¿Cuáles son los pros y los contras de la fusión nuclear controlada con confinamiento inercial como NIF (National Ignition Facility) versus confinamiento magnético como ITER o TOKAMAK?

Answer 1

Usted ha formulado una pregunta de varias capas, por lo que llegaré a la respuesta desde varias direcciones.

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Respuesta estrecha: en 1957, un hombre británico llamado John Lawson publicó un documento que presentaba lo que necesitaría para una planta de energía de fusión. El papel de Lawsons le brinda el balance de energía que necesita para cualquier reactor de fusión a base de plasma. En esta respuesta de Quora, hablo sobre esto con gran detalle. En los 60 años transcurridos desde entonces, la gente ha cambiado el trabajo de Lawson en algo llamado Triple Producto.

Esto se ha convertido en el “medidor” por el cual muchos investigadores de fusión comparan sus máquinas. En los últimos 60 años, la investigación de fusión se ha centrado en obtener el producto triple más alto posible ; ignorando cosas como: costo, tamaño, mantenibilidad, tiempo de ejecución, extracción de energía, etc. En mi opinión, esto ha llevado a máquinas gigantes lejos de la viabilidad comercial.

Los partidarios del National Ignition Facility argumentarán que tiene un producto triple increíble porque:

1. Alta densidad: NIF puede comprimir el plasma a una densidad de ~ 1,000 veces la densidad del agua. Pasé algún tiempo investigando en Internet buscando números más precisos. En Omega, estábamos haciendo esto en la década de 2000 y NIF es una instalación mucho más poderosa, por lo que esta densidad es probablemente mucho mayor.
2. Alta temperatura : la implosión forma un punto caliente en el centro que oscila entre 10 y 15 millones de grados C.
3. Captura corta : la mecánica de una implosión ICF se mide en cientos de picosegundos. En NIF, toda la explosión se terminaría en ~ 20 nanosegundos.

Por lo tanto, si multiplica estos juntos, obtendrá un producto triple alto. El esquema de la planta de energía para el NIF implica disparar múltiples objetivos por minuto. La idea es dejar caer, explotar, soltar, explotar, soltar, explotar, soltar … El plasma de fusión caería en un fluido de trabajo (probablemente un plomo-litio, metal líquido) en el fondo o en los lados de la cámara. Una gran razón por la cual se construyó el NIF fue para los sistemas de armas en los Estados Unidos.

La mayor parte del mundo occidental se involucró con el tokamak debido a la Guerra Fría. Cuando Rusia reportó el éxito con el tokamak, asustó a los estadounidenses, por lo que todos salieron corriendo a construir estas máquinas. Hasta la fecha, se han construido más de 215 tokamaks planificados o desmantelados en todo el mundo [ fuente ] . Los partidarios del tokamak discutirán:

1. Baja densidad: la densidad del plasma dentro de algo como el Joint European Torus es de 10 ^ 20 partículas / metro. Algunas matemáticas rápidas muestran que esto es ~ 11 a 12 órdenes de magnitud más pequeño que un disparo NIF.
2. Alta temperatura: el Joint European Torus ha sido uno de los mejores tokamaks para fusión. Puede obtener habitualmente alrededor de 100 millones de grados Kelvin, por lo que tal vez 10 veces más caliente que NIF.
3. Trampeo largo : para máquinas grandes, el récord para un tokamak se estableció en China. El tokamak EAST de China mantuvo 50 millones de grados Kelvin durante 102 segundos. A temperaturas más bajas, los tokamaks han funcionado durante mucho más tiempo. Tokamak Energy, una compañía comercial estableció un récord por ejecutar un tokamak durante 24 horas, en el verano de 2016. Por cierto, hasta donde yo sé, Phoenix posee el récord mundial de la carrera de fusión continua más larga jamás establecida por cualquier dispositivo hecho por el hombre. Laboratorios Nucleares en Wisconsin. Su máquina fusionó plasma durante 132 horas continuamente .

Entonces, el triple para tokamaks sale por delante de ICF.

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Respuesta más amplia : da un paso atrás. Hay muchos, muchos conceptos diferentes que se han sugerido durante 60 años desde que obtuvimos la fusión de cómo podríamos construir una planta de energía de fusión. Los he organizado por familia y escriba a continuación [citas aquí].

En esta quora respuesta, paso por cada uno de estos enfoques. Hasta ahora, solo hemos estado discutiendo ICF de accionamiento indirecto y tokamaks, dos, de un par de docenas de variaciones de fusión.

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Entonces, puedo pensar en una pregunta mucho mejor que: ¿cuáles son las diferencias entre dos enfoques? La mejor pregunta es: ¿por qué solo estamos viendo dos enfoques?

Answer 2

Mi opinión personal es que ni NIF ni ITER darán como resultado un poder de fusión viable en los próximos 30 años.

El desafío es que no solo los combustibles fósiles son mucho más baratos, sino también los nucleares y las energías renovables. La máquina NIF requiere objetivos extremadamente baratos para generar energía a una tasa competitiva (no más de unos pocos dólares cada uno) y no veo eso en el futuro cercano. La máquina ITER, una versión de un tokamak, es muy grande y no veo una forma razonable de hacerla competitiva o versiones futuras. Para la fusión termonuclear controlada, las mejores apuestas son algunos de los sistemas no gubernamentales como Tri-Alpha. Pero incluso esas están a décadas de distancia.

El mayor problema para los dispositivos de fusión es que sus razones originales para ser, para ser desarrollados, ya no son convincentes. Una vez pensamos que nos quedaríamos sin uranio, pero el uranio es un pequeño costo de la energía nuclear comercial, y con precios ligeramente más altos para el mineral, hay un montón disponible para los próximos cien años, tal vez más (ya que se puede extraer de forma ilimitada cantidades de agua de mar). Se suponía que Fusion produciría menos desechos, pero no creo que el problema de los desechos nucleares siga siendo una barrera. (Nuestra startup, DeepIsolation.com, puede proporcionar una forma segura de hacer esto).

Quizás dentro de 30 años, o 50, o 100, se desarrollará un método de fusión muy económico. Quizás Tri-Alpha tenga éxito. Pero hasta entonces, los métodos de fusión “tradicionales” (NIF, ITER) no parecen competitivos. Desafortunadamente, el viejo chiste sobre el poder de fusión sigue siendo: “La fusión controlada es la fuente de energía del futuro, y siempre será la energía del futuro”.

Answer 3

Gracias por preguntar, pero esta es una gran pregunta de debate de investigación y responderé de acuerdo con mi pequeña experiencia de fusión.
Mi experiencia no me permite contar los pros sobre los contras de la fusión por confinamiento inercial sobre los de la fusión por confinamiento magnético, pero puedo explicar una breve descripción de ambos.

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La tecnología de fusión es como un nuevo método para obtener energía de las reacciones nucleares, solo que esta vez no se debe a la absorción de neutrones, sino a la fusión de dos núcleos, dependiendo del defecto de masa entre ellos para obtener los productos de fusión energética (dependiendo de los dos núcleos de fusión) y 14.1 MEv de neutrones (que es la principal preocupación material debido a su alta energía en comparación con la fisión de neutrones 2MEv).
El problema de la Física de la fusión se debe al requisito de fusionar dos núcleos positivos juntos para superar la fuerza de repulsión entre ellos, es por eso que se requieren entornos especiales para lograr tal reacción de fusión.
Hay dos métodos famosos para lograr la reacción de fusión entre los átomos de deuterio y tritio que son la fusión de confinamiento magnético y la fusión de confinamiento inercial, elegir los dos átomos que se fusionarán depende de la energía necesaria para lograr la reacción y la sección transversal de la reacción. en sí, es por eso que la reacción de fusión DT es la reacción más preferible (ver figura 1).

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Fusión de confinamiento magnético
La fusión por confinamiento magnético de DT depende principalmente de la presión y la temperatura producidas a partir del plasma confinado (que es el entorno en el que se produce la fusión). Fusion produce 14.1 MEv de neutrones y partículas alfa (recogidas en el desviador) (ver figura 2).
El papel del plasma es crear la energía y la presión requeridas para ambos iones (D y T) con el fin de superar los campos magnéticos repulsivos positivos intermedios creados por cada ion.

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Fusión de confinamiento inercial
La fusión por confinamiento inercial depende de rayos láser altamente energéticos (dirigidos a la pastilla de combustible) para vencer la fuerza positiva de repulsión magnética entre los dos iones (DT), después de eso, una vez que se ha producido el proceso de fusión, comienza a quemarse (de adentro hacia afuera) en una explosión que produce 14.1MEv de neutrones y partículas alfa (Ver figura 3)

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Lo siento si no he cumplido tus expectativas, pero realmente eso es lo mejor que puedo darte en este momento.
Me aseguraré de buscar sobre esto y cuando lo haga, le escribiré una respuesta completa.