La fusión piroeléctrica se refiere a la técnica de usar cristales piroeléctricos para generar campos electrostáticos de alta resistencia para acelerar los iones de deuterio (el tritio también podría usarse algún día) en un objetivo de hidruro metálico que también contiene deuterio (o tritio) con suficiente energía cinética para hacer que estos iones sufran fusión nuclear . Fue informado en abril de 2005 por un equipo de UCLA . Los científicos utilizaron un cristal piroeléctrico calentado de −34 a 7 ° C (−29 a 45 ° F), combinado con una aguja de tungsteno para producir un campo eléctrico. de aproximadamente 25 gigavoltios por metro para ionizar y acelerar los núcleos de deuterio en un objetivo de deuteruro de erbio . Aunque la energía de los iones de deuterio generados por el cristal no se ha medido directamente, los autores utilizaron 100 keV (una temperatura de aproximadamente 10 9 K ) como estimación en su modelo. [1] A estos niveles de energía, dos núcleos de deuterio pueden fusionarse para producir un núcleo de helio-3 , un neutrón de 2,45 MeV y bremsstrahlung . Aunque es un generador de neutrones útil, el aparato no está diseñado para la generación de energía, ya que requiere mucha más energía de la que produce. [2] [3] [4] [5]
Historia
El proceso de aceleración de iones ligeros utilizando campos electrostáticos e iones de deuterio para producir fusión en blancos sólidos deuterados fue demostrado por primera vez por Cockcroft y Walton en 1932 (ver generador de Cockcroft-Walton ). De hecho, el proceso se utiliza hoy en miles de versiones miniaturizadas de su acelerador original, en forma de pequeños generadores de neutrones de tubos sellados , en la industria de exploración de petróleo.
El proceso de piroelectricidad se conoce desde la antigüedad. [6] El primer uso de un campo piroeléctrico para acelerar los deuterones fue en 1997 en un experimento realizado por los Dres. VD Dougar Jabon, GV Fedorovich y NV Samsonenko. [7] Este grupo fue el primero en utilizar un cristal piroeléctrico de tantalato de litio ( Li Ta O 3 ) en experimentos de fusión.
La idea novedosa con el enfoque piroeléctrico de la fusión está en su aplicación del efecto piroeléctrico para generar los campos eléctricos acelerados. Esto se hace calentando el cristal de -34 ° C a + 7 ° C durante un período de unos minutos.
Resultados desde 2005
En abril de 2005, un equipo de UCLA encabezado por el profesor de química James K. Gimzewski [8] y el profesor de física Seth Putterman utilizaron una sonda de tungsteno unida a un cristal piroeléctrico para aumentar la intensidad del campo eléctrico. [9] Brian Naranjo, un estudiante graduado que trabaja con Putterman, realizó el experimento que demuestra el uso de una fuente de energía piroeléctrica para producir fusión en un dispositivo de sobremesa de laboratorio. [10] El dispositivo utilizó un cristal piroeléctrico de tantalato de litio ( Li Ta O 3 ) para ionizar los átomos de deuterio y acelerar los deuterones hacia un objetivo estacionario de dideuteruro de erbio ( Er D 2 ). Se produjeron alrededor de 1000 reacciones de fusión por segundo, cada una de las cuales resultó en la producción de un núcleo de helio-3 de 820 keV y un neutrón de 2,45 MeV . El equipo prevé aplicaciones del dispositivo como generador de neutrones o posiblemente en microthrusters para propulsión espacial .
Un equipo del Instituto Politécnico Rensselaer , dirigido por Yaron Danon y su estudiante graduado Jeffrey Geuther, mejoró los experimentos de UCLA utilizando un dispositivo con dos cristales piroeléctricos y capaz de operar a temperaturas no criogénicas. [11] [12]
La fusión DD nuclear impulsada por cristales piroeléctricos fue propuesta por Naranjo y Putterman en 2002. [13] También fue discutida por Brownridge y Shafroth en 2004. [14] La posibilidad de usar cristales piroeléctricos en un dispositivo de producción de neutrones (por fusión DD) fue propuesto en un documento de conferencia por Geuther y Danon en 2004 [15] y más tarde en una publicación que analiza la aceleración de electrones e iones por cristales piroeléctricos. [16] Ninguno de estos autores posteriores tenía conocimiento previo del trabajo experimental anterior de 1997 realizado por Dougar Jabon, Fedorovich y Samsonenko, que creía erróneamente que la fusión se producía dentro de los cristales. [7] El ingrediente clave del uso de una aguja de tungsteno para producir suficiente corriente de haz de iones para su uso con una fuente de alimentación de cristal piroeléctrico se demostró por primera vez en el artículo de Nature de 2005 , aunque en un contexto más amplio, las puntas emisoras de tungsteno se han utilizado como fuentes de iones en otros aplicaciones durante muchos años. En 2010, se descubrió que las puntas emisoras de tungsteno no son necesarias para aumentar el potencial de aceleración de los cristales piroeléctricos; el potencial de aceleración puede permitir que los iones positivos alcancen energías cinéticas entre 300 y 310 keV. [17]
La fusión piroeléctrica ha sido promocionada en los medios de comunicación, [18] que ha pasado por alto el trabajo experimental anterior de Dougar Jabon, Fedorovich y Samsonenko. [7] La fusión piroeléctrica no está relacionada con las afirmaciones anteriores de reacciones de fusión, habiéndose observado durante experimentos de sonoluminiscencia ( fusión de burbujas ) realizados bajo la dirección de Rusi Taleyarkhan de la Universidad de Purdue . [19] De hecho, Naranjo del equipo de UCLA ha sido uno de los principales críticos de estas primeras afirmaciones de fusión prospectiva de Taleyarkhan. [20]
Los primeros resultados exitosos con fusión piroeléctrica utilizando un objetivo tritiado se informaron en 2010. [21] El equipo de UCLA de Putterman y Naranjo trabajó con T. Venhaus del Laboratorio Nacional de Los Alamos para medir una señal de neutrones de 14,1 MeV muy por encima del fondo. Esta fue una extensión natural del trabajo anterior con objetivos deuterados.
Ver también
- Fuentes de neutrones
- Generador de neutrones
- Piroelectricidad
Referencias
- ^ Métodos complementarios para "Observación de la fusión nuclear impulsada por un cristal piroeléctrico"
- ^ UCLA Crystal Fusion
- ↑ Physics News Update 729 Archivado el 12 de noviembre de 2013 en la Wayback Machine.
- ^ Saliendo del frío: fusión nuclear, de verdad | csmonitor.com
- ^ Fusión nuclear en el escritorio ... ¡de verdad! - Ciencia - nbcnews.com
- ^ Sidney Lang, "Piroelectricidad: de la curiosidad antigua a la herramienta de imagen moderna" , Physics Today, agosto de 2005, págs. 31-36, y Sidney B. Lang, "Libro de consulta de la piroelectricidad", (Londres: Gordon & Breach, 1974)
- ^ a b c Dougar Jabon, VD; Fedorovich, GV; Samsonenko, NV (1997). "Fusión DD inducida catalíticamente en ferroeléctricos" . Revista Brasileña de Física . 27 (4): 515–521. Código Bibliográfico : 1997BrJPh..27..515D . doi : 10.1590 / s0103-97331997000400014 .
- ^ :: James K. Gimzewski :: . Chem.ucla.edu. Consultado el 16 de agosto de 2013.
- ^ B. Naranjo, JK Gimzewski y S. Putterman (de UCLA ), "Observación de fusión nuclear impulsada por un cristal piroeléctrico" . Nature , 28 de abril de 2005. Véase también un artículo de noticias sobre este tema. Archivado el 15 de septiembre de 2008 en la Wayback Machine.
- ^ Brian Naranjo, "Observación de la fusión nuclear impulsada por un cristal piroeléctrico", Disertación presentada en satisfacción parcial de los requisitos para el grado de Doctor en Filosofía en Física, Universidad de California, Los Ángeles, 2006, 57 páginas, Dr. Seth Putterman , Presidente del Comite. En la disertación del Dr. Naranjo no se encuentra ninguna referencia al trabajo experimental anterior de Jabon, Fedorovich y Samsonenko [2].
- ^ Geuther, Jeffrey A .; Danon, Yaron (2005). "Aceleración de electrones e iones positivos con cristales piroeléctricos". Revista de Física Aplicada . 97 (7): 074109–074109–5. Código Bibliográfico : 2005JAP .... 97g4109G . doi : 10.1063 / 1.1884252 .
- ^ Jeffrey A. Geuther, "Generación de radiación con cristales piroeléctricos", una tesis presentada a la facultad de posgrado del Instituto Politécnico Rensselaer en cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de Doctor en Filosofía en Ingeniería y Ciencia Nuclear, Instituto Politécnico Rensselaer, Troy, Nueva York, 13 de abril de 2007, 176 páginas, Dr. Yaron Danon, Asesor de tesis.
- ^ B. Naranjo y S. Putterman "Búsqueda de fusión a partir de fenómenos de enfoque de energía en cristales ferroeléctricos" Archivado el 13 de mayo de 2006 en la Wayback Machine . Propuesta UCEI, 1 de febrero de 2002
- ^ James D. Brownridge y Stephen M. Shafroth, [1] Archivado el3 de septiembre de 2006en la Wayback Machine , 1 de mayo de 2004
- ^ Jeffrey A. Geuther, Yaron Danon, "Aceleración de electrones piroeléctricos: mejoras y aplicaciones futuras", ANS Winter Meeting Washington, DC, 14 al 18 de noviembre de 2004
- ^ "Double Crystal Fusion" podría allanar el camino para dispositivos portátiles , Comunicados de prensa, Rensselaer Polytechnic Institute: 2005-2006: "NY Team Confirms UCLA Tabletop Fusion" Archivado 2006-03-19 en Wayback Machine . www.scienceblog.com
- ^ Tornow, W .; Lynam, SM; Shafroth, SM (2010). "Incremento sustancial del potencial de aceleración de cristales piroeléctricos". Revista de Física Aplicada . 107 (6): 063302–063302–4. Código Bibliográfico : 2010JAP ... 107f3302T . doi : 10.1063 / 1.3309841 . hdl : 10161/3332 .
- ^ Matin Durrani y Peter Rodgers "Fusión vista en el experimento de sobremesa" . Physics Web , 27 de abril de 2005
- ^ Taleyarkhan, RP; West, CD; Lahey, RT; Nigmatulina, RI; Bloque, RC; Xu, Y. (2006). "Emisiones nucleares durante la cavitación acústica autonucleada". Cartas de revisión física . 96 (3): 034301. Código Bibliográfico : 2006PhRvL..96c4301T . doi : 10.1103 / physrevlett.96.034301 . PMID 16486709 .
- ^ Naranjo, B. (2006). "Comentario sobre" Emisiones nucleares durante la cavitación acústica autonucleada " ". Cartas de revisión física . 97 (14): 149403. arXiv : física / 0603060 . Código Bibliográfico : 2006PhRvL..97n9403N . doi : 10.1103 / physrevlett.97.149403 . PMID 17155298 .
- ^ Naranjo, B .; Putterman, S .; Venhaus, T. (2011). "Fusión piroeléctrica utilizando un objetivo tritiado". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación de la física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 632 (1): 43–46. Código bibliográfico : 2011NIMPA.632 ... 43N . doi : 10.1016 / j.nima.2010.08.003 .
enlaces externos
- "Sitio web de UCLA crystal fusion"
- "Sobre todo fusión fría"
- "Actualización 729 de noticias de física"
- "Saliendo del frío: fusión nuclear, de verdad | csmonitor.com"
- "¡Fusión nuclear en el escritorio ... de verdad! - Science - nbcnews.com - ¡un artículo para promocionar al gran equipo de UCLA! Nuevamente, consulte la referencia 2 (arriba) para saber quién debe recibir el crédito primero"
- "Métodos complementarios para la" observación de la fusión nuclear impulsada por un cristal piroeléctrico "se encuentran en la referencia 3 (arriba)"