¿Por qué son difíciles los reactores de fusión nuclear?

Question

La primera bomba de fisión se creó en 1944, y el primer reactor de fisión en 1951 (y uno realmente productivo en 1954). Este retraso parece explicarse por el mayor esfuerzo inicial necesario para construir una bomba de fisión que un reactor de fisión.

Pero la primera bomba de fusión se probó en 1952, mientras que todavía no tenemos reactores de fusión que funcionen, ~75 años después, y sólo ahora estamos empezando a producir energía eléctrica neta a partir de ella.

¿Qué hace que los reactores de fusión nuclear sean mucho más difíciles que las bombas de fusión, y por qué los reactores de fisión no son igual de difíciles que las bombas de fisión?

Answer 1

La principal dificultad de la energía de fusión es mantener una reacción de fusión nuclear controlada.

Las condiciones necesarias para la fusión nuclear aquí en la Tierra implican una temperatura extremadamente alta -- del orden de $10^8$ K. El Sol puede lograr la fusión con "sólo" $1.5 \times 10^7 K$ debido a su gran volumen y a la intensa presión en el núcleo.

Para capturar con éxito la energía de la fusión nuclear, necesitamos controlar el proceso de fusión y mantenerlo durante mucho más tiempo. En eso consiste la investigación y el desarrollo actuales. Esta página de Wikipedia enumera varios métodos que se están desarrollando actualmente.

A arma termonuclear utiliza efectivamente la fusión nuclear -a estas temperaturas tan elevadas-, pero la reacción de fusión (etapa secundaria) sólo se produce porque una reacción de fisión (etapa primaria) la precede para establecer las condiciones necesarias para la fusión. Toda la reacción explosiva multietapa se produce en microsegundos.

En cambio, la fisión nuclear puede controlarse (lo que se conoce como moderado reacción de fisión ), y esta energía puede captarse y redistribuirse como energía eléctrica.

Tenga en cuenta que la pérdida de capacidad para moderar la fisión nuclear fue la causa de varios accidentes nucleares de gran repercusión ( Por ejemplo Chernóbil , Fukishima etc.). La fisión no moderada en una escala de tiempo muy corta (conocida como pronta criticidad ) es como el Bombas atómicas de la II Guerra Mundial trabajado.

Answer 2

La fisión es fácil

Reactores de fisión natural existen en la Tierra, a pequeña escala y con poca energía. Sin embargo, el reactor de fusión natural más pequeño es probablemente el enana marrón que tiene una masa de al menos 10 veces la de Júpiter. Si comparamos las masas de estos reactores naturales, está claro que la fisión es al menos 6 órdenes de magnitud más fácil que la fusión (y probablemente más cerca de 9-12... me da pereza hacer los cálculos).

Como otros han señalado, la única razón por la que existen las bombas de fusión es porque podemos utilizar las reacciones de fisión para comprimir los productos de fusión. Si las bombas de fisión no fueran prácticas, es casi seguro que ahora mismo no tendríamos armas de fusión de ningún tipo.

La fusión es difícil

Deberías alegrarte de que la fusión sea dura. Si fuera fácil, muchos elementos no serían estables. Imagina que un accidente de coche concentrara suficiente energía para transmutar elementos. Incluso el lanzamiento de un cohete podría cambiar permanentemente los productos de escape. La propia química se volvería relativamente inestable.

Desgraciadamente, la otra cara de la moneda es que para lograr la fusión hay que inyectar un lote de energía en un espacio bastante reducido. Si no tienes 10 Júpiteres de gravedad para hacer ese trabajo por ti, entonces la energía tiene que venir de otra parte: láseres, plasma, martillos realmente potentes, etc. Y como los objetivos de fusión tienden a ser muy pequeños, es extremadamente difícil conseguir que toda esa energía de entrada impulse la fusión, en lugar de limitarse a calentar tu objetivo. A esto se refiere el Sr. Doty con la escala cuadrado/cubo.

Calentar simplemente un pellet de combustible a 1 millón de grados no es muy útil. Es un enorme derroche de energía. Si pudiéramos conseguir que toda esa energía se convirtiera en reacciones de fusión, seríamos de oro. En realidad, sólo una fracción de esa energía se transforma en reacciones de fusión, por lo que no obtenemos mucha fusión en cada intento.

Los reactores de fusión requieren una enorme cantidad de energía sólo para funcionar. Si pudieran producir más energía de la que consumen, una vez puestos en marcha serían autosuficientes. Pero, como ya han señalado otros, mantener una reacción de fusión es aún más difícil que iniciarla.

ITER, uno de los reactores de fusión más antiguos y maduros, tarda unos medio gigavatio para operar. Eso equivale aproximadamente a una central eléctrica de tamaño medio que normalmente podría abastecer a una ciudad de tamaño decente, sólo para calentar un único reactor de fusión.

El NIF, que utiliza láseres para desencadenar la fusión, sólo convierte unos 10% de la energía láser en fusión potencial. Y eso sin tener en cuenta las pérdidas térmicas de los propios láseres, que son de los más potentes jamás construidos, ni toda la energía que se gasta en hacer funcionar las bombas de refrigeración y otros equipos esenciales.

Conclusión

La fisión es eficiente a escala humana, pero incontrolable a escala planetaria (si tuvieras una pila fisionable del tamaño de un planeta, buena suerte haciendo una central eléctrica con ella). La fusión es relativamente eficaz a escala estelar, pero extremadamente difícil a escala humana. Las razones tienen que ver con la fuerza relativa de las fuerzas electromagnética, fuerte, débil y gravitatoria.

Obsérvese que las armas termonucleares no se denominan "bombas de fusión" porque la fusión es sólo un componente del diseño total. Se producen múltiples reacciones de fisión que son necesarias para el efecto total, ¡incluida la fisión del propio combustible de fusión! Tanto como la mitad de rendimiento de estas armas no procede de la fusión, sino de procesos de fisión. El poder destructivo no procede únicamente de la fisión o de la fusión, sino de la fisión que desencadena la fusión y de la fusión que desencadena más fisión.

Y una bomba siempre es más fácil de diseñar que una central eléctrica, porque no se necesita contención ni captación de energía. La falta de contención es una característica para una bomba, y un enorme inconveniente para una central eléctrica. Es sólo una afortunada coincidencia que la fisión sea tranquila a pequeña escala y explosiva a mayor, mientras que la fusión es, en cierto sentido, lo contrario (es decir, la fusión impulsada por la gravedad es relativamente "tranquila" y estable, mientras que el plasma/ICF es bastante inestable).

Answer 3

La fisión puede lograrse utilizando un neutrón sin carga, y algunos isótopos, como el 235U y el 239Pu, tienen una gran sección transversal (alta probabilidad) de fisión con un neutrón de muy baja energía.

La fusión requiere combinar núcleos cargados positivamente, como D con T, y como tales los núcleos que interactúan deben tener suficiente energía cinética para superar la repulsión coulómbica y ser forzados a acercarse lo suficiente para que la fuerza nuclear cause la fusión. Aquí en la Tierra es bastante difícil crear las condiciones necesarias para que los núcleos se acerquen lo suficiente como para que se produzca la fusión, y ésta es la razón por la que los reactores de fusión no se han desarrollado tan pronto como los de fisión. (El sol utiliza su gran fuerza de gravedad para forzar la fusión).

Answer 4

Empecemos por los reactores de fisión.

Su temperatura normal de funcionamiento está por debajo de 1000C .

Ni siquiera el acero inoxidable se funde a 1000C

Consideremos ahora la fusión.

Requiere una temperatura constante de 100.000.000K, más o menos un orden de magnitud. El material con el punto de fusión más alto es Carbonitruro de hafnio con un punto de fusión superior a 4000C. (por cierto, no me molesto en mantener la coherencia entre K y C, ya que la diferencia entre ellos es un error de redondeo con respecto al número que importa).

Así que incluso el material con el punto de fusión más alto, se fundiría fácilmente por fusión. Eso significa que para contener el plasma que se está fundiendo, hay que mantenerlo unido con campos magnéticos. Como todos sabemos, los imanes sólo funcionan en cosas con carga. Parte del proceso de fusión es la liberación de neutrones que, como su nombre indica, son neutros y golpean la pared de un reactor de fusión independientemente de lo bien que el campo magnético pueda retener el combustible de fusión. Ese bombardeo daña la pared del reactor limitando su utilidad.

Por si esto fuera poco, los neutrones libres que tienen la energía de haber sido expulsados de un reactor de fusión no son fáciles de conseguir para las pruebas. En resumen, hay que construir un reactor y sólo cuando se destruye se puede comprobar si el material resiste bien el bombardeo de neutrones. Esto es un poco exagerado, ya que hay algunas pruebas que se pueden hacer sin una construcción completa, pero son pruebas imperfectas.

Answer 5

Al final, todo se reduce a que Galileo ley de escala cubo-cuadrado . Las reacciones termonucleares se producen en el volumen del combustible, pero pierden energía y masa por la superficie. Para mantener la reacción, se necesita una gran relación volumen/superficie.

En la naturaleza, la proporción requerida es enorme, ¡se necesita el volumen/superficie de una estrella! Podemos hacer mezclas de isótopos considerablemente más fáciles de encender que una mezcla cósmica, pero hay un límite hasta donde podemos llegar. Encender una masa bastante grande de combustible termonuclear con una explosión de fisión es mucho más fácil que encender una masa mucho menor en un reactor.