¿Qué nos impide crear un reactor de fusión nuclear, puesto que ya tenemos la bomba de hidrógeno que funciona según el mismo principio de fusión?

Question

Hace tiempo que no me dedico a la física desde mi infancia, así que por favor, tened paciencia si la pregunta de abajo os parece demasiado novata.

Crecí con la idea de que la reacción de fusión nuclear sigue siendo el sueño de muchas personas, ya que es una fuente de energía limpia sin los efectos secundarios de los residuos nucleares que observamos en la fisión nuclear.

Hace poco estuve comprobando el principio de funcionamiento de la bomba de hidrógeno, y me sorprendió que utilice la fusión nuclear para generar toda esa energía. Esto contradice mi idea de que la fusión nuclear no es un sueño, sino que es una realidad.

Entonces, si ya hemos conseguido la fusión nuclear, ¿por qué no podemos crear un reactor de fusión nuclear para generar toda la energía que necesitamos? También por qué no podemos tener la reacción de fusión a pequeña escala en Júpiter (como se menciona en mi otra pregunta ) que puede ayudarnos a conquistar los planetas exteriores del sistema solar.

También quería saber si podemos continuar esta reacción de fusión para generar metales pesados preciosos, ¿es posible?

Answer 1

El ejemplo de un Bomba Molotov El motor de un coche, uno de los favoritos de los anarquistas, es una buena analogía. La tecnología necesaria para contener las energías en una reacción de fusión es mucho más difícil que la necesaria para un motor de coche debido a las energías de MeV necesarias para iniciar la fusión. Una vez iniciada, es explosiva, por lo que debe diseñarse en pequeñas explosiones de las que se pueda extraer energía continuamente.

Varias formas de controlar la fusión en un plasma caliente de fusible materiales Se han propuesto, y se está trabajando en ello, isótopos de hidrógeno principalmente. El tokamak es la base de la colaboración internacional destinada a construir un prototipo industrial, ITER. .

Se trata principalmente de un problema de ingeniería unido al problema sociológico de tantos ingenieros y científicos trabajando juntos en un proyecto controlado por muchos institutos de investigación ("demasiados cocineros estropean el caldo")

También quería saber si podemos continuar esta reacción de fusión para generar metales pesados preciosos, ¿es posible?

Los metales pesados están en la curva incorrecta para la fusión, que puede ocurrir con elementos hasta el hierro, más o menos. Habrá que considerar cada reacción específica, y será un problema completamente diferente.

Answer 2

Tiene usted varias preguntas, centrémonos primero en la principal: ¿por qué no hay ningún reactor de fusión que funcione en la Tierra si ya tenemos la bomba de hidrógeno?

Es una pregunta interesante, ya que mucha gente tenía expectativas similares cuando la primera bomba de hidrógeno, Ivy Mike se encendió en 1952. Probablemente tuvieron la primera bomba de fisión, Trinity , encendida en 1945 y el primer reactor de fisión (prueba de principio) en sus mentes que llegó a ser crítico incluso con algunos años de antelación.

Justo después de la Segunda Guerra Mundial, la investigación sobre la fusión se llevó a cabo en laboratorios secretos (Reino Unido, Estados Unidos y la Unión Soviética). Sin embargo, pronto se comprendió que aprovechar la energía liberada en una reacción de fusión es algo más complicado de lo que se esperaba inicialmente y en 1955 los laboratorios nacionales implicados en la investigación de la fusión se reunieron por primera vez en una conferencia internacional ( 1ª Conferencia de la ONU sobre el uso pacífico de la energía atómica ). Vieron que todo el mundo tenía problemas similares y, por lo tanto, en 1958, se decidió desclasificar la investigación sobre la fusión, lo que fue bastante notable, teniendo en cuenta la guerra fría.

Ahora bien, ¿cuáles son las principales diferencias entre un reactor y una bomba de fusión? En principio, anna v ha respondido a todo. En una bomba, no te importa realmente la eficiencia, sólo quieres que se libere una enorme cantidad de energía de forma instantánea. En un reactor, sin embargo, la eficiencia es bastante importante. Veamos brevemente el proceso de fusión.

Para fusionar dos núcleos ligeros, es necesario que se acerquen mucho para superar la fuerza de repulsión electrostática. Sólo si su distancia es del orden de su radio, la fuerza fuerte comienza a actuar y se forma un nuevo núcleo. Si se consigue fusionar dos núcleos ligeros, el núcleo resultante tiene una masa menor que la suma de los dos núcleos originales - la diferencia se libera como energía según $E=mc^2$ .

Para acercarlas, las partículas necesitan una velocidad muy alta. Una mayor velocidad de las partículas significa una mayor temperatura y, para dar algunas cifras, para la reacción de fusión actualmente prevista, deutrio + tritio En este caso, se requieren temperaturas del orden de 150 Mio °C. A temperaturas tan elevadas, la materia se ioniza y se compone principalmente de partículas cargadas y se denomina plasma . Conseguir esta temperatura no es un problema. Para entender cuáles son los problemas, veamos la reacción de fusión con un poco más de detalle.

Deutrio + Tritio $\rightarrow$ Helio + neutrón + energía

En un reactor, la energía liberada sirve para dos cosas: producir electricidad y mantener la reacción de fusión en marcha. En el concepto de reactor de fusión que parece ser el más prometedor por el momento, fusión por confinamiento magnético En este caso, utilizamos un campo magnético para confinar el plasma en una forma toroidal. Como el neutrón no se ve afectado por la jaula magnética, simplemente sale del plasma y golpea la pared (calentando así la pared y el calor puede utilizarse para producir electricidad). Sin embargo, el Helio-núcleo está influenciado en su movimiento por el campo magnético y lo necesitamos para calentar más Deuterio y Tritio a temperaturas lo suficientemente altas como para realizar más reacciones de fusión. Esto requiere un buen confinamiento y resulta que no es tan fácil mantener las partículas a temperaturas tan altas el tiempo suficiente en la jaula magnética. El parámetro clave aquí es el tiempo de confinamiento que no ha dejado de aumentar desde 1950, pero que sigue siendo demasiado pequeño para alcanzar alcanzar el punto de equilibrio .

El punto de equilibrio se define aquí como el punto en el que la potencia liberada (en las reacciones de fusión) es mayor que la potencia de calentamiento externa. El récord se alcanzó en JET Actualmente el mayor tokamak del mundo, el valor alcanzado fue $0.6$ . El objetivo del ITER es liberar por primera vez más potencia que la de calentamiento inicial.

Por lo tanto, la principal diferencia en el reactor es que necesitamos un proceso de reacción sostenido en el que la energía de los productos de la reacción debe ser transferida al plasma y esto sólo se puede lograr si tenemos un tiempo de confinamiento lo suficientemente grande.

En cuanto a las otras preguntas, sugeriría hacerlas en preguntas separadas.

Actualización 1 : El Q que es la relación entre la potencia liberada y la potencia de calentamiento aplicada externamente, está previsto que llegue a 10 en el ITER en la última fase de funcionamiento. Una central en funcionamiento tendrá probablemente un valor ligeramente superior, algo así como 30. Buscaré en mi carpeta de referencias cuando vuelva a casa y veré si encuentro algo más preciso allí.

Answer 3

Mala suerte. En el caso de la fisión, existe una reacción en cadena, o al menos un proceso fácilmente iniciable que podemos controlar. Para iniciar una reacción nuclear, debe producirse de alguna manera una energía de activación del orden de los MeVs de forma fácil. En el caso de la fisión, se soluciona con que los neutrones, al ser neutros, puedan entrar en los núcleos por una "puerta trasera".

Con la fusión, no hay tal truco. Podría haberlo, pero esta vez las leyes de la naturaleza simplemente no están configuradas para nuestra suerte.

Por ejemplo, si la vida media del muón fuera del orden de $10^{-5} s$ en lugar de $10^{-6} s$ , centrales de fusión fría catalizada por muones podría existir ya. Un muón que decaiga 10 veces más lento no tendría prácticamente ningún efecto en el Universo (según los mejores conocimientos actuales).

Las bombas de fusión funcionan utilizando una bomba de fisión como iniciador. La solución análoga en la tecnología nuclear pacífica sería utilizar la reacción en cadena de fisión ordinaria para catalizar de algún modo la fusión de deuterio. No funciona, los neutrones no pueden hacer que nada se fusione.