes de perder su energía por cualquier proceso). Mientras que 45 megakelvins es una temperatura muy alta según cualquier estándar, el voltaje correspondiente es de solo 4 kV, un nivel que se encuentra comúnmente en dispositivos como letreros de neón y televisores CRT. En la medida en que los iones permanezcan en su energía inicial, la energía se puede ajustar para aprovechar el pico de la sección transversal de la reacción o para evitar reacciones desventajosas (por ejemplo, que producen neutrones) que podrían ocurrir a energías más altas.
Se han hecho varios intentos para aumentar la tasa de ionización del deuterio, incluidos los calentadores dentro de las "pistolas de iones" (similar a la "pistola de electrones" que forma la base de los tubos de visualización de televisión de estilo antiguo), así como los dispositivos de tipo magnetrón (que son las fuentes de energía para hornos microondas), que pueden mejorar la formación de iones mediante campos electromagnéticos de alto voltaje. Se puede esperar que cualquier método que aumente la densidad iónica (dentro de límites que preserven el camino libre de media iónica), o la energía iónica, mejore el rendimiento de la fusión, normalmente medido en el número de neutrones producidos por segundo.
La facilidad con la que se puede aumentar la energía iónica parece ser particularmente útil cuando se consideran reacciones de fusión a "alta temperatura" , como la fusión protón-boro , que tiene abundante combustible, no requiere tritio radiactivo y no produce neutrones en la reacción primaria. .
Consideraciones comunes
Modos de operacion
Los fusores tienen al menos dos modos de funcionamiento (posiblemente más): modo estrella y modo halo . El modo halo se caracteriza por un amplio resplandor simétrico, con uno o dos haces de electrones que salen de la estructura. Hay poca fusión. [25] El modo halo ocurre en tanques de mayor presión y, a medida que mejora el vacío, el dispositivo pasa al modo estrella. El modo estrella aparece como rayos de luz brillantes que emanan del centro del dispositivo. [25]
Densidad de poder
Debido a que el campo eléctrico creado por las jaulas es negativo, no puede atrapar simultáneamente iones cargados positivamente y electrones negativos. Por lo tanto, debe haber algunas regiones de acumulación de carga , lo que dará como resultado un límite superior en la densidad alcanzable. Esto podría colocar un límite superior en la densidad de potencia de la máquina, lo que puede mantenerla demasiado baja para la producción de energía. [ cita requerida ]
Térmica de las velocidades de los iones
Cuando caen por primera vez en el centro del fusor, todos los iones tendrán la misma energía, pero la distribución de velocidades se acercará rápidamente a una distribución de Maxwell-Boltzmann . Esto ocurriría a través de colisiones simples de Coulomb en cuestión de milisegundos, pero las inestabilidades haz-haz ocurrirán órdenes de magnitud aún más rápido. En comparación, cualquier ión dado requerirá unos minutos antes de someterse a una reacción de fusión, por lo que la imagen monoenergética del fusor, al menos para la producción de energía, no es apropiada. Una consecuencia de la termalización es que algunos de los iones ganarán energía suficiente para salir del pozo de potencial, llevándose su energía con ellos, sin haber sufrido una reacción de fusión.
Electrodos
Hay una serie de desafíos sin resolver con los electrodos en un sistema de energía de fusor. Para empezar, los electrodos no pueden influir en el potencial dentro de sí mismos, por lo que parecería a primera vista que el plasma de fusión estaría en contacto más o menos directo con el electrodo interno, lo que provocaría la contaminación del plasma y la destrucción del electrodo. Sin embargo, la mayoría de la fusión tiende a ocurrir en microcanales formados en áreas de potencial eléctrico mínimo, [26] visto como "rayos" visibles que penetran en el núcleo. Estos se forman porque las fuerzas dentro de la región corresponden a "órbitas" aproximadamente estables. Aproximadamente el 40% de los iones de alta energía en una red típica que funciona en modo estrella pueden estar dentro de estos microcanales. [27] No obstante, las colisiones de la red siguen siendo el mecanismo principal de pérdida de energía de los fusores Farnsworth-Hirsch. Lo que complica los problemas es el desafío de enfriar el electrodo central; cualquier fusor que produzca suficiente energía para hacer funcionar una planta de energía parece destinado a destruir también su electrodo interno. Como limitación fundamental, cualquier método que produzca un flujo de neutrones que se capture para calentar un fluido de trabajo también bombardeará sus electrodos con ese flujo, calentándolos también.
Los intentos de resolver estos problemas incluyen el sistema Polywell de Bussard , el enfoque de trampa Penning modificado de DC Barnes y el fusor de la Universidad de Illinois que retiene las rejillas pero intenta enfocar más estrechamente los iones en microcanales para intentar evitar pérdidas. Si bien los tres son dispositivos de confinamiento electrostático inercial (IEC), solo el último es en realidad un "fusor".
Radiación
Las partículas cargadas irradiarán energía en forma de luz cuando cambien de velocidad. [28] Esta tasa de pérdida se puede estimar para partículas no relativistas usando la fórmula de Larmor . Dentro de un fusor hay una nube de iones y electrones . Estas partículas se acelerarán o desacelerarán a medida que se muevan. Estos cambios de velocidad hacen que la nube pierda energía en forma de luz. La radiación de un fusor puede (al menos) estar en el espectro visible , ultravioleta y de rayos X , dependiendo del tipo de fusor utilizado. Estos cambios de velocidad pueden deberse a interacciones electrostáticas entre partículas (ión a ión, ión a electrón, electrón a electrón). Esto se conoce como radiación bremsstrahlung y es común en los fusores. Los cambios en la velocidad también pueden deberse a interacciones entre la partícula y el campo eléctrico. Dado que no hay campos magnéticos, los fusores no emiten radiación de ciclotrón a bajas velocidades ni radiación de sincrotrón a altas velocidades.
En Limitaciones fundamentales de los sistemas de fusión de plasma que no están en equilibrio termodinámico , Todd Rider argumenta que un plasma isotrópico cuasineutral perderá energía debido a Bremsstrahlung a una velocidad prohibitiva para cualquier combustible que no sea DT (o posiblemente DD o D-He3). Este documento no es aplicable a la fusión IEC, ya que un plasma cuasineutral no puede ser contenido por un campo eléctrico, que es una parte fundamental de la fusión IEC. Sin embargo, en un artículo anterior, "Una crítica general de los sistemas de fusión por confinamiento inercial-electrostático" , Rider aborda directamente los dispositivos IEC comunes, incluido el fusor. En el caso del fusor, los electrones generalmente están separados de la masa del combustible aislada cerca de los electrodos, lo que limita la tasa de pérdida. Sin embargo, Rider demuestra que los fusores prácticos operan en una variedad de modos que conducen a una significativa mezcla y pérdida de electrones, o alternativamente a densidades de potencia más bajas. Esto parece ser una especie de catch-22 que limita la salida de cualquier sistema similar a un fusor.
Aplicaciones comerciales
Fuente de producción | |
---|---|
Neutrones | |
Energía | 2,45 MeV |
Masa | 940 MeV |
Carga eléctrica | 0 C |
Girar | 1/2 |
Fuente de neutrones
Se ha demostrado que el fusor es una fuente de neutrones viable . Los fusores típicos no pueden alcanzar flujos tan altos como los reactores nucleares o las fuentes de aceleradores de partículas , pero son suficientes para muchos usos. Es importante destacar que el generador de neutrones se coloca fácilmente en una mesa y se puede apagar con solo presionar un interruptor. Un fusor comercial se desarrolló como un negocio secundario dentro de DaimlerChrysler Aerospace - Space Infrastructure, Bremen entre 1996 y principios de 2001. [9] Una vez finalizado el proyecto, el ex director del proyecto estableció una empresa que se llama NSD-Fusion. [12] Hasta la fecha, el flujo de neutrones más alto logrado por un dispositivo similar a un fusor ha sido de 3 × 10 11 neutrones por segundo con la reacción de fusión deuterio-deuterio. [10]
Isótopos médicos
Las nuevas empresas comerciales han utilizado los flujos de neutrones generados por los fusores para generar Mo-99 , un isótopo utilizado para la atención médica. [10] [11]
Patentes
- Bennett, WH, Patente de EE.UU. 3.120.475 , febrero de 1964. (Energía termonuclear).
- P. T. Farnsworth, Patente de EE.UU. 3.258.402 , junio de 1966 (Descarga eléctrica - Interacción nuclear).
- P. T. Farnsworth, Patente de Estados Unidos 3.386.883 . Junio de 1968 (Método y aparato).
- Hirsch, Robert, Patente de Estados Unidos 3.530.036 . Septiembre de 1970 (Aparato).
- Hirsch, Robert, Patente de Estados Unidos 3.530.497 . Septiembre de 1970 (Aparato generador - Hirsch / Meeks).
- Hirsch, Robert, Patente de Estados Unidos 3.533.910 . Octubre de 1970 (fuente de iones de litio).
- Hirsch, Robert, Patente de Estados Unidos 3.655.508 . Abril de 1972 (Reducir la fuga de plasma).
- P. T. Farnsworth, Patente de Estados Unidos 3.664.920 . Mayo de 1972 (Contención electrostática).
- R. W. Bussard, "Método y aparato para controlar partículas cargadas", Patente de Estados Unidos 4.826.646 , mayo de 1989 (Método y aparato - Campos de rejilla magnética).
- R. W. Bussard, "Método y aparato para crear y controlar reacciones de fusión nuclear", Patente de Estados Unidos 5.160.695 , noviembre de 1992 (Método y aparato - Ondas acústicas de iones).
Ver también
- Barrera de culombio
- Helio-3 - posible combustible
- Lista de ejemplos de Fusor
- Lista de artículos sobre plasma (física)
- Polywell
Referencias
- ^ "Biografía de Philo Taylor Farnsworth" . Colecciones especiales de la biblioteca Marriott de la Universidad de Utah. Archivado desde el original el 21 de octubre de 2013 . Consultado el 5 de julio de 2007 .
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Otras lecturas
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- Robert L. Hirsch, "Confinamiento inercial-electrostático de gases de fusión ionizados", Journal of Applied Physics , v. 38, no. 7 de octubre de 1967
- Irving Langmuir , Katharine B. Blodgett , "Corrientes limitadas por la carga espacial entre esferas concéntricas" Physical Review , vol. 24, núm. 1, págs. 49–59, 1924
- RA Anderl, JK Hartwell, JH Nadler, JM DeMora, RA Stubbers y GH Miley, Desarrollo de una fuente de neutrones IEC para ECM , 16º Simposio sobre Ingeniería de Fusión, eds. GH Miley y CM Elliott, IEEE Conf. Proc. 95CH35852, IEEE Piscataway, Nueva Jersey, 1482-1485 (1996).
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- Caracterización de la reactividad de fusión de un foco iónico esféricamente convergente, TA Thorson, RD Durst, RJ Fonck, AC Sontag, Nuclear Fusion, vol. 38, núm. 4. pág. 495, abril de 1998. ( resumen )
- Mediciones de convergencia, potencial electrostático y densidad en un foco iónico esféricamente convergente, TA Thorson, RD Durst, RJ Fonck y LP Wainwright, Phys. Plasma , 4: 1, enero de 1997.
- RW Bussard y LW Jameson, "Espectro de propulsión electrostática inercial: respiración de aire a vuelo interestelar", Journal of Propulsion and Power , v 11, no 2. Los autores describen la reacción protón-boro 11 y su aplicación al confinamiento electrostático iónico.
- RW Bussard y LW Jameson, "Fusion as Electric Propulsion", Journal of Propulsion and Power, v 6, no 5, septiembre-octubre de 1990
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- Todd H. Rider, "Limitaciones fundamentales de los sistemas de fusión de plasma que no están en equilibrio termodinámico" Física de los plasmas , abril de 1997, volumen 4, número 4, págs. 1039-1046.
- ¿Podrían usarse los combustibles de fusión avanzados con la tecnología actual ?; JF Santarius, GL Kulcinski, LA El-Guebaly, HY Khater, enero de 1998 [presentado en la reunión anual de Fusion Power Associates, 27-29 de agosto de 1997, Aspen CO; Revista de Fusion Energy , vol. 17, núm. 1, 1998, pág. 33].
- RW Bussard y LW Jameson, "From SSTO to Saturn's Moons, Superperformance Fusion Propulsion for Practical Spaceflight", 30ª Conferencia conjunta de propulsión AIAA / ASME / SAE / ASEE, 27-29 de junio de 1994, AIAA-94-3269
- Vídeo de presentación de Robert W. Bussard para los empleados de Google - Google TechTalks, 9 de noviembre de 2006.
- "The Advent of Clean Nuclear Fusion: Super-performance Space Power and Propulsion" , Robert W. Bussard, Ph.D., 57º Congreso Astronáutico Internacional, 2 a 6 de octubre de 2006.
enlaces externos
- David, Schneider, "¿ Fusión de la televisión? ". American Scientist , julio-agosto
- Página de inicio de IEC de la Universidad de Wisconsin-Madison
- RTFTechnologies.org IEC Fusion Reactor Información detallada sobre la construcción del reactor IEC
- Neutrones a la venta - artículo de New Scientist
- Los experimentos de fusión muestran el lado más suave de la energía nuclear : artículo cableado
- Varias patentes y artículos relacionados con Fusion, IEC, ICC y Plasma Physics
- Cómo un pequeño sistema de vacío y un poco de tejido de cestas le proporcionarán una fuente de neutrones de confinamiento inercial-electrostático que funcione
- Descripción de la versión de boro "aneutrónica" de Bussard
- Fusor.net Foro para los constructores aficionados Fusor
- NSD-Fusion
- North West Nuclear Consortium enseña fusores a estudiantes de secundaria
- El Farnsworth Fusor en las Farnsworth Chronicles (farnovision.com)
- Cómo hacerlo: Hacer un Fusor en 60 minutos