¿Cómo podemos crear metales pesados ​​en un reactor de fusión (suponiendo que podamos mantener una reacción de fusión)?

Answer 1

Un reactor de fusión comercial que genere electricidad para la red a granel (algo que aún no existe) no podrá, pero en teoría es posible construir un reactor dedicado a producir elementos más pesados, aunque el motivo por el que desearía está más allá de mí.

La producción de elementos más pesados ​​se remonta a Glenn Seaborg en UC Berkeley en las décadas de 1930 y 1940. Descubrió (con la ayuda de un increíble grupo de estudiantes de posgrado y otros investigadores) diez increíbles elementos pesados: plutonio, americio, berkelio, curio, einsteinio, mendelevio, nobelio, fermio, californio y el elemento nombrado para este gran químico. , seaborgium.

La idea básica de la producción de elementos pesados ​​es bastante simple. Tome hidrógeno ionizado (realmente solo un protón), acelere lo suficientemente rápido como para que pueda superar la repulsión electrostática del núcleo de algún átomo objetivo (generalmente uranio 238), y “presto changeo” tiene un elemento más pesado que el más pesado de forma natural. elemento que ocurre, el 92 protones de uranio.

Este método es lento y costoso, pero produce productos muy limpios con poca contaminación de nucleidos no deseados. Por supuesto, eso fue un problema durante el Proyecto Manhattan. Seaborg y su equipo produjeron Plutonio 239 ridículamente de alta calidad para que el equipo de Los Alamos los analice y tome decisiones de diseño. Debido a que el plutonio 239 tiene una tasa muy baja de fisión espontánea (en la que el núcleo se divide sin ser bombardeado por un neutrón), se pensó que el plutonio podría usarse en una bomba tipo pistola como el uranio que se usaba en Little Boy.

Pero el acelerador producido por el plutonio nunca iba a ser suficiente para construir una bomba (es un proceso dolorosamente lento), y por lo tanto, los poderes que se deben tener en cuenta que se tuvo que inventar otro método para generar el plutonio. Por lo tanto, el reactor reproductor Hanford. Un reactor reproductor es solo un reactor nuclear basado en uranio que usa un moderador de grafito (hay otros diseños, en realidad) para reducir la velocidad de los neutrones, y produce un montón de plutonio (y otras cosas) además de dividir los átomos de uranio.

El problema surgió cuando el equipo de Los Alamos comenzó a recibir muestras de plutonio producido en el reactor y se dio cuenta de que el plutonio muy puro contenía demasiado Pu-240, en lugar de Pu-239 (que era lo que querían). El Pu-240 tiene una tasa muy alta de fisión espontánea, genera muchos neutrones adicionales y, en un arma de tipo arma, causaría un chisporroteo muy costoso en lugar de la esperada explosión. Por lo tanto, se concibió el dispositivo de tipo implosión, ya que la compresión explosiva del plutonio en una geometría crítica superaría la tendencia natural del plutonio a separarse. Básicamente, mantenga el plutonio en una geometría crítica el tiempo suficiente para que ocurran suficientes generaciones de fisión y el número de eventos de fisión aumente hasta el punto de explotar.

Bien, entonces probablemente estés aburrido en este momento y te preguntes: “¿Cuándo va a responder este tipo mi pregunta real?”. Lo siento, me gustan las interrelaciones dentro de la ciencia y la tecnología, y hay un montón de ellas. Pero, volviendo a nuestra historia original.

Los elementos pesados ​​generados dependen de los elementos pesados ​​de los que está hablando. Técnicamente, cualquier cosa más pesada que el hidrógeno (que es todo excepto hidrógeno, duh) es un elemento pesado, ya que tiene que ser producido por alguna reacción nuclear en algún momento de la historia del universo. Así, el helio se produjo en el estado caliente y denso del Big Bang cuando el hidrógeno se fusionó para formarlo, y continúa produciéndose en los núcleos de las estrellas por el mismo proceso.

El litio, el berilio y algo de boro se formaron en los primeros minutos después del Big Bang, en gran parte por el mismo proceso pero en condiciones diferentes. Más pesados ​​que eso siempre se producen en los núcleos de las estrellas, hasta el hierro y el níquel. Más allá del hierro y el níquel, la reacción se vuelve endotérmica, lo que requiere más energía de la que emite, y aunque ocurren, ocurren a un ritmo mucho más bajo que los demás. Estos elementos se generan casi por completo en supernova. Este proceso incluye hasta uranio, que es el elemento natural más pesado. En realidad, el plutonio se produce en supernovas, pero el Pu-239 “solo” tiene una vida media de 24,000 años, y todos los isótopos del plutonio son menos de 100 millones de años, por lo que prácticamente desapareció antes de que los humanos aparecieran en escena. (probablemente antes de que la Tierra se uniera).

Entonces, si desea crear elementos pesados ​​como carbono, oxígeno y nitrógeno, seguro, no hay problema. Construya un reactor de fusión simple (recomiendo un fusor), aliméntelo con una materia prima de hidrógeno, encienda la alimentación y deje que comience a fusionarse. Tendrá que mantener esto durante bastante tiempo y seguir reciclando el producto para producir elementos cada vez más pesados ​​(sin mencionar el aumento del voltaje), pero eventualmente debería rastrear cantidades de incluso los elementos más pesados. Teóricamente, al menos, incluso podría llegar al plutonio, aunque serían pequeñas cantidades (casi indetectables sin un espectrómetro de masas, algo que no tengo sentado en la casa).

O bien, podrías extraer todo lo que quieras de la Tierra. En realidad, es mucho más barato que los elementos producidos por el reactor, y mucho más abundante.

De acuerdo, uno más aparte. Los reactores de fusión son muy favorecidos debido a la abundancia de combustible (hay suficiente deuterio en una milla cúbica de agua de mar para alimentar a toda la Tierra casi para siempre) y porque no generan radioisótopos de larga vida.

Por lo tanto, hay cuatro tipos de radiación: alfa (núcleos de helio cargados positivamente), beta (electrones o sus positrones equivalentes antimateria), gamma (luz / fotones de alta energía) y neutrones. Alpha es bastante inofensivo a menos que lo consigas dentro de tu cuerpo. Grande y cargado, no se necesita mucho para detenerlo. De hecho, puedes sostener una esfera de Pu-239 con nada más que un guante de algodón que te protege. Beta también es bastante inofensivo. Una tarjeta de crédito es suficiente para proteger la radiación beta. Los gammas son más peligrosos. Ligero y sin carga, se necesita un montón para detenerlos, siendo el plomo el blindaje preferido (la criptonita debe emitir algún tipo de radiación gamma), aunque el tungsteno funciona bien.

La radiación de neutrones es la más peligrosa. Los neutrones grandes y pesados ​​no tienen carga (de ahí el nombre, neutrón = neutro), y siguen volando hasta que se topan con algo, sin importar si se trata de un núcleo de calcio en el concreto, un núcleo de hierro en una célula sanguínea o un núcleo de oxígeno en ADN Si los fotones gamma son balas, los neutrones son balas de cañón.

Y aquí está el punto: los reactores de fusión producen SEIS VECES la cantidad de neutrones por unidad de energía generada como reactores de fisión. Esto significa que el reactor de fusión debe tener un blindaje pesado, y que el blindaje se irradia a medida que el reactor funciona.

Mi primer compañero de entrenamiento me dijo que las dos claves para fortalecerse son la consistencia y la intensidad. Tienes que ir todos los días (o cada dos días, el descanso es importante), y debes agregar peso si quieres ponerte más fuerte. Curiosamente, cuando descubres los efectos de la radiación, se aplican las mismas reglas. La consistencia, o cuánto tiempo se irradia el material, cambia la forma en que el material se vuelve radiactivo. Y la intensidad, o la fuerza de la radiación (y qué tan lejos está el material), también cambia la forma en que el material se vuelve radiactivo.

Entonces, los reactores de fusión producen más neutrones y, por lo tanto, el blindaje se irradia más que en un reactor de fisión. De hecho, si alguna vez se desarrollan reactores de fusión comerciales, probablemente tendrán que reconstruir los reactores como cada cinco años más o menos.

A menos que puedan encontrar una manera de crear una capa de material de alta densidad entre el plasma y el blindaje. Y aquí es donde nuestra historia cierra el círculo, porque uno de los mejores candidatos para esta manta es el litio fundido. ¿Por qué litio? Porque si golpeas un núcleo de litio (y puede ser litio 6 o litio 7) con un neutrón, a menudo producirá un átomo de helio más un átomo de tritio.

Ese tritio se puede usar para alimentar el reactor, ya que la reacción de energía más baja (o mayor probabilidad) es Deuterio-Tritio, más comúnmente conocido como fusión DT. Además, si creamos una suspensión de plomo-litio fundido, el blindaje será aún mejor.

Y esta es la idea esencial detrás del concepto de General Fusion. En realidad, una de las ideas esenciales. También se ha considerado una posibilidad para los tokamaks como ITER.

E incluso podemos llevar este concepto un paso más allá. Si agregamos uranio fundido a esa mezcla, incluso U-238 (que solo puede fisionarse cuando es golpeado por un neutrón de muy alta energía), podemos usar de manera más efectiva la energía generada por la reacción de fusión y producir casi cero actínidos de larga vida.

Nada de esto se ha probado más allá de las simulaciones por computadora, pero las ideas son válidas y deberían funcionar, aunque pueden necesitar algunos ajustes. Lo que quiero decir es que no necesitamos descubrir algo de ciencia nueva para que funcione.

Entonces, todo esto para decir, sí, los reactores de fusión se pueden usar para producir elementos pesados, aunque el uso más probable es producir un elemento bastante ligero (es decir, tritio).

Espero que esto responda a su pregunta, y si tiene más preguntas sobre el tema, siéntase libre de comentar sobre esta. Responderé o editaré mi respuesta según sea necesario.