¿Cómo creará electricidad una central nuclear de fusión?

Answer 1

En la fusión DT, el 80% de la energía liberada va a neutrones de 14 MeV, y solo el 20% restante a partículas cargadas. A diferencia de las partículas cargadas, los neutrones no cargados no pueden ser confinados por un campo magnético, y por esta razón no pueden usarse para una conversión directa en energía eléctrica. En cambio, los neutrones tienen que ser ralentizados en algún medio, calentando este medio a una temperatura de menos de 10 ^ 3 K, con el calor eliminado de este medio para impulsar un turbogenerador. Esta conversión de energía nuclear en energía eléctrica tiene una eficiencia de Carnot de aproximadamente el 30%. Para la fusión DT donde el 80% de la energía producida por fusión se libera en neutrones, la eficiencia no es, por lo tanto, mayor del 24% (máximo, probablemente significativamente menor que esto en las centrales de fusión reales de primera generación). Si bien esta baja eficiencia de conversión no se puede superar en los conceptos de fusión por confinamiento magnético, se puede superar en los conceptos de fusión por confinamiento inercial rodeando el objetivo de fusión por confinamiento inercial con una capa suficientemente gruesa de hidrógeno líquido y una capa externa delgada de boro, para crear un calor bola de fuego de plasma. La capa de hidrógeno debe elegirse solo gruesa y
lo suficientemente denso como para ser calentado por los neutrones a 100,000K. La fusión produjo una bola de fuego totalmente ionizada y en rápida expansión puede impulsar un generador magnetohidrodinámico pulsado que alcanza casi el 100% de eficiencia de Carnot.

(hay más información disponible en el siguiente documento del visionario de fusión Friedwardt Winterberg)

Conversión de energía eficiente de los neutrones de 14MeV en la fusión por confinamiento inercial DT

Las plantas de energía de fusión nuclear inicialmente tendrán más dificultades para producir electricidad; de hecho, los primeros usos de la energía de fusión pueden ser
1) usar neutrones de fusión para quemar desechos nucleares de alto nivel de los actuales reactores de agua ligera de fisión
2) usar neutrones de fusión para reproducir isótopos médicos para diagnosticar y curar el cáncer

Los reactores de fisión tenderán a tener una ventaja sobre los reactores de fusión durante quizás el resto del siglo en la producción confiable de calor nuclear. La abrumadora cantidad de energía producida por la fisión sale como calor (energía cinética en los productos de fisión). Durante los próximos cien años, probablemente será más fácil y económico utilizar la fisión para producir electricidad nuclear confiable en lugar de los reactores de fusión de primera generación. Los reactores de fusión MCF de primera generación como tokamaks y stellarators probablemente serán grandes y muy complejos y tendrán serios problemas de confiabilidad. Ningún experimento de fusión de MCF hasta la fecha ha producido cantidades significativas de energía de fusión durante más de aproximadamente 5 segundos; los sistemas de fusión comerciales sin duda serán mucho mejores que esto, pero los reactores de fusión de primera generación probablemente tendrán un factor de capacidad significativamente menor que la fisión existente y futura nuclear durante al menos algunas décadas.

Confinamiento inercial Los reactores de fusión que producen fusión en una sucesión de pequeñas explosiones de fusión ofrecen el potencial de ser más confiables que la fusión MCF y podrían tener una confiabilidad comparable a la fisión como fuente de electricidad nuclear.

La fisión puede ayudar a la fusión a mantener rejillas y cargas estables después de fuentes de energía poco confiables (energías renovables y fusión MCF de primera generación)

Los reactores de fusión son “ricos en neutrones” y producen una gran cantidad de neutrones de bajo costo en relación con los reactores de fisión. Más del 80% de la energía producida por la fusión DT está en forma de neutrones rápidos. Las aplicaciones que implican el uso de neutrones serán las primeras aplicaciones naturales de los reactores de fusión. Estas aplicaciones incluirán

1) Mejoramiento de combustible fisible para poner en marcha nuevos reactores de fisión a partir de combustible fértil (esto incluye la mejora U233 de torio)

2) Combustible nuclear gastado rápidamente en reactores de agua ligera – particularmente vida media larga Actínidos menores con neutrones de fusión.

El combustible DT y DD Fusion es aproximadamente 4 veces más denso en energía que la fisión en masa de combustible consumido.

La fusión DT genera 24 veces más neutrones que la fisión cuando consume la misma masa de combustible.

La fusión DD produce una combinación de neutrones y protones y, como resultado, tiene una neutronicidad algo más baja, pero aún impresionantemente alta: genera aproximadamente el 66% de su energía en neutrones. Cada neutrón de fusión se puede usar para una aplicación nuclear, como la quema de desechos o la cría de combustible fisionable, ya que no se necesitan neutrones de fusión para propagar la reacción de fusión. La reacción de fisión es propagada por neutrones y debe dedicar una parte significativa de los neutrones producidos por la fisión para mantener la reacción de fisión en marcha.

Fusion puede ayudar a la fisión a manejar económicamente el reactor de fisión de residuos nucleares de Actinida Menor que se quema rápidamente Combustible nuclear gastado. Los neutrones de fusión son casi monoenergéticos y son significativamente más abundantes y fáciles de usar para diseñar mantas de combustión eficientes de actínidos menores para consumir los elementos más problemáticos del combustible gastado del reactor de fisión.

Mientras que los reactores de fusión de primera generación probablemente usarán fusión DT o DD que produce grandes cantidades de neutrones, las generaciones futuras de reactores de fusión pueden usar combustibles de fusión aneutrónicos que producen directamente partículas cargadas como protones en lugar de partículas no cargadas como neutrones, p-B11 y He3- Las reacciones de fusión He3 liberan directamente su energía de fusión en protones y los protones se pueden recolectar directamente y usar para producir electricidad con una eficiencia muy alta.

Answer 2

Aquí hay 5 caminos propuestos para generar energía a partir de la fusión.

• Ciclo de vapor. El enfoque más simple; el que ya hacemos comúnmente en las centrales eléctricas. Toma el calor del reactor de fusión y calienta un fluido. Esto hace girar las turbinas, que producen electricidad. El fluido puede ser agua, sales fundidas u otra cosa. El enfoque de General Fusion utiliza este método. General Fusion está calentando una mezcla de plomo y litio, y luego fluye a través de un segundo circuito que calienta el fluido. Eficiencia típica en el ciclo de vapor: de 20 a 40% de captura de energía.

• Conversión directa : el escape de un reactor de fusión es una mezcla de iones, electrones, helio caliente y neutros. Si puede “superar esto en sumisión”, y separa solo, digamos, los iones (+), puede intentar la conversión directa. Aquí es donde una corriente de partículas de alta energía (+) golpea una superficie metálica. Esto tiene una parte metálica positiva, lo que permite que la corriente fluya a otros lugares. Tiene una terminal positiva en un circuito. Este método fue propuesto por primera vez a fines de la década de 1960 por el Dr. Dick Post en LLNL [3]. Durante los años 70, los Estados Unidos volcaron dinero en la investigación de fusión y el Dr. Raulph Moir y el Dr. William Barr lideraron un equipo para desarrollar la conversión directa. En 1983, demostraron una captura de energía del 48% de descuento en una máquina de espejo de fusión [1]. Eso fue en un laboratorio, pero no puedo entender por qué el mundo no se volcó sobre esto. Esa es una de las mejores capturas de energía, en el proceso más enérgico conocido por la humanidad. Hacer que funcione en un entorno a gran escala presenta muchos desafíos {2}. Una de las grandes es: la superficie de metal se arruina y se degrada, entonces, ¿cómo mantiene DC funcionando con el tiempo? La conversión directa es muy similar a las baterías radiactivas; donde un elemento radiactivo emite material que se convierte en energía. Esto hace que la batería de “25 años”.

• Tubo de onda itinerante. Esto ha sido propuesto por los partidarios de focus fusion. No sé si FF funcionará alguna vez, pero les gusta este concepto. Tampoco estoy seguro de que los tubos de ondas viajeras se hayan probado realmente. Fusion produce una cantidad de iones (+) a un potencial eléctrico muy alto (también conocido como voltaje). La idea es tomar este haz de iones de alta energía y usar su voltaje para conducir una corriente. Los iones positivos vuelan por el centro de un tubo forrado con una bobina de alambre. A medida que pasan (+), atraen electrones (-) con ellos, creando una corriente que fluye. Nuevamente, no estoy seguro de que esta idea haya sido probada completamente: IDK.

• Crianza de tritio. Fusion produce neutrones. El juego de fusión se trata de hacer neutrones; ¿cuántos? Que tasa ¿Cuánto tiempo? Puede usar los neutrones para hacer más combustible de fusión (en este caso, tritio). Reacciona los neutrones con litio y esto produce tritio, luego lo separa y lo devuelve a su reactor de fusión. Odio el tritio por el poder de fusión. He argumentado repetidamente que los proyectos de fusión comercial no necesitan los costos de combustible, costos de seguridad, problemas de almacenamiento, costos ambientales o dolores de cabeza regulatorios que vienen con el tritio. Los inconvenientes: mucho, mucho, mucho más que el impulso de fusión que obtienes con el tritio.

• Híbridos de fusión / fisión . Desde que la fusión ha existido, ha habido propuestas para usar los neutrones de la fusión para iniciar la fisión, por ejemplo, un combustible de uranio. Un reactor de fusión, cuya energía es amplificada por un combustible de fisión. Hace unos años, cuando Livermore estaba impulsando LIFE (Laser Inertial Fusion Energy) y NIF, escribieron documentos y dieron presentaciones sobre un enfoque híbrido de fusión / fisión. En todos estos esquemas había métricas para (1) la energía del láser de entrada (2) la energía hecha de la fusión y (3) la energía que sale de la amplificación de fisión.

2014, retiraron la idea LIFE de sus prioridades y sitio web [4]. ¡Durante el verano, el Departamento de Energía admitió que NIF nunca se encenderá! ¿Dónde está la indignación del contribuyente? ¡Se gastaron ~ 3.500 millones en esto!

Citas:

1. William Barr y Raulph Moir, resultados experimentales de un convertidor directo de haz a 100 kV ”
2. Rosenbluth y Hinton, 1994, “Problemas genéricos con la conversión directa”
3. Dick Post, 1969 “Sistemas espejo: ciclos de combustible, retención de pérdidas y recuperación de energía”
4. Kramer, David. “Livermore termina la vida”. Livermore termina la vida. Physics Today, abril de 2014. Web. 17 de mayo de 2014.

Answer 3

La fusión nuclear es una reacción nuclear, no química. En esta reacción, dos núcleos atómicos se fusionan para formar uno. Para que esta reacción ocurra, los núcleos deben acercarse MUY cerca el uno del otro, lo que puede hacerse posible en un plasma muy caliente. Un plasma es una sopa caliente de partículas cargadas: un gas que está tan caliente que los electrones ya no están unidos a los núcleos atómicos. Debido a la carga de las partículas, se pueden usar campos magnéticos fuertes para contener la sopa y aislar el plasma en un dispositivo de confinamiento magnético como un Tokamak o un Stellarator (busque estos términos si está interesado 🙂). (¡Esto significa que el plasma no toca las paredes! Esto sería muy perjudicial tanto para el plasma como para la pared).

La reacción de fusión

Si esta sopa de plasma está lo suficientemente caliente (a presión atmosférica: 140 millones de K), algunos núcleos comienzan a fusionarse en una reacción como esta:

H-2 + H-3 -> He-4 + n + energía (14.3 MeV)

H-2 y H-3 son isótopos de hidrógeno con neutrones adicionales (H-2 es hidrógeno con un peso atómico de 2, entonces un neutrón adicional). H-2, también llamado Deuterio (D), ocurre naturalmente en el agua (marina) y puede extraerse con bastante facilidad. El H-3, tritio, es muy raro, pero se puede producir en el reactor de fusión (y también en los reactores de fisión). También son posibles muchas otras reacciones como esta, pero la fusión de Deuterio-Tritio ocurre en las condiciones más fáciles de lograr en la tierra.

En general, podemos decir que estos dos isótopos son menos estables que el helio y un neutrón, por lo que la reacción puede obtener energía. Esta energía se libera como energía cinética: aproximadamente 1/5 en la partícula He y 4/5 en el neutrón.

Cosechando la energía

En estas condiciones, la partícula He también se carga y, como se dijo antes, está contenida en los campos magnéticos. La energía que transporta puede usarse para calentar el plasma; ¡Esto es muy beneficioso para las condiciones del plasma!

El principal portador de energía, el neutrón, no está cargado y no estará contenido en el plasma. Simplemente volará a través de la pared (que está hecha de metales como el tungsteno o el berilio) fuera del reactor, hasta que choque con algo a lo que transferir su energía. Aquí se pueden usar muchos enfoques, pero al final su energía cinética se transfiere al calor (mediante un proceso llamado moderación). De hecho, este calor se puede utilizar para impulsar una turbina de vapor, creando electricidad.

Answer 4

Lo más probable es que crear electricidad a partir de la fusión provenga de aprovechar la producción de calor, de manera similar a cómo generamos electricidad a partir de plantas de energía de fisión nuclear o plantas de carbón y gas. El calor se usa para generar vapor, que se usa para impulsar turbinas.

Otra forma de generar electricidad a partir de la fusión que se ha propuesto es a través de la generación directa de electricidad mediante el aprovechamiento de los iones energéticos emitidos por este proceso. Este no es un sistema que haya sido probado a escala.

Una discusión más larga de estas dos opciones se puede encontrar aquí: ¿Cómo convertimos la energía de fusión nuclear en electricidad?

Answer 5

De la misma forma que cualquier central térmica genera electricidad, al hervir agua para impulsar turbinas de vapor. La salida de una central eléctrica de fusión es calor, y se convierte en electricidad a través de vapor.

Answer 6

El calor de la fusión se utilizará para calentar agua de alguna manera. Esta agua se convertirá en vapor y se utilizará para impulsar turbinas y generadores.