fusión piroeléctrica

La fusión piroeléctrica se refiere a la técnica de usar cristales piroeléctricos para generar campos electrostáticos de alta intensidad que aceleran iones de deuterio ( quizás también se use tritio algún día) hacia un blanco de hidruro metálico que también contiene deuterio (o tritio) con suficiente energía cinética para que estos iones experimenten fusión nuclear . Fue reportada en abril de 2005 por un equipo de la UCLA . Los científicos usaron 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 núcleos de deuterio hacia un blanco de deuteruro de erbio . Aunque la energía de los iones de deuterio generados por el cristal no se ha medido directamente, los autores usaron 100 keV (una temperatura de aproximadamente 10⁹ ^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 ]} 

El proceso de aceleración de iones ligeros mediante campos electrostáticos e iones de deuterio para producir fusión en blancos sólidos deuterados fue demostrado por primera vez por Cockcroft y Walton en 1932 (véase el generador de Cockcroft-Walton ). Este proceso se utiliza en versiones miniaturizadas de su acelerador original, en forma de pequeños generadores de neutrones de tubo sellado , para la exploración petrolera .

El proceso de piroelectricidad se conoce desde la antigüedad. ^{[ 6 ]} El primer uso de un campo piroeléctrico para acelerar deuterones se realizó en un experimento de 1997 llevado a cabo 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 ( LiTaO ₃ ) en experimentos de fusión.

La idea innovadora del método piroeléctrico para la fusión radica en la aplicación del efecto piroeléctrico para generar campos eléctricos aceleradores. Esto se logra calentando el cristal desde -34 °C hasta +7 °C durante unos pocos minutos.

La fusión nuclear DD impulsada por cristales piroeléctricos fue propuesta por Naranjo y Putterman en 2002. ^{[ 8 ]} También fue discutida por Brownridge y Shafroth en 2004. ^{[ 9 ]} La posibilidad de usar cristales piroeléctricos en un dispositivo de producción de neutrones (por fusión DD) fue propuesta en un artículo de conferencia por Geuther y Danon en 2004 ^{[ 10 ]} y más tarde en una publicación que discutía la aceleración de electrones e iones por cristales piroeléctricos. ^{[ 11 ]} Ninguno de estos autores más recientes tenía conocimiento previo del trabajo experimental anterior de 1997 realizado por Dougar Jabon, Fedorovich y Samsonenko que creía erróneamente que la fusión ocurría dentro de los cristales. ^{[ 7 ]} El ingrediente clave de usar una aguja de tungsteno para producir una corriente de haz de iones suficiente para usar con una fuente de alimentación de cristal piroeléctrico fue demostrado 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 otras 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. ^{[ 12 ]}

En abril de 2005, un equipo de la UCLA dirigido por el profesor de química James K. Gimzewski ^{[ 13 ]} y el profesor de física Seth Putterman utilizó una sonda de tungsteno unida a un cristal piroeléctrico para aumentar la intensidad del campo eléctrico. ^{[ 14 ]} _{Brian Naranjo ,} un estudiante de posgrado que trabajaba con Putterman, llevó a cabo el experimento que demostró el uso de una fuente de energía piroeléctrica para producir fusión en un dispositivo de sobremesa de laboratorio. ^{[ 15 ]} El dispositivo utilizó un cristal piroeléctrico de tantalato de litio ( LiTaO3 ) para ionizar átomos de deuterio y acelerar los deuterones hacia un blanco estacionario de dideuteruro de erbio ( _ErD2 ) . 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 micropropulsores para propulsión espacial .

Un equipo del Instituto Politécnico Rensselaer , liderado por Yaron Danon y su estudiante de posgrado Jeffrey Geuther, mejoró los experimentos de la UCLA utilizando un dispositivo con dos cristales piroeléctricos y capaz de operar a temperaturas no criogénicas. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

La fusión piroeléctrica ha sido exagerada en los medios de comunicación, ^{[ 18 ]} que pasaron por alto el trabajo de Dougar Jabon, Fedorovich y Samsonenko. ^{[ 7 ]} La fusión piroeléctrica no está relacionada con las afirmaciones anteriores de reacciones de fusión, ya que se observó durante experimentos de sonoluminiscencia ( fusión de burbujas ) realizados bajo la dirección de Rusi Taleyarkhan de la Universidad de Purdue . ^{[ 19 ]} Naranjo del equipo de UCLA fue uno de los principales críticos de estas afirmaciones anteriores de Taleyarkhan sobre la fusión. ^{[ 20 ]}

Los primeros resultados exitosos con fusión piroeléctrica utilizando un blanco tritiado se informaron en 2010. ^{[ 21 ]} Putterman y Naranjo trabajaron con T. Venhaus del Laboratorio Nacional de Los Alamos para medir una señal de neutrones de 14,1 MeV muy por encima del fondo.

• Fuentes de neutrones
• Generador de neutrones
• Piroelectricidad

• "Sitio web de fusión de cristales de UCLA" Archivado el 7 de mayo de 2005 en Wayback Machine.
• "Principalmente fusión fría"
• "Actualización de noticias de física 729"
• "Saliendo del frío: la fusión nuclear, de verdad | csmonitor.com"
• "Fusión nuclear en el escritorio... ¡de verdad! - Ciencia - nbcnews.com - ¡un artículo para ensalzar al gran equipo de UCLA! De nuevo, véase la referencia 2 (arriba) para saber quién merece el reconocimiento primero."
• "En la referencia 3 (arriba) se encuentran métodos complementarios para la "Observación de la fusión nuclear impulsada por un cristal piroeléctrico".