Articulo de referencia

Fusor

Un fusor casero Un fusor es un dispositivo que utiliza un campo eléctrico para calentar iones a una temperatura a la que experimentan una fusión nuclear . La máquina induce una ...

Un fusor casero

Un fusor es un dispositivo que utiliza un campo eléctrico para calentar iones a una temperatura a la que experimentan una fusión nuclear . La máquina induce una diferencia de potencial entre dos jaulas metálicas, dentro del vacío. Los iones positivos caen por esta caída de tensión, aumentando su velocidad. Si chocan en el centro, pueden fusionarse. Este es un tipo de dispositivo de confinamiento electrostático inercial , una rama de la investigación sobre la fusión.

Un fusor Farnsworth-Hirsch es el tipo más común de fusor. [1] Este diseño surgió 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 Álamos [4], aunque nunca construyeron la máquina.

Varias instituciones han construido fusores. Estas incluyen instituciones académicas como la Universidad de Wisconsin-Madison , [5] el Instituto Tecnológico 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 un método para generar isótopos médicos. [10] [11] [12] Los fusores también se han vuelto muy populares entre los aficionados y amateurs. Un número creciente de aficionados han realizado la fusión nuclear utilizando máquinas fusoras simples. [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

Física subyacente

La fusión se produce cuando los núcleos se aproximan a una distancia en la que la fuerza nuclear puede unirlos para formar un único núcleo más grande. A esta aproximación se oponen las cargas positivas en los núcleos, que los separan debido a la fuerza electrostática . Para que se produzcan eventos de fusión, los núcleos deben tener una energía inicial lo suficientemente grande como para permitirles superar esta barrera de Coulomb . Como la fuerza nuclear aumenta con el número de nucleones, protones y neutrones, y la fuerza electromagnética aumenta solo con el número de protones, los átomos más fáciles de fusionar son los isótopos de hidrógeno, deuterio con un neutrón y tritio con dos. Con combustibles de hidrógeno, se necesitan aproximadamente de 3 a 10 keV para permitir que se produzca la reacción. [19]

Los enfoques tradicionales para la energía de fusión generalmente han intentado calentar el combustible a temperaturas donde la distribución de Maxwell-Boltzmann de sus energías resultantes es lo suficientemente alta como para que algunas de las partículas en la cola larga tengan la energía requerida. [19] Lo suficientemente alta en este caso es tal que la tasa de las reacciones de fusión produce suficiente energía para compensar las pérdidas de energía al medio ambiente y así calentar el combustible circundante a las mismas temperaturas y producir una reacción autosostenida conocida como ignición . Los cálculos muestran que esto tiene lugar a aproximadamente 50 millones  de kelvin (K), aunque números más altos del orden de 100 millones de K son deseables en máquinas prácticas. Debido a las temperaturas extremadamente altas, las reacciones de fusión también se conocen como termonucleares .

Cuando los átomos se calientan a temperaturas de miles de grados, los electrones se van liberando cada vez más de su núcleo. Esto conduce a un estado gaseoso de la materia conocido como plasma , que consiste en núcleos libres, llamados iones, y sus antiguos electrones. Como un plasma está formado por cargas que se mueven libremente, se puede controlar mediante campos magnéticos y eléctricos. Los dispositivos de fusión utilizan esta capacidad para retener el combustible a millones de grados.

Concepto de fusor

El fusor forma parte de una clase más amplia de dispositivos que intentan proporcionar al combustible energías relevantes para la fusión acelerando directamente los iones entre sí. En el caso del fusor, esto se logra con fuerzas electrostáticas. Por cada voltio que se acelera un ion de ±1 carga, gana 1 electronvoltio en energía. Para alcanzar los ~10 keV requeridos, se requiere un voltaje de 10 kV, aplicado a ambas partículas. A modo de comparación, el cañón de electrones en un tubo de rayos catódicos de televisión típico es del orden de 3 a 6 kV, por lo que la complejidad de un dispositivo de este tipo es bastante limitada. Por diversas razones, se utilizan energías del orden de 15 keV. Esto corresponde a la energía cinética promedio a una temperatura de aproximadamente 174 millones de Kelvin, una temperatura típica del plasma de fusión por confinamiento magnético .

El problema con este método de fusión por haces en colisión , en general, es que lo más probable es que los iones nunca se golpeen entre sí, sin importar cuán precisa sea la orientación. Incluso la desalineación más mínima hará que las partículas se dispersen y, por lo tanto, no se fusionen. Es fácil demostrar que la probabilidad de dispersión es muchos órdenes de magnitud mayor que la tasa de fusión, lo que significa que la gran mayoría de la energía suministrada a los iones se desperdiciará y las reacciones de fusión que ocurran no podrán compensar estas pérdidas. Para que sea positivo en términos de energía, un dispositivo de fusión debe reciclar estos iones nuevamente en la masa de combustible para que tengan miles o millones de oportunidades de fusionarse, y su energía debe conservarse tanto como sea posible durante este período.

El fusor intenta cumplir con este requisito mediante la disposición esférica de su sistema de rejilla aceleradora. Los iones que no se fusionan pasan a través del centro del dispositivo y regresan al acelerador en el lado más alejado, donde son acelerados nuevamente hacia el centro. No se pierde energía en esta acción y, en teoría, suponiendo que los cables de la rejilla son infinitamente delgados, los iones pueden circular eternamente sin necesidad de energía adicional. Incluso aquellos que se dispersan simplemente adoptarán una nueva trayectoria, saldrán de la rejilla en algún nuevo punto y acelerarán nuevamente hacia el centro, lo que proporcionará la circulación necesaria para que finalmente se produzca un evento de fusión. [20]

Mecanismo básico de fusión en fusores. (1) El fusor contiene dos jaulas de alambre concéntricas: el cátodo está dentro del ánodo. (2) Los iones positivos son atraídos hacia el cátodo interior, caen por la caída de tensión y ganan energía. (3) Los iones no entran en la jaula interior y entran en la zona de reacción neutra. (4) Los iones pueden colisionar en el centro y pueden fusionarse. [21]

Pérdidas

Es importante tener en cuenta la secuencia de arranque real de un fusor para entender la operación resultante. Normalmente, el sistema se bombea hasta el vacío y luego se coloca una pequeña cantidad de gas dentro de la cámara de vacío. Este gas se esparcirá para llenar el volumen. Cuando se aplica voltaje a los electrodos, los átomos entre ellos experimentarán un campo que hará que se ionicen y comiencen a acelerar hacia adentro. Como los átomos se distribuyen aleatoriamente para comenzar, la cantidad de energía que ganarán difiere; los átomos inicialmente cerca del ánodo ganarán una gran parte del voltaje aplicado, digamos 15 keV. Aquellos inicialmente cerca del cátodo ganarán mucha menos energía, posiblemente demasiado baja para experimentar la fusión con sus contrapartes en el lado más alejado del área de reacción central. [20]

Los átomos de combustible dentro del área interna durante el período de arranque no están ionizados. Los iones acelerados se dispersan con ellos y pierden su energía, mientras ionizan el átomo que antes estaba frío. Este proceso, y las dispersiones de otros iones, hacen que las energías de los iones se distribuyan aleatoriamente y el combustible adopte rápidamente una distribución no térmica. Por esta razón, la energía necesaria en un sistema de fusor es mayor que en uno en el que el combustible se calienta por algún otro método, ya que una parte se "perderá" durante el arranque. [20]

Los electrodos reales no son infinitamente delgados, y la posibilidad de dispersión de los cables o incluso de captura de iones dentro de los electrodos es un problema importante que causa altas pérdidas de conducción . Estas pérdidas pueden ser al menos cinco órdenes de magnitud superiores a la energía liberada por la reacción de fusión, incluso cuando el fusor está en modo estrella, lo que minimiza estas reacciones. [22]

Existen también otros numerosos mecanismos de pérdida, como el intercambio de carga entre iones de alta energía y partículas neutras de baja energía, que hace que el ion capture el electrón, se vuelva eléctricamente neutro y luego abandone el fusor, ya que ya no se acelera y vuelve a la cámara. Esto deja atrás un átomo recién ionizado de menor energía y, por lo tanto, enfría el plasma. Las dispersiones también pueden aumentar la energía de un ion, lo que le permite pasar por el ánodo y escapar, en este ejemplo cualquier valor por encima de los 15 keV. [20]

Además, la dispersión de ambos iones y, especialmente, de las impurezas que quedan en la cámara, produce una importante radiación de frenado (Bremsstrahlung) , que crea rayos X que transportan energía fuera del combustible. [20] Este efecto aumenta con la energía de las partículas, lo que significa que el problema se vuelve más pronunciado a medida que el sistema se acerca a las condiciones operativas relevantes para la fusión. [23]

Como resultado de estos mecanismos de pérdida, ningún fusor ha llegado jamás a acercarse al punto de equilibrio de la producción de energía y parece que nunca podrá hacerlo. [20] [23]

Las fuentes comunes de alto voltaje son las fuentes de alto voltaje flyback ZVS y los transformadores de señales de neón . También se lo puede llamar acelerador de partículas electrostático .

Historia

Patente estadounidense 3.386.883 – fusor – Imagen de la patente de Farnsworth, del 4 de junio de 1968. Este dispositivo tiene una jaula interior para crear el campo y cuatro cañones de iones en el exterior.

El fusor fue concebido originalmente por Philo T. Farnsworth , más conocido por su trabajo pionero en televisión. A principios de la década de 1930, investigó una serie de diseños de tubos de vacío para su uso en televisión y encontró uno que condujo a un efecto interesante. En este diseño, al que llamó "multipactor", los electrones que se movían de un electrodo a otro se detenían en pleno vuelo con la aplicación adecuada de un campo magnético de alta frecuencia . La carga se acumulaba entonces en el centro del tubo, lo que generaba una alta amplificación. Desafortunadamente, también conducía a una gran erosión en los electrodos cuando los electrones finalmente los golpeaban, y hoy en día el efecto multipactor generalmente se considera un problema que debe evitarse.

Lo que más interesó a Farnsworth del dispositivo fue su capacidad de concentrar los electrones en un punto determinado. Uno de los mayores problemas en la investigación sobre la fusión es evitar que el combustible caliente golpee las paredes del recipiente. Si se permite que esto ocurra, el combustible no podrá mantenerse lo suficientemente caliente para que se produzca la reacción de fusión . Farnsworth razonó que podría construir un sistema de confinamiento de plasma electrostático en el que los campos de la "pared" del reactor fueran electrones o iones que se mantuvieran en su lugar mediante el multipactor . El combustible podría entonces inyectarse 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 originales de fusores de Farnsworth se basaban en disposiciones cilíndricas de electrodos, como los multipactores originales. El combustible se ionizaba y luego se disparaba desde pequeños aceleradores a través de agujeros en los electrodos externos (físicos). Una vez a través del agujero, se aceleraban 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 continúa utilizándose hasta el día de hoy. El voltaje entre los electrodos debe ser de al menos 25 kV para que se produzca la fusión.

Trabajar en los laboratorios de televisión Farnsworth

Todo este trabajo se había llevado a cabo en los laboratorios de Farnsworth Television , que habían sido adquiridos en 1949 por ITT Corporation , como parte de su plan para convertirse en la próxima RCA . Sin embargo, un proyecto de investigación de fusión no se consideró inmediatamente rentable. En 1965, la junta directiva comenzó a pedirle a Harold Geneen que vendiera la división Farnsworth, pero su presupuesto de 1966 fue aprobado con financiación hasta mediados de 1967. Se le negó más financiación, 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 del fusor modificado de Hirsch-Meeks. [24] Los primeros fusores basados ​​en el diseño de Hirsch se construyeron entre 1964 y 1967. [2] Hirsch publicó su diseño en un artículo en 1967. Su diseño incluía haces de iones para disparar iones a la cámara de vacío. [2]

El equipo se dirigió entonces a la AEC , que en aquel momento estaba a cargo de la financiación de la investigación sobre 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 era el adecuado; el propio Hirsch había revelado recientemente el gran progreso que estaban haciendo los soviéticos con el tokamak . En respuesta a este sorprendente desarrollo, la AEC decidió concentrar la financiación en grandes proyectos de tokamak y reducir el respaldo a conceptos alternativos. [ cita requerida ]

Acontecimientos recientes

George H. Miley, de la Universidad de Illinois, reexaminó el fusor y lo reintrodujo en el campo. Desde entonces, ha persistido un interés bajo pero constante en el fusor. Un desarrollo 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 similar en diseño al fusor, ahora llamado polywell , que afirmó que sería capaz de generar energía útil. [25] 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 "fusionadores", 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 documentos realizados sobre el fusor, incluida la patente original de Farnsworth, así como la patente de Hirsch de su versión de la invención. [26]

Fusión en fusores

Fusión básica

Las secciones transversales de diferentes reacciones de fusión.

La fusión nuclear se refiere a reacciones en las que los núcleos más ligeros se combinan 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 unos 45 millones de kelvin . La segunda reacción más fácil es la fusión del deuterio consigo mismo. Debido a que este gas es más barato, es el combustible que suelen utilizar los aficionados. La facilidad de realizar una reacción de fusión se mide por su sección transversal . [27]

Potencia neta

En tales condiciones, los átomos se ionizan y forman un plasma . La energía generada por la fusión, dentro de una nube de plasma caliente, se puede hallar con la siguiente ecuación. [28]

P fusion = n A n B σ v A , B E fusion , {\displaystyle P_{\text{fusion}}=n_{A}n_{B}\langle \sigma v_{A,B}\rangle E_{\text{fusion}},}

dónde

P fusion {\displaystyle P_{\text{fusion}}} 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),
σ v A , B {\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle } 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,
E fusion {\displaystyle E_{\text{fusion}}} 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 a través de la conducción y la radiación . [28] La conducción es cuando los iones , electrones o neutros 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 es necesario superar estas pérdidas. Esto conduce a una ecuación para la salida de energía.

P out = η capture ( P fusion P conduction P radiation ) . {\displaystyle P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}(P_{\text{fusion}}-P_{\text{conduction}}-P_{\text{radiation}}).}

dónde:

η es la eficiencia,
P conduction {\displaystyle P_{\text{conduction}}} es el poder de las pérdidas por conducción a medida que la masa cargada de energía sale,
P radiation {\displaystyle P_{\text{radiation}}} es el poder de las pérdidas de radiación a medida que la energía sale en forma de luz,
P out {\displaystyle P_{\text{out}}} es la potencia neta de la fusión.

John Lawson utilizó esta ecuación para estimar algunas condiciones de potencia neta [28] basándose en una nube de Maxwell . [28] Esto 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 recirculante.

En fusores

En el diseño original del fusor, varios pequeños aceleradores de partículas , esencialmente tubos de TV con los extremos quitados, 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 ambas versiones hay dos electrodos esféricos concéntricos , el interior está cargado negativamente con respecto al exterior (a unos 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 no es necesario calentarlos (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 reacción o para evitar reacciones desventajosas (por ejemplo, que produzcan neutrones) que podrían ocurrir a energías más altas.

Se han realizado varios intentos para aumentar la tasa de ionización del deuterio, incluidos calentadores dentro de "pistolas de iones" (similares a la "pistola de electrones" que forma la base de los tubos de visualización de los televisores de estilo antiguo), así como dispositivos de tipo magnetrón (que son las fuentes de energía de los hornos microondas), que pueden mejorar la formación de iones utilizando campos electromagnéticos de alto voltaje. Se puede esperar que cualquier método que aumente la densidad de iones (dentro de límites que preserven la trayectoria media libre de iones) o la energía de los iones mejore el rendimiento de la fusión, que normalmente se mide 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 de "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 funcionamiento

Fusor Farnsworth-Hirsch durante su funcionamiento en el denominado "modo estrella", caracterizado por "rayos" de plasma brillante que parecen emanar de los huecos de la rejilla interior.

Los fusores tienen al menos dos modos de funcionamiento (posiblemente más): modo estrella y modo halo . El modo halo se caracteriza por un resplandor amplio y simétrico, con uno o dos haces de electrones que salen de la estructura. Hay poca fusión. [29] 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 haces de luz brillantes que emanan del centro del dispositivo. [29]

Densidad de potencia

Como el campo eléctrico creado por las jaulas es negativo, no puede atrapar simultáneamente iones con carga positiva 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 imponer un límite superior en la densidad de potencia de la máquina, lo que podría mantenerla demasiado baja para la producción de energía. [ cita requerida ]

Termalización 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 velocidad 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 ion dado requerirá unos minutos antes de experimentar una reacción de fusión, de modo 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 suficiente energía para salir del pozo de potencial, llevándose su energía con ellos, sin haber experimentado una reacción de fusión.

Electrodos

Imagen que muestra un diseño de cuadrícula diferente.

Existen varios desafíos sin resolver con los electrodos en un sistema de energía de fusores. Para empezar, los electrodos no pueden influir en el potencial dentro de ellos 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 resultaría en la contaminación del plasma y la destrucción del electrodo. Sin embargo, la mayor parte de la fusión tiende a ocurrir en microcanales formados en áreas de potencial eléctrico mínimo, [30] vistos como "rayos" visibles que penetran 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 opera en modo estrella pueden estar dentro de estos microcanales. [31] No obstante, las colisiones de la red siguen siendo el principal mecanismo de pérdida de energía para los fusores Farnsworth-Hirsch. Para complicar las cosas, está el desafío de enfriar el electrodo central; cualquier fusor que produzca suficiente energía para hacer funcionar una planta de energía parece destinado también a destruir 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.

Entre los intentos de resolver estos problemas se encuentran el sistema Polywell de Bussard , el método de trampa de Penning modificado de DC Barnes y el fusor de la Universidad de Illinois, que conserva las rejillas pero intenta concentrar 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. [32] Esta tasa de pérdida se puede estimar para partículas no relativistas utilizando la fórmula de Larmor . Dentro de un fusor hay una nube de iones y electrones . Estas partículas acelerarán o desacelerarán a medida que se mueven. 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 (ion a ion, ion a electrón, electrón a electrón). Esto se conoce como radiación de frenado y es común en los fusores. Los cambios de velocidad también pueden deberse a interacciones entre la partícula y el campo eléctrico. Dado que no hay campos magnéticos, los fusores no emiten radiación ciclotrón a velocidades lentas ni radiación sincrotrón a altas velocidades.

En Fundamental limitations on plasma fusion systems not in thermodynamic equilibrium (Limitaciones fundamentales de los sistemas de fusión de plasma que no están en equilibrio termodinámico ), Todd Rider sostiene que un plasma isotrópico cuasineutral perderá energía debido a la radiación de frenado a una velocidad prohibitiva para cualquier combustible que no sea DT (o posiblemente DD o D-He3). Este artículo 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, "A general critique of inertial-electrostatic confinement fusion systems", 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 aislado cerca de los electrodos, lo que limita la tasa de pérdida. Sin embargo, Rider demuestra que los fusores prácticos funcionan en una variedad de modos que conducen a una mezcla y pérdida significativa de electrones o, alternativamente, a densidades de potencia más bajas. Esto parece ser una especie de trampa 22 que limita la salida de cualquier sistema similar a un fusor.

Seguridad

Existen varias consideraciones de seguridad clave relacionadas con la construcción y el funcionamiento de un fusor. En primer lugar, está el alto voltaje involucrado. En segundo lugar, están las posibles emisiones de rayos X y neutrones. También están las consideraciones de publicidad y desinformación con las autoridades locales y regulatorias.

Aplicaciones comerciales

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 de los reactores nucleares o los aceleradores de partículas , pero son suficientes para muchos usos. Es importante destacar que el generador de neutrones se coloca fácilmente sobre una mesa de trabajo y se puede apagar con solo pulsar un interruptor. Se desarrolló un fusor comercial como un negocio no esencial dentro de DaimlerChrysler Aerospace – Space Infrastructure, Bremen entre 1996 y principios de 2001. [9] Después de que el proyecto terminara efectivamente, el ex gerente 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 empresas comerciales emergentes han utilizado los flujos de neutrones generados por fusores para generar Mo-99 , un precursor del tecnecio-99m , un isótopo utilizado para la atención médica. [10] [11]

Patentes

  • Bennett, WH, patente estadounidense 3.120.475 , febrero de 1964. (Energía termonuclear).
  • P. T. Farnsworth, patente estadounidense 3.258.402 , junio de 1966 (Descarga eléctrica — Interacción nuclear).
  • P. T. Farnsworth, patente estadounidense 3.386.883 . Junio ​​de 1968 (Método y aparato).
  • Hirsch, Robert, patente estadounidense 3.530.036 . Septiembre de 1970 (Aparato).
  • Hirsch, Robert, patente estadounidense 3.530.497 . Septiembre de 1970 (Aparato generador — Hirsch/Meeks).
  • Hirsch, Robert, patente estadounidense 3.533.910 . Octubre de 1970 (fuente de iones de litio).
  • Hirsch, Robert, Patente de EE.UU. 3.655.508 . Abril de 1972 (Reducción de fugas de plasma).
  • P. T. Farnsworth, patente estadounidense 3.664.920 . Mayo de 1972 (Contención electrostática).
  • R. W. Bussard, "Método y aparato para controlar partículas cargadas", patente estadounidense 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 estadounidense 5.160.695 , noviembre de 1992 (Método y aparato — Ondas acústicas de iones).

Véase también

Referencias

  1. ^ "Biografía de Philo Taylor Farnsworth". Colecciones especiales de la biblioteca Marriott de la Universidad de Utah. Archivado desde el original el 11 de diciembre de 2012. Consultado el 5 de julio de 2007 .
  2. ^ abc Robert L. Hirsch, "Confinamiento electrostático inercial de gases de fusión ionizados", Journal of Applied Physics, v. 38, n.º 7, octubre de 1967
  3. ^ PT Farnsworth (comunicación privada, 1964)
  4. ^ "Sobre el confinamiento electrostático inercial de un plasma" William Elmore, James Tuck y Ken Watson, The Physics of Fluids, 30 de enero de 1959
  5. ^ Flujo de iones y reactividad de fusión, caracterización de un foco iónico convergente esférico. Tesis doctoral, Dr. Timothy A Thorson, Wisconsin-Madison 1996.
  6. ^ Mejora del confinamiento de partículas en la fusión electrostática inercial para la propulsión y la energía de naves espaciales. Dr. Carl Dietrich, tesis doctoral, Instituto Tecnológico de Massachusetts, 2007
  7. ^ "Resultados preliminares de estudios experimentales con dispositivos de confinamiento electrostático inercial de baja presión" Journal of Fusion Energy, 23 de mayo de 2013
  8. ^ "Estudio experimental del dispositivo de fusión por confinamiento electrostático inercial iraní como generador continuo de neutrones" V. Damideh, A. Sadighzadeh, Koohi, Aslezaeem, Heidarnia, Abdollahi, Journal of Fusion Energy, 11 de junio de 2011
  9. ^ ab Miley, GH; Sved, J (octubre de 2000). "La fuente de neutrones de fusión en modo estrella IEC para NAA: estado actual y diseños de los próximos pasos". Appl Radiat Isot . 53 (4–5): 779–83. Bibcode :2000AppRI..53..779M. doi :10.1016/s0969-8043(00)00215-3. PMID  11003520.
  10. ^ abc "Phoenix Nuclear Labs alcanza un hito en la producción de neutrones", comunicado de prensa de PNL del 1 de mayo de 2013, Ross Radel, Evan Sengbusch
  11. ^ desde http://shinemed.com/products/ Archivado el 9 de junio de 2019 en Wayback Machine , SHINE Medical Technologies , consultado el 20 de enero de 2014
  12. ^ ab "GENERADOR DE NEUTRONES: NSD-GRADEL-FUSION". www.nsd-fusion.com . Generadores de neutrones de última tecnología con múltiples aplicaciones posibles
  13. ^ Hull, Richard (24 de abril de 2013). "La lista de Fusor". Consorcio de investigación de código abierto de Fusor .
  14. ^ "Fusion on a Budget". IEEE Spectrum. March 2009.
  15. ^ "THE HAYLETT NUCLEAR FUSION PROJECT". Archived from the original on 2014-09-16. Retrieved 2014-09-15.
  16. ^ Amanda Kooser (March 5, 2014). "13-year-old builds working nuclear fusion reactor". CNET.
  17. ^ Danzico, Matthew (2010-06-23). "I built a nuclear reactor in NYC". BBC News. Retrieved 2018-11-30.
  18. ^ "How to Build a $1000 Fusion Reactor in Your Basement". Discover Magazine. Retrieved 2021-07-14.
  19. ^ a b "Coulomb Barrier for Fusion". Hyperphysics.
  20. ^ a b c d e f Miley, George; Murali, S. Krupakar (2013). Inertial Electrostatic Confinement (IEC) Fusion: Fundamentals and Applications. Springer. ISBN 9781461493389.
  21. ^ Tim Thorson, "Ion flow and fusion reactivity characterization of a spherically convergent ion focus", Thesis work, December 1996, The University of Wisconsin–Madison.
  22. ^ J. Hedditch, "Fusion in a Magnetically Shielded grid interial electrostatic fusion device", Physics of Plasmas, 2015.
  23. ^ a b Rider, Todd (1995). Fundamental limitations on plasma fusion systems not in thermodynamic equilibrium (Technical report). MIT.
  24. ^ Jaff, Geby (2023-09-05). "High-frequency light conversion to solar power in Farnsworth Fusor: Challenges and Procedures" (PDF). doi:10.36227/techrxiv.24082515. Retrieved 2023-10-04. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
  25. ^ Robert W. Bussard. The Advent of Clean Nuclear Fusion: Super-performance Space Power and Propulsion (PDF). 57th International Astronautical Congress, October 2–6, 2006. Archived from the original (PDF) on 2011-09-29.
  26. ^ "Home". Fusor.net.
  27. ^ John Lindl, "Development of the indirect drive approach to inertial confinement fusion and the target physics basis for ignition and gain", Physics of Plasma, 1995.
  28. ^ a b c d John Lawson, "Some Criteria for a Power producing thermonuclear reactor", Atomic Energy Research Establishment, Hanvell, Berks, 2 November 1956.
  29. ^ a b Thorson, Timothy A. Ion Flow and Fusion Reactivity Characterization of a Spherically Convergent Ion Focus. Thesis. Wisconsin Madison, 1996. Madison: University of Wisconsin, 1996. Print.
  30. ^ "UWFDM-1267 Diagnostic Study of Steady State Advanced Fuel (D-D and D-3He) Fusion in an IEC Device" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2012-12-24. Retrieved 2009-09-16.
  31. ^ "Study for Ion Microchannels and IEC Grid Effects Using the SIMION Code" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2008-09-07. Retrieved 2006-11-30.
  32. ^ J. Larmor, "On a dynamical theory of the electric and luminiferous medium", Philosophical Transactions of the Royal Society 190, (1897) pp. 205–300 (Third and last in a series of papers with the same name)

Further reading

  • Reducing the Barriers to Fusion Electric Power; G. L. Kulcinski and J. F. Santarius, October 1997 Presented at "Pathways to Fusion Power", submitted to Journal of Fusion Energy, vol. 17, No. 1, 1998. (Abstract in PDF)
  • Robert L. Hirsch, "Inertial-Electrostatic Confinement of Ionized Fusion Gases", Journal of Applied Physics, v. 38, no. 7, October 1967
  • Irving Langmuir, Katharine B. Blodgett, "Currents limited by space charge between concentric spheres" Physical Review, vol. 24, No. 1, pp49–59, 1924
  • R. A. Anderl, J. K. Hartwell, J. H. Nadler, J. M. DeMora, R. A. Stubbers, and G. H. Miley, Development of an IEC Neutron Source for NDE, 16th Symposium on Fusion Engineering, eds. G. H. Miley and C. M. Elliott, IEEE Conf. Proc. 95CH35852, IEEE Piscataway, New Jersey, 1482–1485 (1996).
  • "On the Inertial-Electrostatic Confinement of a Plasma" William C. Elmore, James L. Tuck, Kenneth M. Watson, The Physics of Fluids v. 2, no 3, May–June, 1959
  • "D-3He Fusion in an Inertial Electrostatic Confinement Device" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2009-03-16. Retrieved 2004-08-25. (142 KB); R. P. Ashley, G. L. Kulcinski, J.F. Santarius, S. Krupakar Murali, G. Piefer; IEEE Publication 99CH37050, pp. 35–37, 18th Symposium on Fusion Engineering, Albuquerque NM, 25–29 October 1999.
  • G. L. Kulcinski, Progress in Steady State Fusion of Advanced Fuels in the University of Wisconsin IEC Device, March 2001
  • Fusion Reactivity Characterization of a Spherically Convergent Ion Focus, T.A. Thorson, R.D. Durst, R.J. Fonck, A.C. Sontag, Nuclear Fusion, Vol. 38, No. 4. p. 495, April 1998. (abstract)
  • Convergence, Electrostatic Potential, and Density Measurements in a Spherically Convergent Ion Focus, T. A. Thorson, R. D. Durst, R. J. Fonck, and L. P. Wainwright, Phys. Plasma, 4:1, January 1997.
  • R. W. Bussard and L. W. Jameson, "Inertial-Electrostatic Propulsion Spectrum: Airbreathing to Interstellar Flight", Journal of Propulsion and Power, v 11, no 2. The authors describe the proton — Boron 11 reaction and its application to ionic electrostatic confinement.
  • R. W. Bussard and L. W. Jameson, "Fusion as Electric Propulsion", Journal of Propulsion and Power, v 6, no 5, September–October, 1990
  • Todd H. Rider, "A general critique of inertial-electrostatic confinement fusion systems", M.S. thesis at MIT, 1994.
  • Todd H. Rider, "Fundamental limitations on plasma fusion systems not in thermodynamic equilibrium", Ph.D. thesis at MIT, 1995.
  • Todd H. Rider, "Fundamental limitations on plasma fusion systems not in thermodynamic equilibrium" Physics of Plasmas, April 1997, Volume 4, Issue 4, pp. 1039–1046.
  • Could Advanced Fusion Fuels Be Used with Today's Technology?; J.F. Santarius, G.L. Kulcinski, L.A. El-Guebaly, H.Y. Khater, January 1998 [presented at Fusion Power Associates Annual Meeting, 27–29 August 1997, Aspen CO; Journal of Fusion Energy, Vol. 17, No. 1, 1998, p. 33].
  • R. W. Bussard and L. W. Jameson, "From SSTO to Saturn's Moons, Superperformance Fusion Propulsion for Practical Spaceflight", 30th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 27–29 June 1994, AIAA-94-3269
  • "Robert W. Bussard presentation video to Google Employees — Google TechTalks". 9 November 2006. Archived from the original on 2007-11-10.
  • David, Schneider, "Fusion from Television?". American Scientist, July–August
  • "University of Wisconsin-Madison IEC homepage". Archived from the original on 2003-08-17.
  • RTFTechnologies.org IEC Fusion Reactor Detailed IEC reactor construction information
  • Neutrons for sale — New Scientist article
  • Fusion Experiments Show Nuclear Power's Softer Side — Wired article
  • Various Patents and Articles Related to Fusion, IEC, ICC and Plasma Physics
  • How a Small Vacuum System and a Bit of Basketweaving Will Get You a Working Inertial-Electrostatic Confinement Neutron Source
  • Description of Bussard's "aneutronic" boron version
  • Fusor.net Forum for hobbyist fusor builders
  • NSD-Fusion
  • "North West Nuclear Consortium". Archived from the original on 2013-12-03.{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link) Teaches high school students fusors.
  • The Farnsworth Fusor Archived 2013-09-07 at the Wayback Machine at the Farnsworth Chronicles (farnovision.com)
  • How-to: Making A Fusor in 60 minutes
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