¿Cómo producen electricidad los reactores de fusión termonuclear?

Answer 1

Aquí hay 5 caminos propuestos para generar energía a partir de la fusión.

• Ciclo de vapor. El enfoque más simple; el que ya hacemos comúnmente en las centrales eléctricas. Toma el calor del reactor de fusión y calienta un fluido. Esto hace girar las turbinas, que producen electricidad. El fluido puede ser agua, sales fundidas u otra cosa. El enfoque de General Fusion utiliza este método. General Fusion está calentando una mezcla de plomo y litio, y luego fluye a través de un segundo circuito que calienta el fluido. Eficiencia típica en el ciclo de vapor: de 20 a 40% de captura de energía.

• Conversión directa : el escape de un reactor de fusión es una mezcla de iones, electrones, helio caliente y neutros. Si puede “superar esto en sumisión”, y separa solo, digamos, los iones (+), puede intentar la conversión directa. Aquí es donde una corriente de partículas de alta energía (+) golpea una superficie metálica. Esto tiene una parte metálica positiva, lo que permite que la corriente fluya a otros lugares. Tiene una terminal positiva en un circuito. Este método fue propuesto por primera vez a fines de la década de 1960 por el Dr. Dick Post en LLNL [3]. Durante los años 70, los Estados Unidos volcaron dinero en la investigación de fusión y el Dr. Raulph Moir y el Dr. William Barr lideraron un equipo para desarrollar la conversión directa. En 1983, demostraron una captura de energía del 48% de descuento en una máquina de espejo de fusión [1]. Eso fue en un laboratorio, pero no puedo entender por qué el mundo no se volcó sobre esto. Esa es una de las mejores capturas de energía, en el proceso más enérgico conocido por la humanidad. Hacer que funcione en un entorno a gran escala presenta muchos desafíos {2}. Una de las grandes es: la superficie de metal se arruina y se degrada, entonces, ¿cómo mantiene DC funcionando con el tiempo? La conversión directa es muy similar a las baterías radiactivas; donde un elemento radiactivo emite material que se convierte en energía. Esto hace que la batería de “25 años”.

• Tubo de onda itinerante. Esto ha sido propuesto por los partidarios de focus fusion. No sé si FF funcionará alguna vez, pero les gusta este concepto. Tampoco estoy seguro de que los tubos de ondas viajeras se hayan probado realmente. Fusion produce una cantidad de iones (+) a un potencial eléctrico muy alto (también conocido como voltaje). La idea es tomar este haz de iones de alta energía y usar su voltaje para conducir una corriente. Los iones positivos vuelan por el centro de un tubo forrado con una bobina de alambre. A medida que pasan (+), atraen electrones (-) con ellos, creando una corriente que fluye. Nuevamente, no estoy seguro de que esta idea haya sido probada completamente: IDK.

• Crianza de tritio. Fusion produce neutrones. El juego de fusión se trata de hacer neutrones; ¿cuántos? Que tasa ¿Cuánto tiempo? Puede usar los neutrones para hacer más combustible de fusión (en este caso, tritio). Reacciona los neutrones con litio y esto produce tritio, luego lo separa y lo devuelve a su reactor de fusión. Odio el tritio por el poder de fusión. He argumentado repetidamente que los proyectos de fusión comercial no necesitan los costos de combustible, costos de seguridad, problemas de almacenamiento, costos ambientales o dolores de cabeza regulatorios que vienen con el tritio. Los inconvenientes: mucho, mucho, mucho más que el impulso de fusión que obtienes con el tritio.

• Híbridos de fusión / fisión . Desde que la fusión ha existido, ha habido propuestas para usar los neutrones de la fusión para iniciar la fisión, por ejemplo, un combustible de uranio. Un reactor de fusión, cuya energía es amplificada por un combustible de fisión. Hace unos años, cuando Livermore estaba impulsando LIFE (Laser Inertial Fusion Energy) y NIF, escribieron documentos y dieron presentaciones sobre un enfoque híbrido de fusión / fisión. En todos estos esquemas había métricas para (1) la energía del láser de entrada (2) la energía hecha de la fusión y (3) la energía que sale de la amplificación de fisión.

En 2014, retiraron la idea LIFE de sus prioridades y sitio web [4]. ¡Durante el verano, el Departamento de Energía admitió que NIF nunca se encenderá! ¿Dónde está la indignación del contribuyente? ¡Se gastaron ~ 3.500 millones en esto!

Citas:

1. William Barr y Raulph Moir, resultados experimentales de un convertidor directo de haz a 100 kV ”
2. Rosenbluth y Hinton, 1994, “Problemas genéricos con la conversión directa”
3. Dick Post, 1969 “Sistemas espejo: ciclos de combustible, retención de pérdidas y recuperación de energía”
4. Kramer, David. “Livermore termina la vida”. Livermore termina la vida. Physics Today, abril de 2014. Web. 17 de mayo de 2014.

Answer 2

Hacer electricidad va a ser un GRAN problema REAL. El primer problema es transferir todo ese calor a un fluido de trabajo. Digamos que el recipiente de fusión tiene 10 metros cuadrados de superficie interna y que el nivel de potencia es de 1,000 megavatios. Elegimos 1,000 megavatios, ya que podría ser el tamaño más pequeño que sea económico, después de todo, el dispositivo va a ser muy costoso, por lo que tenemos que aprovechar cualquier economía de escala que podamos obtener.

Por lo tanto, necesitamos que cada metro cuadrado de superficie interior pase 100,000,000 vatios de calor a algún fluido de trabajo. Eso es todo un desafío. El calor se mueve muy lentamente, a través de la difusión térmica, la caminata de energía semi-aleatoria a través de un gradiente de temperatura. Si usamos aluminio para la pared del recipiente, digamos 1 centímetro de grosor, eso sería 10,000 vatios de calor por centímetro cuadrado. Bueno, eso no es tan malo, el aluminio cae 1 grado por cada 205 vatios en un cubo, por lo que el interior solo sería 50 grados más cálido que el exterior. El siguiente problema es mover el calor para decir, agua. Necesitaría un caudal muy alto, miles de galones por segundo, por lo que necesitará muchos pasos a través del aluminio y bombas muy grandes. Será un desafío de ingeniería muy difícil instalar intercambiadores de calor que sean lo suficientemente eficientes para evitar que las cosas se derritan y no se filtren o corroan en pedazos bajo los grandes flujos de temperatura y los flujos de neutrones y rayos gamma.

Answer 3

El plan actual es hervir agua y hacer funcionar una turbina para generar electricidad. Tenga en cuenta que las turbinas utilizan el calor de la fusión, mientras que los paneles solares utilizan la luz de la fusión.

Poner paneles solares no es realmente viable debido al confinamiento. Cada tokamak diseñado hoy es opaco y no se puede instalar un panel solar dentro del tokamak donde la luz brillaría porque el panel y todo lo demás junto con él se derretiría instantáneamente con el plasma debido al calor.

Answer 4

Al igual que para los reactos nucleares de fisión, también para los de fusión: “a pesar de su sofisticación e imagen del mundo moderno, los reactores nucleares no son más que una forma alternativa de calentar el agua en una caldera de una máquina de vapor”.

Como se muestra en la ilustración en la respuesta de Vineet Menon , en el caso de un tokamak, el agua circula por todas las superficies del toro (no solo el orificio central de la rosquilla) y luego sale para impulsar una turbina (a través de algunos intercambiadores de calor, primero, para que el vapor en la turbina no sea lo mismo que circula en el reactor radiactivo), que luego enciende los generadores eléctricos.

Answer 5

Existen diseños de ingeniería para reactores de fusión en funcionamiento: se suponía que los físicos resolverían los problemas de contención de tokamak en diez o veinte años y queríamos tener el diseño de ingeniería: problemas de materiales, contención y manejo de isótopos, diseño de plantas de energía. , y así sucesivamente, hecho simultáneamente. Entonces podríamos “inmediatamente” comenzar la construcción.

Esto se hizo en la década de 1970.

Pero me gusta la pregunta! La transferencia de calor de las reacciones de fisión al agua en circulación en un reactor de agua ligera parece trivial en comparación con un reactor de fusión. En los reactores de agua ligera, tenemos el combustible en decenas de miles de barras de combustible de 12 pies de largo, lo que nos da mucha superficie para transferir el calor. La relación de superficie a volumen es bastante grande, ya que hemos dividido el volumen en 200,000 pies de cilindros delgados. En el exterior, un tokamak, por otro lado, es un cilindro grande: parece que los problemas de transferencia de calor en un reactor de potencia de tokamak empequeñecerán a los de un reactor de fisión.

Hay una cosa para nosotros. La reacción más fácil con diferencia es el deuterio-tritio, que emite neutrones de 14 MeV. Estos llevan la mayor parte de la energía de la reacción, mucho más de la mitad. Estos luego penetran las paredes del reactor y depositan su energía dentro de la pared volumétricamente (en el lado inferior, también causan daños por radiación y productos de activación significativos: hacen que la pared sea radiactiva).