Nuevas simulaciones numéricas de la fusión inercial magnetizada predicen una alta ganancia energética

Me ha llamado la atención “Un paso más hacia la fusión nuclear,” Ciencia Kanija, 1 Oct. 2012 [original en inglés], que se hace eco de un nuevo artículo sobre fusión inercial de funda magnetizada (MagLIF) publicado en Physical Review Letters por investigadores del Laboratorio Nacional Sandia en Albuquerque, Nuevo México, EEUU. El resumen del artículo técnico es muy optimista y predice una ganancia energética de hasta 1000, lo que significaría que se obtiene mil veces más energía de la fusión que la necesaria para producirla. Este valor hay que tomarlo con alfileres, no solo porque se ha obtenido mediante simulaciones numéricas en dos dimensiones (2D en lugar de 3D), sino también porque los autores del artículo han definido la ganancia energética G como el cociente entre la energía de fusión alcanzada y la energía absorbida por el combustible y su cápsula durante la implosión. Obviamente, hay muchas pérdidas. En la introducción del artículo, los autores aclaran que solo un 20% de la energía utilizada es útil, es decir, acaba en la cápsula y el combustible; por tanto, un valor más realista de la ganancia energética G lograda en la fusión inercial magnetizada en estos experimentos numéricos es cinco veces menor. Por supuesto, en mi opinión incluso este valor es muy optimista, pues las simulaciones numéricas incurren en gran número de simplificaciones de la física del plasma. Sinceramente, no creo que se logre nunca una ganancia de energía en la fusión gracias a MagLIF (es decir, una ganancia Q>1), salvo que se introduzcan gran número de cambios en los diseños que han sido estudiados por estos autores. Pero quizás soy demasiado pesimista (prefiero pensar que realista). El nuevo artículo técnico es Stephen A. Slutz and Roger A. Vesey, “High-Gain Magnetized Inertial Fusion,” Physical Review Letters 108: 025003, 2012. Más información sobre MagLIF y simulaciones previas menos detalladas en S. A. Slutz et al., “Pulsed-power-driven cylindrical liner implosions of laser preheated fuel magnetized with an axial field,” Physics of Plasmas 17: 056303, 2010.

La fusión por confinamiento inercial consiste en inyectar mucha energía en una cápsula de combustible de tal forma que explote la funda de la cápsula y, por el principio de acción y reacción, implosione el combustible de su interior hasta que se logra la superar el punto de equilibro de la fusión (llamado breakeven en inglés) y denotado Q=1. La idea parece sencilla y hace 60 años parecía tan fácil de lograr como la fisión nuclear; sin embargo, tras 60 años aún nos encontramos tan verdes como entonces y aún no se ha logrado alcanzar el punto de equilibrio de la fusión por confinamiento inercial (el récord actual, logrado gracias al confinamiento magnético en el tokamak JET fue Q=0,7<1, aunque las pruebas con bombas atómicas indican que es posible y se espera que ITER logre alcanzar Q=10).

Uno de los grandes problemas de la fusión por confinamiento inercial es el diseño y el preproceso de la cápsula de combustible (pellet). Las cápsulas esféricas son mejores porque consiguen una implosión más simétrica, pero su volumen crece con el cubo del radio, luego se necesita una mayor energía para lograr la explosión de su capa exterior que logre la implosión del combustible interior. Las cápsulas cilíndricas, cuyo volumen crece con el cuadrado del radio, parecen una mejor opción, pero requieren una mayor energía para lograr una explosión radial de la funda del combustible. La técnica MagLIF trata de resolver este problema mediante el precalentamiento previo del combustible mediante magnetización. Para ello se usa una funda metálica por la que se hace pasar una corriente eléctrica muy alta que genera un gran campo magnético.

El nuevo artículo estudia la fusión deuterio-tritio (DT) en cápsulas metálicas de berilio y aluminio magnetizadas con corrientes de millones de amperios (MA) aplicadas mediante pulsos cortos de decenas de nanosegundos (ns). La ganancia energética de 1000 se obtiene en las simulaciones numéricas al aplicar una corriente de 70 MA en la cápsula durante unos 10 ns; con una corriente de unos 60 MA durante 10 ns se obtendría una ganancia energética de 100. Son números fáciles de escribir, pero son enormes y están más allá de la tecnología actual. Por ejemplo, el mayor generador de rayos X del mundo, la máquina Z del Laboratorio Nacional Sandia, logra alcanzar unos 20 MA en pulsos cortos de unos 100 ns. Alcanzar 60 MA, aunque sea en pulsos de 10 ns, requiere una nueva instalación experimental.

En resumen, el nuevo artículo técnico es llamativo, en especial a los que hacemos simulaciones numéricas, pero creo que debemos poner los pies sobre la tierra y recordar que “la realidad siempre supera a la ficción.”

PS: En la versión original de esta entrada yo usaba el término “ignición” para denotar el punto de equilibrio Q=1, cuando estrictamente hablando la ignición se logra para Q→∞. Me lo ha aclarado alfonsotwr ‏(@alfonsotwr) en Twitter; gracias.

 

Anuncios

10 pensamientos en “Nuevas simulaciones numéricas de la fusión inercial magnetizada predicen una alta ganancia energética

  1. perdon profesor que haga una pregunta tan sencilla
    no engtiendo segun un principio de la termodinamica no es posible crear energia entonces como puede ser que de la enrgia que usamos que metemos en el reactor de fusion salga mas hasta 200 veces mas.
    por favor expliqueme con ecuaciones o sea con matematicas ademas de fisica en palabras

    • No me gustaría entrometerme Alicia, y sé que esperarás una respuesta de Francis, pero me parece oportuno darte un pequeño alivio en forma de explicación divulgativa hasta que tu pregunta pueda ser atendida por alguien mejor preparado/a que yo.

      La diferencia de energía que has observado en la noticia de Francis se debe a las “ligaduras” entre las partículas que componen los átomos.
      Me explico; grosso modo, cuando unes dos núcleos atómicos ligeros para producir uno más pesado, se desprende energía. Esta energía proviene de un defecto de masa entre los dos núcleos ligeros iniciales y el núcleo más pesado (la suma de los dos ligeros es mayor que la del núcleo resultante y los posibles nucleones sueltos emitidos). Así pues, esa masa queda transformada en energía (recuerda la archifamosa ecuación de Einstein E=mc²). De ahí proviene la energía producida en los procesos de fusión nuclear.

      Nota. A efectos de evitar un posible tirón de orejas, te aclaro que el defecto de masa no proviene de la desaparición de los nucleones (neutrones y protones), sino de la ruptura (o modificación) de ciertas propiedades de los núcleos originales, que se traducen en una diferencia de masa.

      Por cierto Francis, te envío un cordial saludo. Llevo cerca de 3 años visitando el blog pero es la primera vez que me animo a responder algo.
      ¡Ánimo con el blog y a por los Bitácoras 2012!

    • Alicia, la respuesta de PSR es correcta. Ya hablé del defecto de masa en esta entrada donde puedes encontrar la siguiente figura:

      Como puedes comprobar el defecto de masa para un núcleo de deuterio (la energía que une el protón y el neutrón) más el defecto de masa de uno de tritio (la energía que une el protón con los dos neutrones) es menor que el defecto de masa de un núcleo de helio-4 (la energía que une sus dos protones con sus dos neutrones), con lo que la reacción D+T→4He+n es exoenergética y se obtiene energía útil. La clave es logar esta reacción con un gran número de núcleos de D (2H) y T (3H) durante suficiente tiempo para obtener una cantidad suficientemente grande energía (la energía de cada reacción se suma a las demás). El objetivo de ITER es lograr obtener 500 MW con solo 50 MW (es decir, Q=10). Por supuesto, en estos procesos no se viola la ley de conservación de la energía (todo lo contrario).

      Si necesitas fórmulas, tendrás que recurrir a un libro de física nuclear, pues estimar a nivel teórico la masa de los núcleos D, T y 4He requiere un modelo fenomenológico de la fuerza nuclear fuerte efectiva en los núcleos; hay varios pero no sé hasta qué nivel de detalle necesitas.

  2. Hola Alicia, toda esa energia ya existe dentro de los nucleos de los atomos, no se ha creado de la nada, lo unico que haces durante el proceso de fusion es liberar parte de esa energia.

  3. creo que me entendieron mal, mi pregunta es sobre termodinamica, como puede ser que se cree mas energia que la que uso en el sistema
    o esa el eroi la tasa de retorno energetico es de 200

    • Alicia, tu pregunta es muy buena y va a la raiz del principio de la energia nuclear (sea fusion o fision). La misma pregunta sirve para responder “de donde sacan la energia las estrellas?”

      No hay ningun problema con la termodinamica si cuentas TODA la energia que metes en el sistema, en la cual debes incuir, toda la masa (E=mc^2). O sea, metes poca masa + poca energia y sacas un poco menos de masa + mucha energia. La ganancia en energia, en ningun caso puede superar la pderdida de masa multiplicado por c^2. En la practica, sin embargo, la eficiencia sera muy inferior a este limite.

    • Alicia, como bien dice Alex, la energía ni se crea ni se destruye, pero cambia de estado. En la fusión nuclear (como en la combustión de un hidrocarburo) se extrae energía que está en el combustible.

      Por otro lado, te confundes de plano con el concepto de EROI aplicado a lo discutido en este entrada. En ningún momento se dice que haya un EROI de 200. Para calcular el EROI de la fusión habrá que esperar a saber qué tecnología es la que acaba siendo utilizada en las plantas comerciales; ahora mismo no tiene ningún sentido.

  4. ¿Cuando vas a escribir un artículo de la fusión por sonoluminescencia?

Los comentarios están cerrados.