¿Generaremos alguna vez más energía de la fusión nuclear de la que incorporamos?

Answer 1

Se percibe ampliamente que las formas comerciales de fusión nuclear están actualmente a ~ 50 años de distancia (y tal vez siempre lo estarán), pero la realidad es que un pesimismo tan extendido y excesivo sobre la fusión no está justificado.

La fusión práctica siempre será hace más de 50 años (no dentro de 50 años)

La humanidad tomó posesión de una forma práctica de generar energía a partir de la fusión hace más de 50 años con la prueba nuclear Ivy-Mike (1952) que produjo energía de fusión a partir de Deuterio puro a través de la fusión DD. La fusión por fisión de Ivy-Mike produjo mucha más energía de la fusión de lo que se necesitó en explosivos altos para iniciar la explosión de fusión (el factor de ganancia de fusión de Ivy-Mike fue Qe = 100,000 donde la energía de equilibrio de fusión es Qe = 1).

La fusión práctica siempre será hace más de 50 años (no dentro de 50 años). Hoy en día, existen dispositivos de fusión pura más pequeños diseñados para generar energía limpia (no efectos de explosión) a partir de la fusión DD pura de Deuterio separada del agua de mar. Uno de estos diseños híbridos de fusión DT-DD de 2 etapas se llama mini-Mike, que está diseñado para producir un pequeño rendimiento de energía controlada predecible de 250 GJ (o la cantidad de energía liberada al quemar eficientemente alrededor de 1900 galones de gasolina).

Nota: La imagen de arriba es de un primario esférico de Deuterio-Tritio (DT) que produce una onda de detonación termonuclear encendida por choque en un cilindro de líquido criodeuterio ligeramente comprimido y muy comprimido. La mayoría de la energía producida por este dispositivo de fusión pura es producida por la fusión DD de deuterio. El deuterio separado del agua de mar es totalmente no radiactivo y la fusión de este combustible produce solo desechos nucleares totalmente no radiactivos (helio).

La energía necesaria para encender una reacción de fusión termonuclear confinada inercialmente en deuterio-tritio (DT) líquido (o sólido) no es tan grande; es del orden de no más de 10 MJ o aproximadamente la misma cantidad de
energía química almacenada en aproximadamente 1.25 tazas de gasolina automotriz.

El problema es que esta energía debe comprimirse en el espacio (enfocada a un área inferior a 2 mm) y en el tiempo (a menos de 3 nanosegundos).

Estados Unidos tuvo una vez un esfuerzo de diseño de dispositivos de fusión pura bien financiado y organizado durante la guerra fría. Ese esfuerzo se clasificó en ese momento, pero en 2001 el DOE consideró oportuno revelar su existencia [1]. Con la rápida evolución de los láseres de pulso rápido de alta potencia, los controladores de fusión basados ​​en láser se vuelven más baratos y más potentes año tras año. La tasa de evolución técnica de los láseres de pulso rápido de alta potencia supera la velocidad de desarrollo de cualquier otra área técnica importante en las últimas tres décadas. En el futuro cercano, progresaremos rápidamente a controladores de fusión basados ​​en láser capaces de entregar 10 MJ de energía por pulso, que es aproximadamente el nivel requerido para producir de manera confiable la ignición por fusión (NIF actualmente entrega aproximadamente 2 MJ por disparo al hohlraum de fusión que los experimentos sugieren hasta la fecha es aproximadamente una quinta parte de la energía necesaria para producir una ignición de fusión completa).

¿Veremos una fusión nuclear práctica pronto? (*Si, lo haremos*)
http://www.quora.com/Will-we-see-applicable-nuclear-fusion-any-time-soon
[1] – DOE publicó en 2001 el siguiente documento –

DECISIONES DE DECLASIFICACIÓN DE DATOS RESTRINGIDAS DE 1946 AL PRESENTE

http://www.fas.org/sgp/othergov/…

contenidos en la sección C de ese documento son los siguientes hechos:

Información sobre el programa de dispositivos de fusión pura ICF del DOE:

(1) Hecho de que el DOE realizó una inversión sustancial en el pasado para desarrollar un dispositivo explosivo experimental de fusión pura

(2) Que Estados Unidos no tiene y no está desarrollando un arma de fusión pura; y

(3) Que ningún diseño creíble para un arma de fusión pura resultó de la inversión del DOE. (98-15)

Nota: el punto 3 puede ser disputado

Answer 2

Respeto mucho a Bram Cohen, pero voy a estar en desacuerdo con él sobre los plazos y las temperaturas.

Obtener potencia neta significa vencer el equilibrio energético de fusión . John Lawson publicó por primera vez este balance para cualquier enfoque de fusión basado en plasma, en 1956 [1].

Para obtener una red, todo lo que necesita hacer es hacer que esta ecuación sea positiva .

Ese puede ser un problema mucho más fácil de resolver que alcanzar estrictamente altas temperaturas.

Veamos cada término por separado como una guía para la investigación de fusión:

• Velocidad de fusión: Esta es la cantidad de energía que está produciendo al fusionar el combustible. La mayoría de las investigaciones se han centrado en aumentar la tasa de fusión. Esto se hace elevando la temperatura, la densidad y el tiempo de captura, conocido como el producto triple. Los partidarios de ITER, NIF, NSTX, MASTU, Ect … se han centrado únicamente en el producto triple más alto posible, ignorando cosas como: costo, tamaño, facilidad de mantenimiento, seguridad, simplicidad, etc.
• Pérdidas de conducción: esta es toda la energía que sale de la masa, ya que se pierde del núcleo de fusión. Por ejemplo, un fusor generalmente pierde 10,000 veces la energía que produce de la fusión en las pérdidas de conducción [2]. Esto se debe a que hay una jaula de metal gigante en el centro de un fusor. El metal es malo. Cuando el plasma lo toca, actúa como una carretera que roba energía de los reactores de fusión. El plasma también sigue los campos, como los campos magnéticos y eléctricos, por lo que los buenos conceptos del reactor Fusion evitan que los campos choquen con superficies metálicas. Por ejemplo, los diseños Tokamak, stellorator y tokamak esférico tienen líneas de campo esféricas que se ejecutan para siempre y nunca tocan una superficie de metal. Los sistemas que tienen anillos magnéticos incrustados (polywell, lockheed martin, ect), siempre tienen anillos muy suaves , no hay protuberancias para que las líneas de campo se encuentren [3, 4].

• Pérdidas de radiación: es la energía que sale de la nube como luz (UV, IR, rayos X, visible, etc.). La mayoría de los plasmas sangran constantemente energía lejos como luz. La reducción de las pérdidas de radiación se puede hacer ajustando el plasma para que los electrones estén fríos y los iones calientes. ¿Es eso posible? Esto optimizaría las velocidades: elevando la velocidad de fusión, mientras reduce las pérdidas por rayos X, las pérdidas por IR, etc.
• Eficiencia : así de efectiva es su máquina, qué tan bien captura la energía. Este es el más inexplorado área de investigación en fusión. Hay varias formas increíbles de capturar energía de un reactor de fusión. El método más emocionante es la conversión directa, que en 1982 demostró una captura de energía del 48% en la máquina de fusión de espejo TMX [5]. Si pudiéramos obtener el 48% de la energía neta de la mayor fuente de energía conocida por la humanidad, cambiaría el mundo.

Desde que obtuvimos la fusión controlada [6], en 1958, en los Laboratorios Nacionales de Los Alamos (máquina que se muestra arriba) se han propuesto muchas ideas de fusión diferentes. Los he agrupado por familia y escriba a continuación.

Al mismo tiempo, el financiamiento del gobierno de los Estados Unidos para la fusión ha sido bajo (ver abajo) y desigual. Es desigual porque se enfoca en solo unas pocas ideas (ICF y tokamaks) mientras ignora muchas otras. Por lo tanto, si desea explorar una nueva idea, debe obtener financiación privada.

La mayoría de estas ideas no han sido probadas o totalmente financiadas, así que sí, hay muchas sin explorar Ideas por ahí.

Citas:

1. Algunos criterios para un reactor termonuclear productor de energía “John Lawson, Atomic Energy Research Establishment, Hanvell, Berks, 2 de noviembre de 1956
2. Libro de texto: Fundamentos y aplicaciones de la fusión electrostática inercial (IEC), Miley, George H., Murali, S. Krupakar, 2014
3. McGuire, Thomas. Confinamiento de plasma de campo magnético para Compact Fusion Power. Solicitud de Patente de los Estados Unidos, cesionario. Patente 14 / 242,999. 2 de abril de 2014. Imprimir.
4. Morozov, AI y VV Savel’ev. “En Galateas” trampas magnéticas con conductores incrustados en plasma “. Physics-Uspekhi Russian Academy of Sciences 41.11 (1998): 1049-089. Web. 4 de diciembre de 2016.
5. Barr, William y Ralph Moir. “Resultados de la prueba en convertidores directos de plasma”. Tecnología nuclear / Fusion 3 (1983): 98-111. Impresión.
6. http://permalink.lanl.gov/object …

Answer 3

No creo que lo hagamos en el sentido completo. En el sentido de que tenemos una planta en funcionamiento que produce suficiente energía para dar un verdadero punto de equilibrio. Para lograr un verdadero punto de equilibrio para la mayoría de los conceptos, uno necesita producir aproximadamente tres veces la energía que se ingresa al plasma para generar la electricidad que utiliza la planta, esto es probable porque la conversión de calor en electricidad para estas plantas sea ​​solo un 33% eficiente. Luego, también tenemos que hacer esto por largos períodos de tiempo para reemplazar la energía necesaria para construir la planta.

Digo esto no porque la física sea insuperable, puede que no lo sea, sino porque la ingeniería y la economía sí lo son. ITER, el mejor esfuerzo actual después de 70 años de investigación y pruebas, se estima en 18 mil millones hasta su finalización. Esto es para un proyecto de prueba de principio que no es para producir electricidad. Las centrales eléctricas necesitan muchos más sistemas, incluidos los sistemas de producción y manipulación de tritio, que son difíciles en parte porque el tritio se difunde a través de todo, incluidas las paredes de las tuberías.

Answer 4

Creemos que la fusión nuclear es el futuro porque no entendemos 2 cosas.

A) Vemos el sol y esperamos poder lograr lo que el sol logra todos los días. El problema con el sol es la densidad de potencia. Tiene una densidad de potencia de 276W / m3, lo que significa que un edificio de 10 pisos de 1 km de ancho y largo lleno de nada más que el núcleo del sol produciría 30MW. El reactor de 50 MW de NuScale podría caber dentro, junto con toda la maquinaria asociada para producir electricidad, junto con toda la ciudad que utiliza dicha electricidad. Incluso el revestimiento de la parte superior de este edificio con paneles solares produce más electricidad. Lo que estamos tratando de lograr es una densidad de potencia cientos de veces mejor que la del sol. Esto es duro.

B) Vemos el combustible de una planta de fusión como hidrógeno, y escuchamos que el hidrógeno constituye el 99% del universo. Creemos que esta es una fuente increíble que incluso las estrellas pueden usar. Problema: el hidrógeno no es realmente el combustible. El ITER utiliza el deuterio y el tritio, un combustible mucho más caro que el hidrógeno. De hecho, la reserva mundial de tritio suma solo 20 kg, ITER espera generar tritio a partir de litio, ya sabes, lo que necesitamos para las baterías. Por lo tanto, la planta de energía de 500 MW más cara del mundo necesita deuterio y litio para funcionar.

Quizás eventualmente produzcamos más energía en una planta de fusión de la que consume, pero hacerlo económicamente será otro obstáculo.

Answer 5

Sacar energía de la fusión nuclear es cuestión de lograr una temperatura lo suficientemente alta y lo suficientemente larga como para que la cantidad de energía que produce sea mayor que la cantidad que se dedica a producirla. Hay un equivalente a la ley de Moore en confinamiento nuclear, en el que la temperatura que puede alcanzar el confinamiento se duplica aproximadamente cada diez años. Actualmente, los reactores apenas pueden fusionar el deuterio y el tritio, y necesitan algunas duplicaciones más para poder hacerlo con confianza, además de unas pocas décadas más para poder comercializarse. Desafortunadamente, probablemente será necesario optar por la fusión de deuterio puro, que requiere una temperatura 30 veces más alta, por lo que son otras cinco décadas hasta el final. El resultado es que una escala de tiempo realista para la fusión nuclear comercial es probablemente un siglo en el futuro.

En el lado positivo, no parece haber ninguna razón física profunda por la cual el confinamiento magnético no pueda generar temperaturas arbitrariamente altas. Puede haber algunos problemas al tener que hacer que el núcleo sea lo suficientemente grande como para que el túnel cuántico no provoque que los átomos escapen, y para que la relación superficie / volumen sea lo suficientemente baja como para que las energías de confinamiento no estén fuera de control, pero los trucos de ingeniería lo harán probablemente continúe mejorando masivamente qué tan bien podemos hacer el confinamiento en el futuro, e incluso proyectar linealmente desde el tamaño de los reactores actuales daría como resultado que un reactor de fusión sea uno de los proyectos más grandes hechos por el hombre de todos los tiempos, pero aún posible.

Entonces, sí, probablemente podremos usar la fusión nuclear para obtener energía en el futuro, pero probablemente no lo será para otro siglo.

Answer 6

El Tokamak Superconductor Avanzado Experimental, o EAST, ubicado en Hefei, China, actualmente posee el récord mundial por el tiempo que mantuvo el plasma en un estado crítico, aproximadamente un minuto.

Lo que esto significa es que existe la tecnología para hacer funcionar los reactores de fusión. La forma en que estos reactores se vuelven económicamente factibles es cuando podemos encontrar una manera de tener una reacción sostenida el tiempo suficiente para producir más energía de la que consume. Este es el objetivo de ITER, así como los otros tokamaks de investigación en todo el mundo. Una vez que logramos alcanzar la criticidad del plasma, dejó de ser una cuestión de si y se convirtió en una cuestión de cuándo .

Answer 7

Habiendo sido testigo de la fusión de plasma en el reactor JET en el Centro Culham para Fusion Energy en Oxfordshire, no podría estar más de acuerdo con la preparación tecnológica. Algunas preocupaciones importantes con respecto a la mejora del tritio y los materiales estructurales siguen sin respuesta, pero ITER definitivamente surgirá en las próximas décadas y se propone generar más energía de la que se utilizará.

Answer 8

Sabemos que es posible mirando el sol todos los días. Entonces sí. La mejor pregunta es ¿CUÁNDO obtendremos más energía de la fusión de lo que ponemos, y ENTONCES cuándo será PRÁCTICA? Solo porque tienes 101 julios de energía después de poner 100 no es una buena fuente de energía.

Answer 9

Se están acercando mucho: el hito de la fusión nuclear pasó en el laboratorio de los EE. UU.