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La fusión de iones pesados es un concepto de energía de fusión que utiliza una corriente de iones de alta energía de un acelerador de partículas para calentar y comprimir rápidamente una pequeña pastilla de combustible de fusión. Es una subclase del enfoque de fusión por confinamiento inercial (ICF) más grande , que reemplaza los sistemas láser más típicos con un acelerador.

Los aceleradores tienen el potencial de ser mucho más eficientes en términos de entregar energía al pellet de combustible; Los "controladores" típicos basados ​​en láser tienen una eficiencia general del orden del 1%, mientras que los sistemas de iones pesados ​​apuntan al 30% o más. Además, pueden producir pulsos de energía muchas veces por segundo, mientras que los sistemas láser de alta energía existentes requieren largos períodos de enfriamiento entre "disparos". Estas ventajas serían útiles en un entorno comercial, ya que reducirían enormemente el costo de operación y, en cierta medida, el costo de construir la planta en comparación con un sistema láser.

El concepto básico se había sugerido en ocasiones antes de 1970, utilizando electrones o protones. Los límites fundamentales en el enfoque del haz usando electrones y las distancias de detención de los protones llevaron al concepto de usar iones pesados, cuya mayor masa les permite permanecer más enfocados y detenerse más rápidamente. Una importante reunión en 1976 condujo a la rápida adopción del concepto a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980. A fines de la década de 1970, la fusión de iones pesados ​​(HIF) se describió como "el enfoque conservador" para un reactor de fusión en funcionamiento. El trabajo adicional culminó con el diseño HYLIFE-II, preparado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) a principios de la década de 1990.

Desde entonces, a pesar del continuo interés, no se ha construido ningún dispositivo experimental a gran escala que utilice este enfoque. Tiene la desventaja de que los aceleradores con las energías requeridas solo se pueden construir en un tamaño grande, del orden de kilómetros, lo que dificulta la prueba con sistemas de bajo costo. Por el contrario, incluso los láseres pequeños pueden alcanzar las condiciones deseadas, por lo que siguen siendo el foco del enfoque ICF.

Antecedentes [ editar ]

Conceptos básicos de Fusion [ editar ]

Artículo principal: Fusión nuclear

La fusión tiene lugar cuando los átomos se acercan mucho y la fuerza nuclear los une para formar un único núcleo más grande . Contrarrestando este proceso está la carga positiva de los núcleos, que se repelen entre sí debido a la fuerza electrostática . Para que se produzca la fusión, los núcleos deben tener suficiente energía para superar esta barrera de culombio . La barrera se reduce para los átomos con menos carga positiva, aquellos con menos protones . La fuerza nuclear aumenta con nucleones adicionales, el número total de protones y neutrones . Esto significa que una combinación de deuterio y tritiotiene la barrera de culombio más baja, alrededor de 100 keV (ver requisitos para la fusión ), ya que contienen un solo protón y uno o dos neutrones. [1]

Cuando el combustible se calienta a altas energías, los electrones se separan de los núcleos, dejando iones y electrones individuales mezclados en un plasma similar a un gas . Las partículas de un gas se distribuyen en una amplia gama de energías conocida como distribución de Maxwell-Boltzmann . A cualquier temperatura dada, la mayoría de las partículas tienen energías más bajas, con una " cola larga " que contiene un número menor de partículas a energías mucho más altas. Entonces, mientras que el umbral de 100 keV representa una temperatura de más de mil millones de grados, para producir eventos de fusión, el combustible no tiene que calentarse a esta temperatura en su conjunto; algunas reacciones ocurrirán a temperaturas de volumen más bajas debido al pequeño número de partículas de alta energía en la mezcla. [1]

Las reacciones de fusión emiten grandes cantidades de energía, y parte de esa energía se depositará nuevamente en el combustible, calentándolo. Existe una temperatura crítica a la que la velocidad de las reacciones y, por lo tanto, la energía depositada en el combustible, equilibra las pérdidas al medio ambiente por el escape de partículas y la radiación. En este punto, la reacción se vuelve autosostenida, un punto conocido como ignición . Para el combustible DT, el autocalentamiento es primario a través de partículas alfa y la temperatura correspondiente está entre 50 y 100 millones de grados. La tasa general de fusión depende de la combinación de temperatura, densidad y tiempo de confinamiento de energía, conocido como el producto triple de fusión . [1]

Reactores de fusión [ editar ]

Se han desarrollado dos enfoques principales para el problema de la energía de fusión . El enfoque más estudiado es el confinamiento magnético . Dado que el plasma está cargado eléctricamente, seguirá líneas de fuerza magnéticas y una disposición adecuada de campos puede mantener el combustible alejado de las paredes del recipiente. Luego, el combustible se calienta durante un período prolongado. En las densidades que son posibles usando imanes, el proceso de fusión es bastante lento, por lo que este enfoque requiere largos tiempos de confinamiento del orden de decenas de segundos. Confinar un gas a millones de grados para este tipo de escala de tiempo ha resultado difícil, aunque las máquinas experimentales modernas se están acercando a las condiciones necesarias para la producción neta de energía, o punto de equilibrio . [1]

El segundo enfoque principal es el confinamiento inercial . Los alfas de las reacciones de fusión viajan una distancia que depende de la densidad del combustible. En las densidades bajas de un reactor magnético, a menudo descrito como "un buen vacío", esto puede ser del orden de muchos metros, [a] pero a densidades muy altas esto se reduce enormemente, hasta micrones . El enfoque inercial aprovecha este efecto al comprimir el combustible a una densidad extremadamente alta, momento en el que una pequeña gota de combustible del orden de miligramos será suficiente para permitir la ignición. Además, el colapso hace que la temperatura del combustible aumente a través del proceso adiabático , proporcionando dos de las tres entradas del producto triple. [1]

No hay ningún intento de mantener estas condiciones durante un período de tiempo significativo, el combustible explota hacia afuera poco después de que termina el pulso del conductor, ralentizado solo por la inercia de las partículas. El tiempo de confinamiento es del orden de microsegundos, por lo que las temperaturas y la densidad deben ser muy altas para que cualquier cantidad apreciable de combustible se fusione. Este enfoque ha tenido éxito en producir reacciones de fusión, pero hasta la fecha, los dispositivos que pueden proporcionar la compresión, típicamente láseres , requieren mucha más energía de la que producen las reacciones. [1]

Detalles de ICF [ editar ]

Hay dos efectos separados en el proceso ICF, uno es comprimir el combustible para que los alfa se capturen dentro de él, y el segundo es calentar el combustible a las temperaturas necesarias para que comiencen las reacciones. Para capturar eficientemente los alfa, se desea una densidad de aproximadamente 1000 veces la del agua, [b] que requiere una energía de haz de aproximadamente 10 7 julios por gramo (J / g) de masa objetivo. Por el contrario, calentar el combustible a temperaturas de fusión requiere aproximadamente 10 9 J / g. Por este motivo, se han realizado esfuerzos para calentar el combustible por separado; la solución típica es dar forma a la entrega de energía para crear un breve período de mayor energía, creando una onda de choque que viaja hacia el combustible comprimido. Esto se conoce como "ignición de puntos calientes". [2]

Esquema de las etapas de ICF. Las flechas azules representan al conductor; el naranja es un soplo; el violeta es energía térmica transportada hacia el interior.
  1. Los iones o los rayos X calientan rápidamente la superficie del objetivo, formando una envoltura de plasma circundante.
  2. El combustible se comprime por la explosión en forma de cohete de la superficie y la continua radiación entrante.
  3. Durante la parte final de la implosión, el núcleo alcanza 1000 veces la densidad del agua y se enciende.
  4. La combustión por fusión se propaga rápidamente a través del combustible comprimido, produciendo muchas veces la energía de entrada.

La mayoría de los sistemas ICF hasta la fecha han utilizado láseres como "controladores". En el caso simple en el que el láser se proyecta directamente sobre el objetivo de combustible, conocido como "transmisión directa", el calor creado por el láser hace que la capa exterior de la cápsula de plástico explote hacia afuera. Debido a la Tercera Ley de Newton , esto hace que el interior de la cápsula sea empujado hacia adentro. La transmisión directa impone límites muy fuertes al tiempo de concentración y entrega, y es difícil de lograr. Por esta razón, la mayoría de los dispositivos ICF grandes utilizan el proceso de "accionamiento indirecto", en el que el conductor calienta un cilindro de metal conocido como "hohlraum" tan caliente que comienza a emitir rayos X, que a su vez brillan sobre una cápsula suspendida en su interior. Esto permite que el proceso de calentamiento tenga lugar durante un período más largo y reduce la necesidad de enfocar con tanta fuerza, pero tiene la desventaja de que gran parte de la energía del haz original se usa para calentar el cilindro y no contribuye a la implosión. [3]

Diagrama de Sankey de la energía del láser a los rayos X de hohlraum para el acoplamiento de energía de la cápsula objetivo. Tenga en cuenta que la "energía láser" es después de la conversión a UV , que pierde aproximadamente el 50% de la potencia IR original . La conversión del calor de los rayos X en energía en el combustible pierde otro 90%; de los 1,9 MJ de luz ultravioleta, solo unos 10 kJ terminan en el propio combustible.

Dar un pulso con los niveles de energía y el tiempo requeridos es un desafío importante. Hasta la fecha, los requisitos energéticos se han cumplido normalmente utilizando láseres de vidrio fosfato complejos dopados con neodimio que tienen una eficiencia global de alrededor del 1%. Los sistemas ópticos necesarios para enfocar y controlar el haz eliminan un 50% adicional de la energía y, en el caso del accionamiento indirecto, se pierden cantidades significativas de lo que queda calentando el cilindro de metal. Para la Instalación Nacional de Ignición , el sistema ICF más grande y poderoso hasta la fecha, solo alrededor de 10 a 14 kJ de los 4 MJ originales de la energía láser original alcanzan el objetivo, [4] que requirió 422 MJ de energía eléctrica para generar.

Para que las reacciones de fusión produzcan suficiente energía para igualar la energía original del láser, tendrá que producir al menos 4 MJ y, por razones prácticas, al menos tres veces eso, lo que implica la relación entre la energía del láser de entrada y la fusión de salida. la energía, [c] o ganancia , tiene que ser del orden de cientos o miles. Hasta la fecha, el récord de NIF es de 54 kJ de fusión de 4 MJ de salida de láser, [5] de 422 MJ de electricidad, por lo que es extremadamente improbable que el enfoque actual pueda usarse para la producción de energía. [6]

Conductores alternativos [ editar ]

En 1963, Friedwardt Winterberg introdujo el concepto de encender la fusión utilizando pequeños grupos de partículas que se han acelerado a unos 200 km / s, un concepto que ahora se conoce como fusión por impacto de racimo . Este concepto no es similar al ICF moderno, ya que las partículas aceleradas están destinadas a someterse a fusión directamente y no se utilizan únicamente como controlador como en el concepto ICF. La publicación de varios artículos relacionados con ICF a finales de la década de 1960 llevó a Winterberg a publicar un artículo de 1968 que describe el uso de electrones o iones acelerados en lugar de los sistemas láser en una disposición ICF. [7]

Al Maschke, que trabaja en el Laboratorio Nacional de Brookhaven 's gradiente alterno de Sincrotrón (AGS), sugirió el uso de un sincrotrón de protones, como el AGS, como base para un conductor ICF. Esto podría proporcionar la energía deseada con actualizaciones relativamente menores. Sin embargo, estudios posteriores demostraron un problema con este enfoque; el haz divergiría excesivamente debido a la repulsión de cargas similares y sería difícil obtener la intensidad necesaria para ICF. [d] Además, los protones se detendrían dentro del objetivo de combustible a diferentes profundidades, lo que dificultaría el control de la dinámica de la implosión. [3] [8]Ambos problemas llevaron a Maschke a sugerir, alrededor de 1975, el cambio de protones a iones más pesados, como cesio, xenón, mercurio o plomo. [9] [8] A principios de 1976, Dennis Keefe propuso que el acelerador de inducción lineal funcionaría para este propósito. [10]

Un evento significativo en la historia de HIF fue una reunión de dos semanas en julio de 1976 en el Hotel Claremont en Berkeley, California, donde las ideas de Maschke fueron estudiadas por alrededor de cincuenta participantes de todos los principales laboratorios y universidades de aceleración de partículas y fusión. Su informe sobre la reunión demostró que no había problemas de alerta y que el potencial de ese concepto sugería un estudio más detallado. [11] Esto resultó en varios estudios de seguimiento, en Brookhaven en 1977, Argonne en 1978 y Oakland en 1979, [3] [e] todos con resultados prometedores similares. En una revisión de mayo de 1979 de todo el campo ICF, John S. Foster Jr. concluyó que HIF era la mejor apuesta para un reactor de fusión ICF "si se deseaba adoptar un enfoque conservador".[12]

Después de más discusiones, en 1983 finalmente se convenció al Departamento de Energía de que proporcionara algunos fondos para formar una organización oficial para administrar estos esfuerzos, el programa de investigación del acelerador de fusión de iones pesados, o HIFAR. Durante la siguiente década, el grupo HIFAR en Lawrence Berkeley, junto con grupos similares en Lawrence Livermore y en otros lugares, continuaron estudiando el concepto básico. Los estudios continuaron durante la próxima década, lo que resultó en dos diseños completos de plantas de energía propuestos, HYLIFE e HYLIFE-II. [13]

Otra mirada [ editar ]

Durante este mismo período, el enfoque clásico basado en láser para ICF sufrió una serie de reveses significativos. Gran parte del rendimiento previsto de estos diseños se basó en simulaciones por computadora utilizando programas como LASNEX . Las primeras simulaciones sugirieron que se podría esperar cierta ganancia de fusión incluso con energías de haz relativamente bajas del orden de 10 kJ, pero cuando esta predicción se probó en el sistema Shiva , una serie de problemas imprevistos redujeron drásticamente el rendimiento en un factor de aproximadamente 10,000. Las actualizaciones de LASNEX sugirieron que un sistema más grande con varios cientos de kJ de potencia lo haría, pero el sistema Nova resultante construido a esta escala demostró en cambio otro conjunto de problemas importantes y una vez más no logró cumplir con las predicciones. [14]

Los experimentos que utilizaron armas nucleares como impulsor en lugar del láser, parte de Halite / Centurion , sugirieron que se requerían energías dramáticamente más altas, tal vez hasta 100 MJ, mucho más allá de las capacidades de cualquier sistema láser. Incluso en el mejor de los casos, con varios avances en la configuración del objetivo y la sincronización del pulso de energía, se necesitarían al menos 2 MJ. [14] Esto requeriría alrededor de 200 MJ de electricidad para alimentar los láseres, por lo que se necesitarían ganancias de fusión del orden de Q = 100 para que la energía se equilibre, incluso ignorando todos los mecanismos de pérdida. [15]

Esta serie de eventos generó un renovado interés en HIF. Debido a que la eficiencia del controlador fue mucho mayor, la ganancia requerida fue correspondientemente menor, del orden de Q = 10. Una ganancia más baja significaba una dinámica de implosión mucho menos exigente, así como explosiones menos potentes que podrían estar contenidas en un dispositivo más pequeño. Desde finales de la década de 1990, los laboratorios de todo el mundo siguen generando un flujo bastante continuo de artículos sobre el tema, y ​​se han llevado a cabo algunos experimentos a pequeña escala con aceleradores adecuados. [16] [17]

Estado actual [ editar ]

Un problema práctico del enfoque HIF es el hecho de que para entregar la energía y el tiempo correctos, el acelerador debe ser grande. Uno desearía que la mayoría de los iones se detuvieran aproximadamente en la misma ubicación en el objetivo para producir un efecto simétrico. Para hacer esto, la energía de los iones debe ser bastante precisa. En el caso de un tipo de iones de uso común, el plomo, esa energía es de aproximadamente 8 GeV para que los iones se detengan a una distancia promedio de 1 mm y, al mismo tiempo, entreguen suficiente energía al objetivo. Un acelerador capaz de dar iones de plomo a este nivel de energía no es ni pequeño ni económico, incluso para un número reducido de iones, lo que dificulta su producción en un dispositivo a pequeña escala.

Por el contrario, los láseres con el rendimiento requerido se pueden construir prácticamente a cualquier escala. [15] Ésta es la razón principal por la que HIF no ha experimentado desarrollo; la máquina más pequeña posible sigue siendo bastante grande y cara. Para fines de desarrollo, los láseres serían más simples y menos costosos y, en última instancia, funcionarían de manera similar en términos de física de implosión. Dicho esto, a medida que el programa láser ICF continuó, ha demostrado que se requieren conductores cada vez más grandes, culminando con el NIF que, con unos 4.000 millones de dólares y el tamaño de dos campos de fútbol, ​​no es ni pequeño ni económico. [F]

En 2003, el DOE decidió centrar todos sus esfuerzos de ICF en el programa NIF ya que muchos proyectos posteriores al NIF se basarían en sus resultados. Los planes para varios conceptos de prueba más pequeños para el programa HIF terminaron en gran medida en ese momento. [15] El fracaso de NIF para lograr la ignición, a partir de 2021 , arroja dudas sobre el enfoque de HIF también.

Descripción [ editar ]

Física objetivo [ editar ]

La energía necesaria para comprimir un objetivo de ICF a la densidad requerida es de aproximadamente 10 7 J / g, por lo que para pequeñas cantidades de combustible del orden de 1 mg, el requerimiento de energía es de aproximadamente 10 kJ. Sin embargo, se requiere energía adicional para calentar el combustible a temperaturas de fusión, la compresión sola no será suficiente hasta aproximadamente 10 9 J / g. Esto conduce a una variedad de mecanismos para reducir este requisito a aproximadamente 10 8 J / g, [g] [18] y, por lo tanto, aproximadamente 100 kJ en total para 1 mg de combustible. Una variedad de mecanismos de pérdida durante la compresión pierde alrededor del 90% de esa energía y, por lo tanto, los controladores deben ser del orden de 1 MJ. [8] [h]

En la década de 1970, cuando se consideró el concepto por primera vez, los aceleradores más potentes, que generalmente usaban electrones o protones, aceleraban pequeñas cantidades de partículas a altas energías. Aquellos que podían alcanzar 1 MJ generalmente lo hacían con protones con energías alrededor de 20 GeV. Estas partículas altamente relativistas atraviesan objetos pequeños sin disminuir su velocidad, lo que las hace inadecuadas para ICF. Idealmente, un conductor querría usar un número mucho mayor de partículas de menor energía que se detendrían más rápidamente. A energías no relativistas, menos de 20 MeV, tienen una probabilidad razonable de detenerse en un objeto pequeño. A estas energías, la cantidad de partículas, o "luminosidad", requerida para entregar la energía necesaria está mucho más allá de cualquier tecnología existente. [8]

Moverse a partículas más pesadas tiene alguna ventaja en términos de reducción de velocidad, ya que energía = 1/2mv 2 , pero la masa es lineal con la energía mientras que la velocidad es un cuadrado, por lo que la reducción de la velocidad no es grande. La ventaja clave es la forma en que las partículas se ralentizan dentro de un objetivo. A medida que pasan los átomos en el objetivo, su carga eléctrica ioniza los átomos objetivo, y son estas interacciones las que ralentizan la partícula en un proceso de dispersión conocido como colisión de Coulomb.. Un efecto curioso en la colisión de Coulomb es el pico de Bragg, causado por la desaceleración del ion cerca del final de su trayectoria. Este efecto significa que cuando se disparan iones en una sustancia, la mayoría de ellos se depositarán a una distancia bien definida. Para cualquier distancia de parada seleccionada y energía de partícula elegida, un ión pesado se detendrá en aproximadamente tres órdenes de magnitud más cortas que un protón, lo que hace que el sistema sea mucho más fácil de organizar. [8] [19]

Diseño de destino [ editar ]

Como es el caso del ICF impulsado por láser, el HIF se puede construir utilizando los conceptos de accionamiento directo o indirecto, [19] y las razones principales para usar uno u otro son las mismas; La transmisión directa requiere una precisión de haz mucho mayor del conductor, pero entrega aproximadamente el 15% de la energía del conductor al combustible, mientras que la transmisión indirecta es menos crítica para la ubicación y sincronización del haz y entrega solo alrededor del 5% de la energía al objetivo. [18]

En el caso de la transmisión indirecta, el sistema es casi idéntico al de los sistemas impulsados ​​por láser, las diferencias se encuentran principalmente en el diseño hohlraum. En los dispositivos láser, los hohlraum tienen forma de cilindros abiertos y los rayos láser brillan a través de los extremos y las paredes internas. En el caso de un controlador de iones, la distancia de frenado llevaría a que los rayos X fueran capturados dentro de las paredes del hohlraum. En cambio, el hohlraum tiene la forma de una capa delgada, típicamente un ovoide, con pequeñas placas de metal suspendidas en su interior. La pared del hohlraum es lo suficientemente delgada como para ser invisible para los rayos, que en su lugar golpean las placas más gruesas, calentándose hasta que comienzan a emitir rayos X que llenan el caparazón. Luego, los rayos X hacen que la cápsula de combustible colapse exactamente de la misma manera que la carcasa del láser. Sin embargo, hay una ventaja para el controlador HIF en este caso,ya que puede oscilar rápidamente a altas frecuencias, lo que permite que los haces se muevan dentro del hohlraum para nivelar el calentamiento. La formación de puntos calientes en las paredes del hohlraum ha demostrado ser un problema en los dispositivos láser, que esto podría evitar.[19]

Debido a que la distancia de detención de los iones es del orden de 1 mm, los objetivos para HIF de transmisión directa son generalmente más grandes y mucho más gruesos que los de los sistemas láser. Un diseño típico es de unos 4 mm de radio, con una capa exterior de plomo u oro, un empujador de metal más ligero como el aluminio y luego una fina capa de combustible DT congelado en la capa interior del aluminio. El núcleo interior, de unos 2,8 mm, está vacío. Tal diseño, con mayor densidad en el exterior y más ligero en el interior, es una fórmula para la inestabilidad de Rayleigh-Taylor (RT), por lo que los objetivos y la iluminación deben ser extremadamente uniformes. Las consideraciones de iluminación sugieren que se requieren de 16 a 32 haces. Algunos diseños de cápsulas agregan una fina capa de espuma para amortiguar la compresión y reducir la RT. [20]

Un problema importante en los primeros sistemas ICF era que los pulsos de láser eran aproximadamente uniformes en el tiempo. Se descubrió que esta energía depositada más rápidamente de lo que podría ser absorbida por la cápsula, lo que provocó que el combustible se calentara en lugar de simplemente empujarlo. Esto llevó al concepto moderno del "pie", un período inicial de energía mucho más baja que comienza el proceso del controlador mientras se evita el precalentamiento, y luego el "pulso principal" que sigue cerca del final del proceso que impulsa el alto final. -Etapa de compresión. Debido a la masa de la capa empujadora, todo el proceso es más lento que en los sistemas láser, y el pulso en su conjunto dura alrededor de 35 ns, en comparación con quizás 1 ⁄ 3 que para los pulsos láser. [20]

Diseños de controladores [ editar ]

Animación que muestra cómo funciona un acelerador de RF. El gráfico V (x) muestra el potencial eléctrico a lo largo del eje del acelerador en cada momento. La polaridad del voltaje de RF se invierte a medida que el ion pasa a través de cada electrodo, de modo que el campo eléctrico (flechas) tiene la dirección correcta para acelerarlo. La animación muestra una sola partícula que se acelera en cada ciclo; en HIF se inyecta y acelera una gran cantidad de partículas en cada ciclo.

Hay dos conceptos de diseño principales para los sistemas de conducción, con los equipos estadounidenses concentrados en aceleradores de inducción y los equipos europeos y japoneses en aceleradores de radiofrecuencia. [21]

Los aceleradores de RF consisten en una tubería con huecos periódicos, cada uno de ellos encerrado en una cavidad resonante. Cuando se aplica una señal de radiofrecuencia a través del espacio, cada una comienza a resonar en una frecuencia elegida. Esto produce una fuerza eléctrica a través del espacio que acelera los iones a lo largo de la tubería. La señal se cronometra para que alcance un pico a medida que pasa un grupo de iones. Esto significa que solo puede acelerar pulsos cortos de iones y, por lo tanto, requiere alguna forma de volver a combinar los pulsos. [21]

Los aceleradores de inducción consisten en una serie de solenoides espaciados a lo largo de la línea de luz. Cada uno se alimenta a medida que los iones lo pasan, lo que los acelera. Esto tiene la ventaja de permitir que los aceleradores se envuelvan alrededor de múltiples líneas de luz, acelerándolas todas al mismo tiempo. [21]

En cualquier caso, la necesidad de una potencia de haz muy grande en pulsos muy cortos, junto con la necesidad de enfocar esos haces hasta aproximadamente 3 mm, exige una serie de nuevos factores de diseño. [21] Para cumplir con el requisito de enfoque, la fuente de iones inicial debe tener una emitancia muy baja , la dispersión de los iones en el espacio y la velocidad. Esta es esencialmente una medida de su movimiento aleatorio cuando se crea, que es una función de su temperatura. Para proporcionar la emitancia deseada, se deben desarrollar nuevos inyectores de baja temperatura. [21]

La carga eléctrica positiva del ion los aleja unos de otros con el tiempo, lo que lleva al concepto del límite de carga espacial , el número máximo de iones en un volumen dado que pueden permanecer enfocados. Este valor está muy por debajo de los requisitos para producir un pulso que comprima el objetivo. Los diseños estadounidenses abordan este problema al tener una gran cantidad de líneas de rayos paralelas que se combinan justo cuando se acercan a la cámara objetivo. Los diseños europeos favorecen el uso de anillos de almacenamiento para este papel. En ambos casos, un pulso inicial largo de iones se reduce en longitud para producir un pulso cada vez más corto. Por ejemplo, en un diseño de EE. UU., El pulso inicial tiene una duración de 27 µs y se somete a una compresión repetida hasta que solo alcanza los 10 ns. [21]

En cualquier versión, los diseños resultantes son muy largos. Las ilustraciones de EE. UU. Generalmente utilizan una línea de luz doblada que tiene forma de U, con una longitud total del orden de 1 kilómetro (0,62 millas). [22] Ésta es la principal desventaja del enfoque HIF; aunque es posible construir un acelerador con menos corriente de haz para propósitos de prueba, los iones individuales aún requieren la misma energía y, por lo tanto, el acelerador tendrá un tamaño similar al de una versión de mayor corriente para un reactor de producción.

Ventajas sobre los láseres [ editar ]

Existen importantes ventajas prácticas en el uso de iones sobre láseres. Para empezar, los láseres que pueden alcanzar los niveles de energía deseados son extremadamente ineficientes, del orden del 1% de la electricidad que se les suministra termina como fotones en el haz. Por el contrario, los controladores HIF ponen quizás del 30 al 40% de la energía de entrada en el haz. [19] Esto facilita significativamente el cumplimiento requerido de los objetivos si el objetivo es producir una producción neta de energía; un láser de 4 MJ requiere aproximadamente 400 MJ de energía eléctrica, y considerando un ciclo Rankine modernoEl generador tiene una eficiencia de aproximadamente un 40%, la salida de la cápsula debe ser de al menos aproximadamente 1 GJ para recargar el láser. En contraste, la misma energía de haz de 4 MJ podría ser producida por un controlador HIF de 10 MJ, requiriendo alrededor de 40 MJ de salida de fusión, un objetivo dramáticamente más simple. Teniendo en cuenta las pérdidas adicionales en el proceso, los dispositivos HIF generalmente tienen como objetivo una ganancia del orden de 50 a 70. [19]

Otra ventaja significativa del diseño HIF es su capacidad para disparar rápidamente en sucesión. Los sistemas de vidrio utilizados en los láseres se calientan con el paso del rayo, lo que hace que se hinchen y se desenfoquen, lo que requiere un tiempo para enfriarse antes de que puedan volver a utilizarse. En la práctica, esto limita los dispositivos como NIF a quizás unos pocos "disparos" al día, y aunque esto se puede aumentar mediante el uso de sistemas de enfriamiento avanzados, estos pueden reducir los tiempos de disparo a minutos o quizás a decenas de segundos. Por el contrario, los HIF no tienen componentes de control de haz o enfoque en línea, todo eso es manejado por imanes que rodean las líneas de haz. Esto les permite disparar continuamente, y parecen posibles velocidades de 10 a 15 disparos por segundo. [19]Esta es una enorme ventaja en el caso de una planta operativa donde el tiempo de disparo debe ser lo suficientemente rápido para que la salida parezca relativamente continua. [19]

La capacidad de controlar el rayo eléctricamente ofrece importantes ventajas operativas. La dirección del haz a pequeña escala, o "oscilación", es útil durante el pulso para suavizar la energía. En un marco de tiempo más largo, el movimiento continuo del dispositivo debido a la caída y los eventos sísmicos debe tenerse en cuenta a lo largo de las largas distancias de viaje de los haces. En un sistema láser, esto requiere un esfuerzo de recalibración prolongado, mientras que esto se puede realizar fácilmente, y quizás de forma continua, en el caso de HIF mediante cambios menores de los campos en los imanes de dirección finales. Esto también se puede utilizar para dirigir los haces entre cámaras de reacción completamente diferentes, lo que ofrece operaciones de conmutación por error y la capacidad de disparar en diferentes cámaras en sucesión si la frecuencia de pulso deseada es más rápida que la que se puede limpiar cualquier cámara. [23]

Finalmente, la óptica final donde el láser ingresa a la cámara de reacción está sujeta a la salida directa de los eventos de fusión, incluidos neutrones de alta energía y varias otras partículas y radiación. Esto conduce a la erosión constante de las ventanas, lo que puede causar problemas importantes con la luz de alta energía. Esto ha surgido como un problema importante en los dispositivos ICF impulsados ​​por láser. [8] La capacidad de HIF de ser fácilmente dirigida ofrece una serie de soluciones simples a estos problemas, permitiendo aislar las líneas de luz de las reacciones utilizando persianas mecánicas giratorias u otros conceptos. [24]

Economía [ editar ]

Se publicaron varios estudios de diseño durante la década de 1990 y hasta la década de 2000, con la ayuda de simulaciones cada vez mejores del proceso ICF, así como mejoras continuas en el diseño de aceleradores. Un punto culminante fue la publicación en octubre de 1990 del estudio de diseño HYLIFE-II para una planta de energía HIF que usa flibe fundido para proteger las paredes de la cámara de reacción y también cría tritio como combustible. El diseño de base de 1 GWe dio como resultado un costo nivelado esperado de la electricidad (LCOE) de 9 centavos / kWh en dólares de 1988, o equivalente a $ 0.19 en 2019. [25] Esta no era una cifra competitiva incluso en ese momento, [i]y el sistema solo se volvió competitivo cuando el reactor aumentó a un tamaño muy grande de 2 GWe, lo que limitaría significativamente su aplicabilidad comercial. [25] El documento concluye:

Para ser competitivo con la futura energía nuclear de carbón y LWR, el costo de la electricidad debe reducirse en un factor de 2. [27]

Una revisión más moderna llega a la misma conclusión:

Finalmente, la investigación dirigida a la reducción de costos es de vital importancia. [28]

Notas [ editar ]

  1. ^ Aunque como los alfa también están cargados eléctricamente, en las máquinas magnéticas, son capturados dentro del reactor el tiempo suficiente para que sufran colisiones incluso con una trayectoria libre media muy larga.
  2. ^ O 100 veces plomo.
  3. ^ Tenga en cuenta que el estándar en ICF es medir la energía de la salida del láser, no la electricidad de entrada, por lo que se requiere otro factor de 100 de extremo a extremo.
  4. ^ El problema era mucho peor con los electrones, hasta el punto de imposibilidad.
  5. ^ Las reuniones han continuado cada dos años hasta 2016.
  6. ^ Una revisión utilizó notación científica al describir el precio de NIF [6] para "evitar quedarse sin ceros".
  7. ^ O 4.5 x 10 7 para ser exactos.
  8. ^ Aunque, a partir de 2021, el NIF de 4 MJ no ha logrado acercarse al encendido, por lo que es posible que se requieran más.
  9. ^ El documento de diseño pone esto al doble del costo de las fuentes contemporáneas, luego establece esos precios como 4 centavos para el carbón y 5 para los reactores de agua ligera. [26]

Referencias [ editar ]

Citas [ editar ]

  1. ^ a b c d e f WNA 2021 .
  2. ^ Betti, R. "Introducción a la fusión por confinamiento inercial" (PDF) .
  3. ↑ a b c Hofmann, 2018 .
  4. ^ Huracán, OA (mayo de 2014). "La campaña de implosión de pies altos en la Instalación Nacional de Ignición". Física de Plasmas . 21 (5): 056314. Código Bibliográfico : 2014PhPl ... 21e6314H . doi : 10.1063 / 1.4874330 . OSTI 1134429 . 
  5. ^ Obispo, Breanna (13 de junio de 2018). "NIF logra un rendimiento récord de doble fusión" . Noticias LLNL .
  6. ↑ a b Bangerter, Faltens y Seidl , 2013 , p. 85.
  7. ^ Winterberg, Friedwardt (5 de octubre de 1968). "La posibilidad de producir un plasma termonuclear denso por una descarga de emisión de campo intenso". Revisión física . 174 (1): 212–220. Código Bibliográfico : 1968PhRv..174..212W . doi : 10.1103 / PhysRev.174.212 .
  8. ↑ a b c d e f Bangerter, Faltens & Seidl 2013 , p. 87.
  9. ^ Yarris 1992 , p. 27.
  10. ↑ Martin , 1996 , p. 21.
  11. ^ Yarris 1992 , p. 25.
  12. ^ Burke 2010 , p. 59.
  13. ^ Yarris 1992 .
  14. ↑ a b Seife, 2008 .
  15. ↑ a b c Bangerter, Faltens & Seidl 2013 , p. 86.
  16. ^ Yarris 1992 , p. 28.
  17. ^ Bangerter, Faltens y Seidl 2013 .
  18. ↑ a b Bangerter, Faltens y Seidl , 2013 , p. 90.
  19. ↑ a b c d e f g Kawata, Karino y Ogoyski 2016 , p. 1.
  20. ↑ a b Kawata, Karino y Ogoyski , 2016 , p. 2.
  21. ^ a b c d e f Tutorial 2001 , p. Tipos.
  22. ^ Tutorial 2001 , p. Enfoques.
  23. ^ Kawata, Karino y Ogoyski 2016 , p. 4.
  24. ^ Kawata, Karino y Ogoyski 2016 , p. 3.
  25. ↑ a b Moir , 1990 , p. 1.
  26. ^ Moir 1990 , p. 13.
  27. ^ Moir 1990 , p. 15.
  28. ^ Bangerter, Faltens y Seidl 2013 , p. 113.

Bibliografía [ editar ]

  • "Energía de fusión nuclear" . Asociación Nuclear Mundial . Febrero de 2021.
  • Bangerter, RO; Faltens, A .; Seidl, Peter (2013). "Aceleradores para la producción de energía de fusión inercial". Reseñas de ciencia y tecnología de aceleradores . 6 : 85-116. doi : 10.1142 / S1793626813300053 .
  • Yarris, Lynn (verano de 1992). "Transmitiendo en Fusion" . Revisión de la investigación de LBL . 17 (2): 24–31.
  • Seife, Charles (2008). Sol en una botella: la extraña historia de la fusión y la ciencia de la ilusión . Pingüino. ISBN 978-1-101-07899-0.
  • Martin, Ronald (1996). "Al Maschke y fusión de iones pesados". Ingeniería y Diseño de Fusión . 32–33: 21–24. doi : 10.1016 / s0920-3796 (96) 00447-4 .
  • Burke, Robert (1 de junio de 2010). "Energía de fusión práctica, a corto plazo" . Física hoy . Vol. 63 no. 6. págs. 59–60. doi : 10.1063 / 1.3455259 .
  • Kawata, S .; Karino, T .; Ogoyski, AI (marzo de 2016). "Revisión de la física de fusión inercial de iones pesados" (PDF) . Materia y radiación en los extremos . 1 (2): 89-113. arXiv : 1511.06508 . doi : 10.1016 / j.mre.2016.03.003 . S2CID  118412442 .
  • Moir, Ralph (4 de octubre de 1990). Diseño del Reactor de Fusión de Confinamiento Inercial HYLIFE-II (Informe técnico). Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
  • Rothenberg, Marian (1 de febrero de 1978). "Llama la atención la fusión de pellets con haces de iones pesados" . Física hoy . 31 (2): 17, 19-20. Código bibliográfico : 1978PhT .... 31b..17R . doi : 10.1063 / 1.2994914 .
  • Hofmann, Ingo (enero de 2018). "Revisión de la fusión nuclear de iones pesados ​​impulsada por acelerador" . Materia y radiación en los extremos . 1 (3): 1–11. doi : 10.1016 / j.mre.2017.12.001 .
  • "Tutorial sobre energía de fusión de iones pesados" . Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Junio ​​de 2001. Archivado desde el original el 26 de agosto de 2015.
  • Bangerter, RO; Herrmannsfeldt, WB; Judd, DL; Smith, L., eds. (1976). Estudio de verano de ERDA sobre iones pesados ​​para fusión inercial (PDF) (Informe técnico). Laboratorio Lawrence Berkeley.
  • Goldhaber, Judith (primavera de 1980). "La Opción Fusion" . Revista LBL News . Vol. 5 no. 1.