Si un reactor de fusión MIT ARC, o cualquier reactor de tokamak, puede diseñarse con un confinamiento más fuerte, ¿puede lograr la fusión aneutrónica?

Answer 1

Un par de puntos:

• La fusión de combustibles avanzados no es realmente una opción de cero neutrones . Incluso si está fusionando boro, hay una pequeña reacción secundaria (~ 0.1%) que produce neutrones. Esta reacción secundaria ocurre cuando los productos de fusión (átomos de helio calientes y protones rebeldes) se vuelven a fusionar.
• Para hacerlo, necesitarás plasma realmente caliente. Para ser justos, no hay una temperatura ideal para un combustible determinado. Aquí hay un ejemplo de temperaturas objetivo de la tesis MIT de 1994 de Todd Riders.

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Entonces, ¿qué tan caliente necesitas el plasma? Para fusionar el boro? He escuchado estimaciones que van desde 150,000 a 550,000 electronvoltios. Eso sería de 1.7 mil millones a 6.3 mil millones de grados Kelvin.

Pero, en realidad no es un tipo de “temperatura objetivo” : a medida que obtiene plasma más caliente, las cosas mejoran. Es una cosa continua. La “capacidad de fusión” de los combustibles se mide por su sección transversal. Esto se muestra a continuación.

Entonces, plasma más caliente → significa más fusión. Debo señalar que obtener potencia neta no significa necesariamente obtener la mayor fusión. Para obtener energía de la fusión, todo lo que necesita hacer es sacar más energía de la que ingresa. Eso es todo.

A continuación hay algunas estadísticas sobre qué tan bien las diferentes máquinas están calentando su plasma:

• El tokamak EAST en China funcionó durante 102 segundos a 90 millones de kelvin (o 7.750 eV). Este no es el récord de un tokamak (29 horas), pero es un récord para una máquina grande y caliente. ITER debería funcionar más tiempo [ESTE] [Tokamak Energy establece récord].
• Las condiciones objetivo (cuando lo planearon) para NIF fueron 20,000 plasma de electronvoltios (o 232 millones de grados Kelvin) bajo una densidad muy alta.
• Un fusor típico funcionará entre 30,000 y 110,000 voltios de electrones. Esto significa que el plasma más caliente de los fusores puede alcanzar entre 350 millones y 1.200 millones de grados.

¡Espero que ayude!

Answer 2

Fusión nuclear – Wikipedia

https://en.wikipedia.org/wiki/An …

Al observar esto, parece que nuestras dos opciones son la fusión protón-boro y la fusión He3-He3. Dado que no tenemos fuentes terrestres de He3 que nos deja con fusión protón-boro.

Por casualidad, en un tokamak, parece que la radiación Bremsstrahlung sería prohibitiva. Las partículas cargadas que rodean las líneas de campo magnético están acelerando constantemente y las cargas aceleradas emiten constantemente Bremsstrahlung. Demasiado para que se sostenga una reacción p + – B11, tal vez.

En cualquier caso, lo divertido de las reacciones aneutrónicas es la posibilidad de conversión de energía directa. Un reactor basado en un diseño de extremo “abierto”, como una pizca theta quizás, podría permitir que las partículas cargadas positivamente salgan por los extremos, suban por un gradiente de campo electrostático y se conviertan directamente en electricidad. La eficiencia de conversión teórica de este se acerca al 100%. ¡Energía sin necesidad de enfriar agua!

Answer 3

En teoría, sí, pero con advertencias importantes.

Hay varias posibles reacciones de fusión. La velocidad de reacción de cada uno depende de la densidad del reactivo y la temperatura. (Esto es análogo a las reacciones químicas en las que la concentración química y la temperatura determinan la velocidad de reacción.) Si la energía neta es posible depende de la densidad, la temperatura y el tiempo que las partículas permanecen confinadas (tau).

La reacción que requiere las condiciones más modestas es D + T = n + He4. D es deuterio, H2. T es tritio, H3. La siguiente reacción más fácil es D + D = (1) n + He3 (2) p + T, por lo tanto, hay dos ramas de la reacción. Debido a que estas son las reacciones más fáciles, son el foco de prácticamente todas las investigaciones de energía de fusión. Ambos producen neutrones.

La reacción sin neutrones (aneutrónica) que es más fácil de alcanzar con respecto a los parámetros de confinamiento (densidad, temperatura, tau) es p + B11 = 3 He4. Es decir, un protón más boro-11 da 3 núcleos de helio-4. Esto requiere confinamiento de varios órdenes de magnitud más difíciles que DT o DD.

Todo eso es física. ¿Qué hay de la ingeniería?

Por supuesto, se requiere una ingeniería severa para dar a los físicos lo que necesitan. Pero hay más.

La idea de fusión es producir energía neta para que se pueda generar electricidad. Eso significa que se debe extraer energía sin una degradación excesiva del confinamiento. Hay dos grandes categorías de energía que salen: radiación y partículas cargadas que golpean la superficie del material circundante versus partículas neutras (neutrones) que atraviesan la superficie del material y calientan un volumen. Las partículas cargadas incluyen He4, D, T, p. La partícula neutra en cuestión es el neutrón. Existen desafíos de ingeniería con el calentamiento de superficies y el calentamiento por volumen.

La reacción D + T nos da el 80% de la energía a través del calentamiento por volumen de los materiales alrededor de la cámara de reacción. El 20% de la energía calienta la superficie de la cámara circundante. En p + B11, el 100% de la energía calienta la superficie.

En ingeniería normal, prefiero tomar el calor volumétricamente que la superficie. En ingeniería nuclear, hay una excepción y es que el calentamiento volumétrico generalmente involucra neutrones que pasan a través de los materiales y los dañan. Es decir, las reacciones de neutrones nos dan un calentamiento volumétrico porque el neutrón atraviesa la superficie del material (dañándolo) y calienta un volumen.

Por lo tanto, además de los mayores desafíos de confinamiento de p + B11 frente a DT, tiene la compensación entre un calentamiento superficial 5 veces mayor con p + B11 frente al daño por neutrones de los materiales que rodean la cámara con D + T. (D + D está entre estos dos extremos.) Dado que nunca hemos construido dispositivos DT ni p-B11 que funcionen en condiciones relevantes, no sabemos definitivamente cuál tiene menos desafíos de ingeniería (de nuevo, aparte de las pesadillas de confinamiento de p -B11).

Entonces, sí, una mejora de confinamiento de órdenes de magnitud posiblemente abre la puerta a p-B11, pero luego deben superarse los desafíos de ingeniería de una carga de calor asombrosa en las superficies.

Tenga en cuenta que el proyecto ITER en Francia demostrará una eliminación de la carga de calor superficial que es menor que una planta de energía DT, ya que las condiciones de reacción de DT no estarán en los parámetros de la planta de energía. p-B11 requeriría una eliminación de calor superficial 5 veces mayor.