¿Qué mecanismo (s) puede crear las temperaturas y presiones requeridas en un reactor de fusión?

Answer 1

La fusión ocurre cuando dos átomos chocan. Cuando chocan, existe la posibilidad (una probabilidad) de fusión. La probabilidad depende de:

1. Qué tan rápido chocaron.
2. ¿Fue de frente? o un golpe de mirada?
3. ¿Qué chocó? Átomos de hidrógeno? O plomo?

Los seres humanos han podido producir muchas reacciones de fusión en el laboratorio. Lo hicimos con vigas. Un haz de partículas cargadas (+) que caen por una caída de voltaje (-). Dibujé esto a continuación.

Choca A contra B. Si se produce la fusión, formará neutrones. El negocio de la fusión tiene que ver con los neutrones. En las décadas de 1960 y 1970 fusionamos muchos átomos y medimos la probabilidad de una fusión para cada combustible; para cada par de átomos Compilamos todo esto en una sección transversal. Las secciones transversales, son una “probabilidad de fusibilidad”. Dependen de qué átomos están colisionando y de cuán duro se estrellen entre sí. A continuación se muestra un gráfico de secciones transversales para diferentes pares de átomos a diferentes energías.

El combustible más fácil de usar es el deuterio y el tritio. Ambos son átomos de hidrógeno (isótopos). El siguiente combustible más fácil de fusionar es el deuterio, consigo mismo. Una buena regla general: si dos átomos de deuterio colisionan con 10.000 voltios de electrones, la fusión es una posibilidad.

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¿De cuántas maneras podemos hacer esto? Una tonelada Muchas más formas de las que la mayoría de las personas se dan cuenta. Solo necesitamos dos átomos para colisionar, podemos hacerlo de muchas maneras diferentes. Aquí hay algunos ejemplos (esta no es una lista exhaustiva):

1. Puedes usar campos eléctricos para forzar a los iones a chocar:
A. Viga y un objetivo fijo. (prohibitivamente ineficiente)
B. Dos vigas, de frente (prohibitivamente inestable).
C. Campos hechos por una jaula de alambre fija (fusor) (prohibitivamente ineficiente)
D. Campos hechos por una (-) nube de plasma (trampa de penetración, pops, ect …)

2. Puedes exprimir un plasma, obligando a sus átomos a chocar:
A. Uso de una onda de choque (ICF de accionamiento directo o “fusión láser”)
B. Uso de una onda de choque hecha indirectamente (accionamiento indirecto, NIF)
C. Uso de una onda de choque hecha por haces de partículas (iones pesados ​​ICF)
D. Usando un campo magnético generado (Z-Pinch)
E. Uso de un campo eléctrico generado (Theta-Pinch)
F. Uso de una combinación de campos eléctricos / magnéticos (pizca de tornillo)
G. Usando un campo magnético generado y un rayo láser (MAGLIF)

3. Puede dirigir el plasma para colisionar consigo mismo:
A. Con colisiones frontales en línea (espejos magnéticos)
B. Con colisiones laterales (tokamaks, tokamaks esféricos, estelleradores, etc.)

4. Incluso puede obtener plasma para crear una estructura de vida corta, más densa y cuasi estable. Aquí es donde el movimiento de los plasmas hace que su propio campo magnético se contenga a sí mismo (configuraciones de campo invertido).

Cada método anterior necesitaría proporcionar datos de neutrones (junto con otros indicadores) para calificar como un enfoque de fusión probado. Por ejemplo: en la comunidad de fusores aficionados, una persona debe detectar neutrones, rayos X y radiación gamma.

Answer 2

El mecanismo principal que conocemos es el confinamiento gravitacional. Esto es usado por las estrellas. Tiene la ventaja de ser estable durante largos períodos de tiempo. Las densidades de material en el núcleo de las estrellas son muy altas. Las temperaturas son lo suficientemente altas como para hacer que la fusión ocurra a una velocidad que expande la estrella hasta que la condición de densidad de temperatura sea “correcta”. Por un tiempo de todos modos. Si hace que su reactor sea demasiado grande, se vuelve inestable en ciertos puntos de transición de combustible que conducen a grandes explosiones llamadas supernovas.

Otro mecanismo demostrado con muchas pruebas de bombas atómicas es el confinamiento inercial. Durante cien nanosegundos, la densidad del material se mantiene alta mientras que la temperatura se eleva lo suficiente como para proporcionar la energía para superar la repulsión electrostática. El principal problema con esto es la muy corta duración de la fusión y el gran impulso de energía necesario para calentarlo para que comience. La densidad del combustible de fusión es similar a las condiciones de STP, pero la temperatura puede ser muy muy alta por un corto tiempo, lo que lleva a una gran fracción del combustible disponible que se fusiona en solo unos pocos nanosegundos. El pulso inicial grande se produce con una bomba de fisión. Estos están mal vistos en la geopolítica global, por lo que no construimos máquinas basadas en este principio. Otra posibilidad para el pulso inicial es un enorme banco de láseres para comprimir y calentar una pequeña pastilla de combustible. Uno de estos se ha construido en el NIF en Lawrence Livermore Labs en los EE. UU., Pero aún no ha alcanzado la temperatura, la presión y la duración suficientes para producir una ignición de fusión significativa. Es muy, muy costoso y nunca será una fuente económica de energía, pero nos permitirá continuar estudiando la dinámica de las bombas atómicas bajo el tratado de prohibición de pruebas de bombas atómicas.

El otro mecanismo es el confinamiento de plasma magnético. Esto es desafiante porque necesitas imanes realmente fuertes. También es difícil porque la mayoría de las configuraciones son inestables debido a que los movimientos del plasma son corrientes eléctricas que crean campos magnéticos que tienden a girar y dejar salir el plasma. La configuración de Tokamak es nuestra mayor esperanza. Estas máquinas funcionan a muy baja densidad, por lo que necesitan temperaturas muy altas y un tiempo de confinamiento prolongado para producir una fusión significativa. Las altas temperaturas son producidas por algo así como un horno de microondas que calienta el plasma a temperaturas muy altas durante períodos cortos. Los pulsos breves han producido una fusión significativa en las máquinas Tokamak, pero ninguno se ha acercado aún a un encendido continuo y de equilibrio.