Magnetized Target Fusion ( MTF ) es un concepto de energía de fusión que combina características de fusión por confinamiento magnético (MCF) y fusión por confinamiento inercial (ICF). Al igual que el enfoque magnético, el combustible de fusión está confinado a una densidad más baja por campos magnéticos mientras se calienta en un plasma . Al igual que con el enfoque inercial, la fusión se inicia presionando rápidamente el objetivo para aumentar en gran medida la densidad y la temperatura del combustible. Aunque la densidad resultante es mucho más baja que en ICF, se cree que la combinación de tiempos de confinamiento más largos y una mejor retención de calor permitirá que MTF funcione, pero será más fácil de construir. El término fusión magneto-inercial(FOMIN) es similar, pero abarca una variedad más amplia de arreglos. Los dos términos a menudo se aplican indistintamente a los experimentos.
Conceptos de fusión
En la fusión, los átomos más ligeros se fusionan para formar átomos más pesados. Los combustibles más fáciles de utilizar son los isótopos de hidrógeno . [1] Generalmente, estas reacciones tienen lugar dentro de un plasma. Un plasma es un gas calentado, donde se han eliminado todos los electrones ; el gas se ha ionizado completamente . Los iones están cargados positivamente, por lo que se repelen entre sí debido a la fuerza electrostática . La fusión ocurre cuando dos iones chocan a alta energía, lo que permite que la fuerza fuerte supere la fuerza electrostática a una corta distancia. La cantidad de energía que debe aplicarse para obligar a los núcleos a unirse se denomina barrera de Coulomb o energía de barrera de fusión . Para que se produzca la fusión en el plasma a granel, debe calentarse a decenas de millones de grados y comprimirse a altas presiones durante un período de tiempo suficiente. En conjunto, esto se denomina el producto triple (véase el criterio de Lawson ). [2] La investigación de fusión se centra en alcanzar el producto triple más alto posible.
La fusión magnética funciona para calentar un plasma diluido (10 14 iones por cm 3 ) a altas temperaturas, alrededor de20 keV (~ 200 millones de C). El aire ambiente es unas 100.000 veces más denso. Para hacer un reactor práctico a estas temperaturas, el combustible debe estar confinado durante largos períodos de tiempo, del orden de 1 segundo. El diseño de ITER tokamak se está construyendo actualmente para probar el enfoque magnético con longitudes de pulso de hasta 20 minutos.
La fusión inercial intenta producir densidades mucho más altas, 10 25 iones por cm cúbico , aproximadamente 100 veces la densidad del plomo . Esto hace que las reacciones ocurran extremadamente rápido (~ 1 nanosegundo). El confinamiento no es necesario; aunque el calor y las partículas creadas por las reacciones harán que el plasma explote hacia afuera, la velocidad a la que esto ocurre es más lenta que las reacciones de fusión.
A partir de 2018[actualizar], ambos métodos de fusión nuclear se están acercando a los niveles de energía neta (Q> 1) después de muchas décadas de investigación, pero siguen estando lejos de ser dispositivos prácticos de producción de energía.
Acercarse
Mientras que MCF e ICF atacan el problema del criterio de Lawson desde diferentes direcciones, MTF intenta trabajar entre los dos. MTF tiene como objetivo una densidad plasmática de10 19 cm −3 , intermedio entre MCF (10 14 cm −3 ) y ICF (10 25 cm −3 ) [3] A esta densidad, los tiempos de confinamiento deben ser del orden de 1 µs, nuevamente intermedios entre los otros dos. MTF utiliza campos magnéticos para ralentizar las pérdidas de plasma y la compresión inercial se utiliza para calentar el plasma. [3]
En términos generales, MTF es un método inercial. La densidad aumenta mediante una operación pulsada que comprime el combustible y calienta el plasma, al igual que la compresión calienta un gas ordinario. En el ICF tradicional, se agrega más energía a través de los láseres que comprimen el objetivo, pero esa energía se escapa a través de múltiples canales. MTF emplea un campo magnético que se crea antes de la compresión que confina y aísla el combustible para que se pierda menos energía. El resultado, en comparación con el ICF, es una masa de combustible algo densa y algo caliente que se fusiona a una velocidad de reacción media, por lo que solo debe estar confinada durante un período de tiempo medio.
A medida que se comprime la pastilla de combustible, aumentan el calor y la presión en el plasma. La tasa de colapso es generalmente lineal, pero la presión se basa en el volumen, que aumenta con el cubo de la compresión. En algún momento, la presión es suficiente para detener y luego revertir el colapso. La masa del revestimiento metálico alrededor del combustible significa que este proceso lleva algún tiempo. El concepto MTF se basa en que este tiempo de permanencia sea lo suficientemente largo para que se produzcan los procesos de fusión. [4]
MTF tiene ventajas sobre ICF y fusión de plasma de baja densidad. Sus entradas de energía son relativamente eficientes y económicas, mientras que ICF exige láseres especializados de alto rendimiento que actualmente ofrecen baja eficiencia. El costo y la complejidad de estos láseres, denominados "impulsores", es tan grande que los métodos ICF tradicionales siguen siendo poco prácticos para la producción de energía comercial. Asimismo, aunque MTF necesita confinamiento magnético para estabilizar y aislar el combustible mientras se comprime, el tiempo de confinamiento necesario es miles de veces menor que para MCF. Los tiempos de confinamiento del orden necesario para MTF se demostraron en experimentos de MCF hace años.
Las densidades, temperaturas y tiempos de confinamiento que necesita MTF están dentro del estado actual de la técnica y se han demostrado repetidamente. [5] El Laboratorio Nacional de Los Alamos se ha referido al concepto como un "camino de bajo costo hacia la fusión".
Dispositivos
FRX-L
En el experimento pionero, el FRX-L del Laboratorio Nacional de Los Alamos , [6] primero se crea un plasma a baja densidad acoplando un transformador a una corriente eléctrica a través de un gas dentro de un tubo de cuarzo (generalmente un gas que no es combustible para propósitos de prueba ). Esto calienta el plasma a aproximadamente200 eV (~ 2,3 millones de grados). Los imanes externos confinan el combustible dentro del tubo. Los plasmas son conductores de electricidad, lo que permite que una corriente los atraviese. Esta corriente genera un campo magnético que interactúa con la corriente. El plasma está dispuesto de modo que los campos y la corriente se estabilicen dentro del plasma una vez que esté configurado, autoconfinando el plasma. FRX-L utiliza la configuración de campo invertido para este propósito. Dado que la temperatura y el tiempo de confinamiento son 100 veces más bajos que en MCF, el confinamiento es relativamente fácil de organizar y no necesita los complejos y costosos imanes superconductores utilizados en la mayoría de los experimentos de MCF modernos.
FRX-L se utiliza únicamente para la creación, prueba y diagnóstico de plasma. [3] Utiliza cuatro de alto voltaje (hastaBancos de condensadores de 100 kV ) que almacenan hasta 1 MJ de energía paraCorriente de 1.5 MA en bobinas de campo magnético de una vuelta que rodean unTubo de cuarzo de 10 cm de diámetro. [6] En su forma actual como generador de plasma, FRX-L ha demostrado densidades entre(2 y 4) × 10 16 cm −3 , temperaturas de100 a 250 eV , campos magnéticos de2,5 T y vida útil de10 a 15 μs . [7] Todos estos están dentro de un orden de magnitud de lo que se necesitaría para una máquina de energía positiva.
Posteriormente, el FRX-L se actualizó para agregar un sistema de "inyector". [8] Está situado alrededor del tubo de cuarzo y consta de una disposición cónica de bobinas magnéticas. Cuando se alimentan, las bobinas generan un campo que es fuerte en un extremo del tubo y más débil en el otro, empujando el plasma hacia afuera por el extremo más grande. Para completar el sistema, se planeó colocar el inyector sobre el foco de la "trituradora de latas" Shiva Star existente en el Laboratorio de Energía Dirigida del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea en la Base de la Fuerza Aérea de Kirtland en Albuquerque, Nuevo México . [6]
FRCHX
En 2007, se colocó un experimento llamado FRCHX en Shiva Star. [9] Similar al FRX-L, utiliza un área de generación e inyecta el haz de plasma en el área de compresión del revestimiento Shiva Star. Shiva Star entrega aproximadamente 1,5 MJ en la energía cinética del revestimiento de aluminio de 1 mm de espesor, que se colapsa cilíndricamente a aproximadamente5 km / s . Esto colapsa el haz de plasma a una densidad alrededor5 × 10 18 cm −3 y eleva la temperatura a aproximadamente5 keV , produciendo rendimientos de neutrones del orden de10 12 neutrones "por disparo" utilizando un combustible DD. [9] La potencia liberada en las tomas más grandes, en el rango de MJ, necesita un período de reinicio del equipo del orden de una semana. El enorme pulso electromagnético (EMP) causado por el equipo forma un entorno desafiante para el diagnóstico.
Desafíos
MTF no es el primer "nuevo enfoque" de la energía de fusión. Cuando se introdujo el ICF en la década de 1960, lo que se esperaba [ ¿quién? ] para producir dispositivos de fusión prácticos en la década de 1980. Otros enfoques han encontrado problemas inesperados que aumentaron en gran medida la dificultad de producir potencia de salida. Con MCF, se produjeron inestabilidades inesperadas en los plasmas a medida que aumentaba la densidad o la temperatura. Con ICF, se produjeron pérdidas inesperadas de energía y dificultades para "suavizar" los haces. Estos se han abordado parcialmente en las grandes máquinas modernas, pero solo a un gran costo.
En un sentido general, los desafíos de MTF parecen ser similares a los de ICF. Para producir energía de manera efectiva, la densidad debe aumentarse a un nivel de trabajo y luego mantenerse allí el tiempo suficiente para que la mayor parte de la masa de combustible se fusione. Esto ocurre mientras el revestimiento de aluminio se impulsa hacia adentro. La mezcla del metal con el combustible de fusión "apagaría" la reacción (un problema que ocurre en los sistemas MCF cuando el plasma toca la pared del recipiente). De manera similar, el colapso debe ser bastante simétrico para evitar "puntos calientes" que podrían desestabilizar el plasma mientras se quema.
Los problemas en el desarrollo comercial son similares a los de cualquiera de los diseños de reactores de fusión existentes. La necesidad de formar campos magnéticos de alta intensidad en el foco de la máquina está reñida con la necesidad de extraer el calor del interior, lo que dificulta la disposición física del reactor. Además, el proceso de fusión emite una gran cantidad de neutrones (al menos en reacciones comunes) que conducen a la fragilización de los neutrones que degrada la resistencia de las estructuras de soporte y la conductividad del cableado metálico. En los esquemas típicos de MCF, se pretende que los neutrones se capturen en una capa de litio para generar más tritio para alimentarlo como combustible, lo que complica aún más la disposición general. La fusión deuterio-deuterio evitaría, por supuesto, este requisito.
Problema de Kopek
Otra preocupación del concepto MTF se denomina problema de kopek . El kopek es la unidad monetaria rusa similar al centavo o centavo , con 100 kopeks por rublo . A un tipo de cambio de 75 rublos por dólar estadounidense, un kopek vale poco. El nombre pretende aludir a un valor mínimo del dinero. [10]
El problema es que los revestimientos metálicos utilizados en MTF se consumen durante la reacción. A cambio, el dispositivo generaría electricidad. Sin embargo, el valor de esa electricidad es muy bajo, del orden de unos pocos centavos. Por lo tanto, para generar un flujo de efectivo neto positivo, el dispositivo debe generar enormes cantidades de energía por disparo, cantidades irrealmente altas, o el costo de los conjuntos de combustible debe ser mínimo, alrededor de un kopek. [11]
Se han identificado dos posibles soluciones al problema de kopek; el uso de "encendido de puntos calientes" (también explorado en ICF tradicional) parece permitir un gran aumento en la liberación de energía en comparación con la entrada de energía, abordando así el problema desde el lado de la ganancia. La otra es intentar reciclar algunos de los componentes o, en el caso de los sistemas de paredes fluidas, no perder ningún material en primer lugar. [11]
Ver también
- Lista de artículos sobre plasma (física)
- General Fusion , una empresa que trabaja en la fusión de objetivos magnetizados
- Helion Energy , una empresa que trabaja en la fusión magneto-inercial
Referencias
- ^ Libro de Azenti sobre ICF, 2004, capítulo 1
- ^ "Producto triple" . EFDA. 2014-06-20. Archivado desde el original el 11 de septiembre de 2014 . Consultado el 24 de agosto de 2014 .
- ^ a b c Experimentos de fusión objetivo magnetizado en LANL
- ^ Dahlin, Jon-Erik (junio de 2001). "Potencial del reactor para la fusión de objetivos magnetizados" (PDF) . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ JH Degnan, J .; et al. (1999). "Compresión de Plasma a Rango Megabar usando Imploding Liner". Cartas de revisión física . 82 (13): 2681. Bibcode : 1999PhRvL..82.2681D . doi : 10.1103 / PhysRevLett.82.2681 .
- ^ a b c FRX-L: un inyector de plasma para fusión objetivo magnetizado
- ^ "Un objetivo de configuración inversa de campo de alta densidad (FRC) para la fusión de objetivos magnetizados" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 16 de enero de 2009 . Consultado el 25 de agosto de 2009 .
- ^ Aplicaciones de predicciones para la traducción de FRC
- ^ a b Experimentos de HEDLP de fusión objetivo magnetizado FRCHX (Conferencia sobre energía de fusión 2008 del OIEA)
- ^ Seimon, R. "Fusión de objetivos magnetizados" . UCSD .CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- ^ a b Seimon .
Otras lecturas
- RE Siemon, IR Lindemuth y KF Schoenberg, Why MTF is a low cost path to fusion, Comentarios Plasma Physics Controlled Fusion vol 18 número 6, págs. 363–386 (1999).
- PV Subhash y col. 2008 Phys. Scr. 77 035501 (12pp) doi : 10.1088 / 0031-8949 / 77/03/035501 Efecto de la falta de uniformidad del revestimiento en las inestabilidades del plasma en un sistema de fusión objetivo magnetizado Z-pinch inverso: simulaciones del revestimiento sobre plasma y comparación con el análisis de estabilidad lineal