miniaturadeimagen| Un fusor casero Un fusor es un dispositivo que utiliza un campo eléctrico para calentar iones a condiciones de fusión nuclear. El aparato induce un voltaje entre dos jaulas metálicas, dentro de un vacío. Los iones positivos caen por esta caída de voltaje, aumentando la velocidad. Si chocan en el centro, pueden fusionarse. Este es un tipo de dispositivo de confinamiento electrostático inercial, una rama de la investigación de la fusión.
Un fusor Farnsworth-Hirsch es el tipo de fusor más común. Este diseño proviene del trabajo de Philo T. Farnsworth en 1964 y Robert L. Hirsch en 1967.Robert L. Hirsch, "Inertial-Electrostatic Confinement of Ionized Fusion Gases", Journal of Applied Physics, v. 38, no. 7, October 1967P. T. Farnsworth (private communication, 1964) William Elmore, James L. Tuck y Ken Watson en el Laboratorio Nacional de Los Álamos habían propuesto previamente una variante de fusor, aunque nunca construyeron la máquina."On the Inertial Electrostatic Confinement of a Plasma" William Elmore, James Tuck and Ken Watson, The Physics of Fluids, January 30, 1959
Varias instituciones han construido fusores. Estos incluyen instituciones académicas como la Universidad de Wisconsin-Madison,Ion Flow and Fusion Reactivity, Characterization of a Spherically convergent ion Focus. PhD Thesis, Dr. Timothy A Thorson, Wisconsin-Madison 1996. el Instituto de Tecnología de MassachusettsImproving Particle Confinement in Inertial electrostatic Fusion for Spacecraft Power and Propulsion. Dr. Carl Dietrich, PhD Thesis, the Massachusetts Institute of Technology, 2007 y entidades gubernamentales, como la Organización de Energía Atómica de Irán y la Autoridad de Energía Atómica de Turquía."Preliminary Results of Experimental Studies from Low Pressure Inertial Electrostatic Confinement Device" Journal of Fusion Energy, May 23, 2013"Experimental Study of the Iranian Inertial Electrostatic Confinement Fusion Device as a Continuous Neutron Generator" V. Damideh, A. Sadighzadeh, Koohi, Aslezaeem, Heidarnia, Abdollahi, Journal of Fusion Energy, June 11, 2011 Los fusores también se han desarrollado comercialmente, como fuentes de neutrones por DaimlerChrysler Aerospace y como método para generar isótopos médicos."Phoenix Nuclear Labs meets neutron production milestone", PNL press release May 1, 2013, Ross Radel, Evan Sengbuschhttp://shinemed.com/products/, SHINE Medical Technologies, accessed 1-20-2014 Los fusores también se han vuelto muy populares entre aficionados. Un número creciente de aficionados ha realizado la fusión nuclear utilizando simples fusores.Hull, Richard. "The Fusor List." The Open Source Fusor Research Consortium II – Download Complete Thread. 58. http://fusor.net/board/viewtopic.php?t=13&f=7&sid=4d8521abbea0401b7c9ee0d4a6b09d6e#p512, 24 Apr. 2013.https://spectrum.ieee.org/energy/nuclear/fusion-on-a-budget "Fusion on a Budget" IEEE Specturm March 2009 "THE HAYLETT NUCLEAR FUSION PROJECT" Accessed 9/15/2014http://www.cnet.com/news/13-year-old-builds-working-nuclear-fusion-reactor/ "13-year-old builds working nuclear fusion reactor" CNET news, March 2014 Sin embargo, los científicos no consideran que los fusores sean un concepto viable para la producción de energía a gran escala.
Mecanismo Por cada voltio en el que se acelera un ion de ±1 carga, gana 1 electronvoltio de energía, similar a calentar un material en 11604 Kelvin de temperatura . Después de ser acelerado por 15 kV, un ion con carga simple tiene una energía cinética de 15 keV, similar a la energía cinética promedio a una temperatura de aproximadamente 174 megakelvin, una temperatura típica del plasma de fusión por confinamiento magnético. Debido a que la mayoría de los iones caen en los cables de la jaula, los fusores sufren pérdidas de conducción elevadas. En una mesa de trabajo, estas pérdidas pueden ser al menos cinco órdenes de magnitud más altas que la energía liberada por la reacción de fusión, incluso cuando el fusor está en modo estrella.J. Hedditch, "Fusion in a Magnetically Shielded grid interial electrostatic fusion device", Physics of Plasmas, 2015. Por lo tanto, ningún fusor se ha acercado jamás a una producción de energía de equilibrio. Las fuentes comunes de alto voltaje son las fuentes de alta tensión de retorno ZVS y los transformadores de señales de neón. También se le puede llamar acelerador de partículas. centro|miniaturadeimagen|400x400px| Una ilustración del mecanismo básico de fusión en fusores. (1) El fusor contiene dos jaulas de alambre concéntricas: el cátodo está dentro del ánodo. (2) Los iones positivos son atraídos hacia el cátodo interno, caen por la caída de voltaje. El campo eléctrico actúa sobre los iones, calentándolos a condiciones de fusión. (3) Los iones no llegan a la caja interior. (4) Los iones chocan en el centro y pueden fusionarse.Tim Thorson, "Ion flow and fusion reactivity characterization of a spherically convergent ion focus", Thesis work, December 1996, The University of Wisconsin–Madison.
Historia miniaturadeimagen| . UU. 3.386.883 - fusor - Imagen de la patente de Farnsworth, el 4 de junio de 1968. Este dispositivo tiene una jaula interior para hacer el campo y cuatro cañones de iones en el exterior. El fusor fue concebido originalmente por Philo T. Farnsworth, más conocido por su trabajo pionero en la televisión. A principios de la década de 1930, investigó varios diseños de tubos de vacío para usar en televisión y encontró uno que produjo un efecto interesante. En este diseño, al que llamó «multipactor», los electrones que se movían de un electrodo a otro se detuvieron en pleno vuelo con la aplicación adecuada de un campo magnético de alta frecuencia. Entonces, la carga se acumularía en el centro del tubo, lo que produciría una alta amplificación. Desafortunadamente, también condujo a una alta erosión en los electrodos cuando los electrones finalmente los golpearon, y hoy en día el efecto multipactor generalmente se considera un problema que debe evitarse.
Lo que le interesó particularmente a Farnsworth sobre el dispositivo, fue su capacidad para enfocar electrones en un punto particular. Uno de los mayores problemas en la investigación de la fusión es evitar que el combustible caliente golpee las paredes del contenedor. Si se permite que esto suceda, el combustible no se puede mantener lo suficientemente caliente para que ocurra la reacción de fusión . Farnsworth razonó que podía construir un sistema de confinamiento de plasma electrostático en el que los campos de «pared» del reactor fueran electrones o iones que se mantenían en su lugar mediante el multipactor. Luego, el combustible podría inyectarse a través de la pared y, una vez dentro, no podría escapar. Llamó a este concepto electrodo virtual y al sistema en su conjunto el fusor .
Diseño Los diseños de fusores originales de Farnsworth se basaban en disposiciones cilíndricas de electrodos, como los multipactores originales. El combustible se ionizó y luego se disparó desde pequeños aceleradores a través de orificios en los electrodos externos (físicos). Una vez a través del orificio, se aceleraron hacia el área de reacción interna a alta velocidad. La presión electrostática de los electrodos cargados positivamente mantendría el combustible en su totalidad fuera de las paredes de la cámara, y los impactos de nuevos iones mantendrían el plasma más caliente en el centro. Se refirió a esto como confinamiento electrostático inercial, un término que se sigue utilizando hasta el día de hoy.
Trabajos en los laboratorios de televisión Farnsworth Todo este trabajo se había realizado en los laboratorios de Farnsworth Television, que ITT Corporation había comprado en 1949, como parte de su plan para convertirse en la próxima RCA. Sin embargo, un proyecto de investigación sobre la fusión no se consideró rentable en aquel momento. En 1965, la junta directiva comenzaba a pedirle a Harold Geneen que vendiera la división de Farnsworth, pero su presupuesto de 1966 finalmente fue aprobado con fondos suficientes hasta mediados de 1967. Destinar más fondos fue rechazado, y eso puso fin a los experimentos de ITT con la fusión.
Las cosas cambiaron drásticamente con la llegada de Robert Hirsch y la introducción de la patente de fusor Hirsch-Meeks modificada. De este modo, nuevos fusores basados en el diseño de Hirsch se construyeron por primera vez entre 1964 y 1967.Robert L. Hirsch, "Inertial-Electrostatic Confinement of Ionized Fusion Gases", Journal of Applied Physics, v. 38, no. 7, October 1967 Hirsch publicó su diseño en un artículo de 1967. Su diseño incluía haces de iones para disparar iones a la cámara de vacío.
Luego, el equipo se dirigió a la Comisión de Energía Atómica de Estados Unidos (AEC), entonces a cargo de la financiación de la investigación de fusión, y les proporcionó un dispositivo de demostración montado en un carro de servicio que producía más fusión que cualquier dispositivo «clásico» existente. Los observadores se sorprendieron, pero el momento fue malo. El propio Hirsch había revelado recientemente el gran progreso que estaban haciendo los soviéticos utilizando el tokamak. En respuesta a este sorprendente desarrollo, la AEC decidió concentrar la financiación en grandes proyectos de reactores tokamak, y reducir el respaldo a conceptos alternativos.
Desarrollos recientes George H. Miley de la Universidad de Illinois volvió a examinar el fusor y lo reintrodujo en el campo. Desde entonces, ha persistido un interés bajo pero persistente en el fusor. Un avance importante fue la exitosa introducción comercial de un generador de neutrones basado en el fusor. Desde 2006 hasta su muerte en 2007, Robert W. Bussard dio charlas sobre un reactor de diseño similar al fusor, ahora llamado polywell, que dijo sería capaz de generar energía útil. Más recientemente, el fusor ha ganado popularidad entre los aficionados, que los eligen como proyectos domésticos debido a sus materiales relativamente accesibles de espacio, dinero y energía. Una comunidad en línea de «fusores», The Open Source Fusor Research Consortium, o Fusor.net, se dedica a informar sobre los desarrollos en el mundo de los fusores y ayudar a otros aficionados en sus proyectos. El sitio incluye foros, artículos y trabajos realizados sobre el fusor, incluida la patente original de Farnsworth, así como la patente de Hirsch de su versión de la invención.
Fusión en fusores
Fusión básica miniaturadeimagen| Las secciones transversales de diferentes reacciones de fusión. La fusión nuclear se refiere a reacciones en las que se combinan núcleos más ligeros para convertirse en núcleos más pesados. Este proceso convierte la masa en energía que, a su vez, puede capturarse para proporcionar energía de fusión. Se pueden fusionar muchos tipos de átomos. Los más fáciles de fusionar son el deuterio y el tritio . Para que se produzca la fusión, los iones deben estar a una temperatura de al menos 4 keV ( kiloelectronvoltios ), o alrededor de 45 millones de kelvin. La segunda reacción más fácil es fusionar el deuterio consigo mismo. Debido a que este gas es más barato, es el combustible más utilizado por los aficionados. La facilidad de realizar una reacción de fusión se mide por su sección transversal.John Lindl, "Development of the indirect drive approach to inertial confinement fusion and the target physics basis for ignition and gain", Physics of Plasma, 1995.
Poder de la red En tales condiciones, los átomos se ionizan y forman un plasma. La energía generada por fusión, dentro de una nube de plasma caliente, se puede encontrar con la siguiente ecuación.John Lawson, "Some Criteria for a Power producing thermonuclear reactor", Atomic Energy Research Establishment, Hanvell, Berks, 2 November 1956.
donde:
es la densidad de potencia de fusión (energía por tiempo por volumen), n es la densidad numérica de las especies A o B (partículas por volumen),