FÍSICA NUCLEAR

FUSIÓN NUCLEAR :

factor de ganancia de energía de fusión o simplemente ganancia de energía de fusión, expresada normalmente como Q, es el cociente de la energía de fusión producida en un reactor de fusión nuclear respecto a la energía requerida para mantener el plasma enestado estacionario. Es decir, la relación entre la cantidad de energía que entra al sistema y la que éste genera. Se le denomina punto de equilibrio a la condición Q = 1.

En un reactor de fusión se ha de mantener plasma a alta temperatura (del orden de 100 millones de Kelvin) para que pueda ocurrir una fusión nuclear. Parte de esta potencia viene de la fracción de energía contenida en el material cargado (plasma) f_ch de la energía de salida de la reacción de fusión P_fus. Esta potencia puede designarse como f_chP_fus. El resto de la potencia del sistema, P_heat llega de fuentes externas requeridas para calentar el plasma u otras funciones de control y mantenimiento. Esta potencia es perdida en varios procesos hacia los muros de la cámara de plasma. En la mayoría de los diseños de reactores, varias limitaciones resultan en la salida de este calor del reactor a relativamente baja temperatura, por lo que poco o nada de éste puede aprovecharse en la generación de potencia eléctrica. En estos reactores, la potencia eléctrica es producida a partir de la fracción de energía contenida en los neutrones (1 - f_ch)P_fus. Los neutrones no están contenidos por los campos magnéticos(en confinamiento magnético) ni en el plasma denso (en confinamiento inercial) pero son absorbidos por los muros o cobertura del núcleo del reactor. Debido a varias reacciones exotérmicas y endotérmicas, la cobertura puede tener una ganancia de energía unos puntos porcentuales por encima o por debajo de 100%, pero que será obviado aquí. La energía de los neutrones puede ser usada para calentar un medio como helio gaseoso o litio líquido a alta temperatura y usar a continuación este medio para producir electricidad a una eficiencia η_elec, tal que la potencia eléctrica P_elec = η_elec(1 - f_ch)P_fus. Una fracción de la potencia eléctrica es recirculada para realimentar los sistemas del reactor, f_recirc. Se requiere potencia para iluminación, bombeo, producción de los campos magnéticos, etc., pero la mayor parte es usada para el calentamiento del pasma, por lo que podemos escribir P_heat = η_heatP_elec, donde η_heates la eficiencia con la que la potencia eléctrica es convertida al tipo de potencia requerida para calentar el plasma.

La potencia de calentamiento puede así relacionarse con la potencia de fusión (la que es generada por la reacción de fusión) por la siguiente ecuación:

El factor de ganancia de energía de fusión es definido como queda:

Para la reacción D-T, f_ch = 0.2. Los valores de eficiencia dependen de detalles del diseño pero pueden hallarse en el rango η_heat = 0.7 y η_elec = 0.4. El objetivo de un reactor de fusión es producir energía, no recircularla, por lo que un diseño práctico debe tener f_recirc = 0.2 aproximadamente. Un valor menor será mejor, pero tanto más difícil de conseguir. Usando estos valores podemos encontrar para un reactor al uso un valor Q = 22. Por supuesto, Q = 15 sería suficiente y Q = 30 podría ser alcanzable, pero este simple cálculo muestra la magnitud de la ganancia de energía requerida. Téngase en cuenta que para el experimento JET con un modelo Tokamak se consiguió Q = 0.7 < 1 y está previsto conseguirse un Q = 10 con el futuro ITER (también basado en Tokamak).

En el proceso, existe un canal de pérdida de energía que es independiente del esquema de confinamiento (inercial, magnético, magnético-inercial...) y que resulta prácticamente imposible evitar, la radiación asociada al Bremsstrahlung. Al igual que la densidad de potencia de la fusión, la densidad de potencia de la Bremsstrahlung depende del cuadrado de la densidad del plasma, pero no crece tan rápidamente con la temperatura. Igualando las dos densidades de potencia, se puede determinar la menor temperatura para la que la potencia de fusión puede superar la de la Bremsstrahlung. Esta temperatura de ignición se encuentra alrededor de los 4 keV para la reacción D-T y sobre los 35 keV para la reacción D-D.

fusión aneutronica es cualquier forma de energía de fusión donde los neutrones no llevan más de un 1% de la energía total liberada.¹ Las reacciones de fusión más estudiadas liberan hasta un 80% de su energía en neutrones. El éxito en la fusión aneutrónica reduciría en gran medida los problemas asociados con la radiación por neutrones, tales como daños ionizantes, la activación por neutrones, y los requisitos para el blindaje biológico, manipulación a distancia, y la seguridad.- ............................:http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Especial:Libro&bookcmd=download&collection_id=26f54af1586dc6eae8ff7b3e370541f83180d083&writer=rdf2latex&return_to=Fusi%C3%B3n+aneutr%C3%B3nica

La fusión aneutrónica produce neutrones de alta energía, pero muchos menos que la fusión convencional. La colisión de protones con núcleos de boro 11 produce sobre todo radiación alfa (núcleos de helio) de alta energía en lugar de neutrones. A veces se afirma que la fusión aneutrónica está “limpia” de radiación ionizante, pero en realidad lo que ocurre es que contener la radiación alfa requiere un blindaje más delgado. No todo son ventajas. La fusión p11B requiere alcanzar una temperatura del plasma mucho más alta que la fusión D-T (deuterio-tritio), lo que impide su uso en reactores de fusión por confinamiento magnético. Por fortuna, la fusión pulsada en reactores por confinamiento inercial no parece imposible, en principio, siempre que el plasma pB esté fuera del equilibrio. Christine Labaune (LULI, Ecole Polytechnique, CNRS, Francia) y sus colegas han publicado en Nature Communications un nuevo avance en esta tecnología basado en el uso de dos láseres diferentes. Un láser de picosegundos calienta el plasma de protones durante unos picosegundos y lo hace colisionar con un plasma de núcleos de boro previamente calentado por un láser de nanosegundos. Han observado la emisión de radiación alfa, sin presencia apreciable de neutrones de alta energía. Un gran éxito, aunque sólo un pequeño paso hacia la fusión aneutrónica como una realidad comercial. Sobre todo porque la escalabilidad del nuevo sistema es muy difícil y el breakeven puede tardar décadas en ser alcanzado. Nos lo cuenta Ron Cowen, “Two-laser boron fusion lights the way to radiation-free energy,” News, Nature, 8 Oct 2013; el artículo técnico es C. Labaune et al., “Fusion reactions initiated by laser-accelerated particle beams in a laser-produced plasma,” Nature Communications 4: 2506, 8 Oct 2013 (arXiv:1310.2002[physics.plasm-ph]).

La fusión p11B por confinamiento inercial mediante pulsos láser requiere pulsos más cortos (en el régimen de los picosegundos) que en la fusión D-T, por ello la configuración experimental es diferente. Christine Labaune y sus colegas del laboratorio LULI llaman Pico2000 a su esquema con dos láseres. El láser de nanopulsos inyecta en los átomos de boro (20% de boro-10 y 80% de boro-11) una energía de 400 J (julios) en pulsos cuadrados de entre 1,5 y 4,0 ns (nanosegundos) con una longitud de onda de 530 nm. La intensidad promedio del láser es de 5 × 1014 W/cm² e incide con una ángulo de 45º en blanco de boro, produciendo un plasma de boro que expulsa los electrones. El láser de picopulsos con longitud de onda de 530 nm inyecta en los protones una energía de 20 J en 1 ps (picosegundo). La intensidad promedio de este láser es de 6 × 1018 W/cm². El ángulo relativo entre ambos haces láser es de 112,5º y el retraso entre sus pulsos se puede ajustar entre 0,25 y 1,2 ns.

Esta figura, parte izquierda, muestra una imagen de los tres plasmas: protones, electrones y núcleos de boro. La parte derecha de la figura presenta una imagen detallada del plasma de núcleos de boro. Como se ve es poco uniforme y uno de los objetivos futuros del laboratorio de LULI será mejorar la homogeneidad del plasma, acercándola a la observada en las simulaciones por ordenador.

Se han realizado múltiples experimentos. Las predicciones teóricas indican que la energía del haz de partículas alfa debe estar en el rango de 0,5 a 8 MeV. La máxima energía alcanzada en los experimentos ha sido de 7,1 MeV (parte derecha de esta figura), siendo el valor típico entre 3,3 y 5,4 MeV. El número de trazas (tracks) de partículas alfa observadas es inferior a 140, es decir, se ha demostrado que unos 140 protones se han fusionado con unos 140 núcleos de boro. No es un número para tirar cohetes, pero indica una tasa máxima de reacción de 9 × 106 sucesos por estereorradián (sr), ya que el ángulo sólido de observación es de 1,1 × 10-5 sr. ¿Podría ser contaminación radiactiva la radiación alfa observada? Los autores del estudio creen que no pues corresponde a las expectativas teóricas de los modelos numéricos de simulación. Aún así las pruebas son poco firmes y por ello el artículo se publica en Nature Communications en lugar de una revista más prestigiosa.