Anar al contingut

Energia de fusió inercial per làser

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià
Archiu:Caps block 0 power plant.jpg
Representació ideal de la central de fusió LIFE.1. El sistema de fusió es troba en el gran edifici cilíndric de contenció del centre.

LIFE, abreviatura de Laser Inertial Fusion Energy (Energia de Fusió Inercial per Làser), va anar un proyecte d'energia de fusió portat a terme en el Laboratori Nacional Lawrence Livermore entre 2008 i 2013. LIFE pretenia desenrollar les tecnologies necessàries per a convertir el concepte de fusió per confinament inercial impulsat per làser que s'estava desenrollant en l'Instalació Nacional d'Ignició (NIF) en una central elèctrica comercial pràctica, un concepte conegut generalment com a energia de fusió inercial (IFE). LIFE utilisava els mateixos conceptes bàsics que NIF, pero pretenia abaratir costs utilisant elements combustibles produïts en série, un manteniment simplificat i làsers de diodo en major eficiència elèctrica.

Es varen considerar dos dissenys, que funcionaven com a sistema de fusió pura o híbrit de fusió-fissió. En el primer, l'energia generada per les reaccions de fusió s'utilisa directament. En el segon, els neutrons despresos per les reaccions de fusió s'utilisen per a provocar reaccions de fissió en un mant circumdant d'urani o un atre combustible nuclear, i eixos events de fissió són responsables de la major part de la lliberació d'energia. En abdós casos, s'utilisen sistemes convencionals de turbines de vapor per a extraure la calor i produir electricitat.

La construcció de la NIF va finalisar en 2009 i va començar una llarga série de proves de posada en marcha per a alcançar la seua plena potència. A lo llarc de 2011 i fins a 2012, el NIF va portar a terme la "campanya nacional d'ignició" per a alcançar el punt en el que la reacció de fusió es torna autosostenible, un objectiu clau que és un requisit bàsic de qualsevol sistema pràctic de IFE. El NIF va fracassar en este objectiu, en un rendiment de fusió molt per baix dels nivells d'ignició i que diferia considerablement de les prediccions. En el problema de l'ignició sense resoldre, el proyecte LIFE es va cancelar en 2013.

El programa LIFE va ser criticat durant el seu desenroll per basar-se en una física que encara no s'havia demostrat. En una evaluació mordaz, Robert McCrory, director del Laboratori d'Energia Làser, va declarar: "En la meua opinió, l'excés de promeses i vendes de LIFE va fer un favor al Laboratori Lawrence Livermore".[1]

Antecedents

[editar | editar còdic]

El Laboratori Nacional Lawrence Livermore (LLNL) ha segut líder en la fusió per confinament inercial (ICF) impulsada per làser des de que John Nuckols, empleat de el LLNL, va desenrollar el concepte inicial a finals dels anys 50.[2] L'idea bàsica consistia en utilisar un impulsor per a comprimir una menuda pastilla coneguda com a blanc que conté el combustible de fusió, una mescla de deuteri (D) i triti (T). Si la compressió alcança valors suficientment alts, comencen a produir-se reaccions de fusió que lliberen partícules alfa i neutrons. Les alfa poden impactar contra els àtoms del combustible circumdant, calfant-los fins al punt de que també experimenten la fusió. Si la taxa de calfament de les alfa és superior a les pèrdues de calor al mig ambient, el resultat és una reacció en cadena autosostenida coneguda com a ignició.[3][4]

Si es compara l'entrada d'energia de l'impulsor en l'eixida d'energia de fusió, s'obté un número conegut com a factor de guany d'energia de fusió, denominat Q. Es requerix un valor Q d'a lo manco 1 per a que el sistema produïxca energia neta. Ya que es necessita certa energia per a fer funcionar el reactor, per a que hi haja producció elèctrica neta, Q té que ser a lo manco 3.[5] Per al funcionament comercial, es necessiten valors de Q molt superiors a este.[6] Per a la ICF, es necessiten Q de l'orde de 25 a 50 per a recuperar tant les pèrdues de generació elèctrica com la gran cantitat d'energia utilisada per a alimentar el excitador. En l'autumne de 1960, el treball teòric portat a terme en LLNL va sugerir que guanys de l'orde requerit serien possibles en conductors de l'orde d'1 MJ.[7]

En aquell moment, es varen considerar varis excitadores diferents, pero l'introducció del làser eixe mateix any va proporcionar la primera solució òbvia en la combinació adequada de característiques. Les energies desijades estaven molt per damunt de l'estat de l'art en el disseny de làsers, per lo que el LLNL va iniciar un programa de desenroll a mitan de la década dels 60 per a alcançar estos nivells.[8] Cada aument d'energia donava lloc a fenomens òptics nous i inesperats que calia superar, pero que es varen resoldre en gran mida a mitan de la década de 1970. Treballant en paralel en els equips làser, els físics que estudiaven la reacció esperada utilisant simulacions per ordenador adaptades del treball en bombes termonuclears varen desenrollar un programa conegut com LASNEX que sugeria que Q d'1 podria produir-se a nivells d'energia molt més baixos, en el ranc del kilojulio, nivells que l'equip làser era ara capaç d'oferir.[9][10]


Des de finals dels anys 70, el LLNL va desenrollar una série de màquines per a alcançar les condicions predites per LASNEX i atres simulacions. En cada iteración, els resultats experimentals demostraven que les simulacions eren incorrectes. La primera màquina, el làser Shiva de finals dels 70, va produir una compressió de l'orde de 50 a 100 voltes, pero no va produir reaccions de fusió ni de llunt propenques als nivells esperats. El problema es va deure a que la llum infrarroja del làser calfava els electrons i els mesclava en el combustible, per lo que es va propondre utilisar llum ultravioleta per a resoldre el problema. Açò es va abordar en el làser Nova de la década de 1980, que es va dissenyar en l'intenció específica de produir ignició. Nova va produir grans cantitats de fusió, en dispars que varen produir fins a 107 neutrons, pero no va conseguir l'ignició. Açò es va deure a l'aument de les inestabilitat de Rayleigh-Taylor, que varen incrementar en gran medida la potència requerida del excitador.[11]

Finalment, es va considerar que tots estos problemes estaven ben resolts i va sorgir un disseny molt major, el NIF. NIF es va dissenyar per a proporcionar aproximadament el doble de l'energia del excitador requerida, permetent cert marge d'error. El disseny de el NIF es va finalisar en 1994 i la seua construcció devia concloure en 2002. La construcció va començar en 1997, pero va tardar més d'una década en completar-se, declarant-se finalisada la major part de la construcció en 2009.[12]

LIFE

[editar | editar còdic]

A lo llarc del desenroll del concepte ICF en LLNL i en atres llocs, s'havien realisat varis menuts esforços per a considerar el disseny d'una central elèctrica comercial basada en el concepte ICF. Alguns eixemples són SOLASE-H[13] i HYLIFE-II.[14] A mida que el NIF aplegava al seu fi en 2008, en les diverses preocupacions considerades resoltes, LLNL va començar un esforç més sério de desenroll de la ICF, LIFE.[15]

Híbrit fusió-fissió

[editar | editar còdic]

Quan es va propondre per primera volta el proyecte LIFE, es va centrar en el concepte híbrit de fusió-fissió nuclear, que utilisa els neutrons ràpits de les reaccions de fusió per a induir la fissió en materials nuclears fèrtils.[16] El concepte híbrit es va dissenyar per a generar energia a partir de combustible nuclear tant fèrtil com fisible i per a cremar residus nuclears.[17][18][19] La manta de combustible es va dissenyar per a utilisar combustible basat en TRISO refrigerat per una sal fosa feta d'una mescla de fluorur de liti (LiF) i fluorur de berili (BeF2).[20]


Les centrals de fissió convencionals es basen en la reacció en cadena que es produïx quan els successos de fissió lliberen neutrons tèrmics que provoquen atres successos de fissió. Cada event de fissió en el U-235 llibera dos o tres neutrons en uns 2 MeV d'energia cinètica. Per mig d'una disposició cuidadosa i l'us de diversos materials absorbents, els dissenyadors poden equilibrar el sistema per a que un d'eixos neutrons provoque un atre event de fissió mentres que l'atre o els atres dos es perden. Este equilibri es coneix com criticidad. El urani natural és una mescla de tres isòtops; principalment U-238, en una miqueta de U-235, i traces de U-234. Els neutrons lliberats en la fissió de qualsevol dels isòtops principals provocaran la fissió en el U-235, pero no en el U-238, que requerix energies més altes, entorn als 5 MeV. No hi ha suficient U-235 en l'urani natural per a alcançar la criticidad. Els reactors nuclears comercials d'aigua llaugera, els reactors de potència més estesos en el món, utilisen combustible nuclear que conté urani enriquit al 3-5% en U-235, mentres que el sobrant és U-238.[21][22]

Cada event de fusió en el reactor de fusió D-T emet una partícula alfa i un neutró ràpit en uns 14 MeV d'energia cinètica. Esta energia és suficient per a provocar la fissió de el U-238 i de molts atres elements transuránicos. Esta reacció s'utilisa en les bombes H per a aumentar el rendiment de la secció de fusió envolent-la en una capa d'urani empobrit, que sofrix una fissió ràpida en ser colpejat pels neutrons de la bomba de fusió que conté. El mateix concepte bàsic pot utilisar-se també en un reactor de fusió com el LIFE, utilisant els seus neutrons per a provocar la fissió en un mant de combustible de fissió. A diferència d'un reactor de fissió, que crema el seu combustible una volta que el U-235 descendix per baix d'un determinat valor llindar,[a] estos reactors híbrits de fissió-fusió poden seguir produint energia a partir del combustible de fissió mentres el reactor de fusió seguixca proporcionant neutrons. Com els neutrons tenen una gran energia, poden provocar múltiples events de fissió, lo que fa que el reactor en el seu conjunt produïxca més energia, un concepte conegut com a multiplicació de l'energia.[23] Inclús el combustible nuclear sobrant dels reactors nuclears convencionals es cremarà d'esta manera. Açò és potencialment atractiu perque aixina es cremen molts dels radioisòtops de llarga vida en el procés, produint residus que són només llaugerament radiactius i que carixen de la majoria dels components de llarga vida.[16]

En la majoria dels dissenys d'energia de fusió, els neutrons de fusió reaccionen en una capa de liti per a produir nou triti com a combustible. Un dels principals problemes del disseny de fissió-fusió és que els neutrons que provoquen la fissió ya no estan disponibles per a l'obtenció de triti. Encara que les reaccions de fissió lliberen neutrons adicionals, estos no tenen suficient energia per a completar la reacció de reproducció en Li-7, que constituïx més del 92% del liti natural. Estos neutrons de menor energia provocaran la reproducció en Li-6, que podria concentrar-se a partir del mineral de liti natural. No obstant, la reacció de l'Li-6 només produïx un triti per neutró capturat, i es necessita més d'un T per neutró per a compensar la desintegració natural i atres pèrdues.[24] Usant Li-6, els neutrons de la fissió compensarien les pèrdues, pero només a costa d'impedir que provoquen atres reaccions de fissió, lo que reduiria la potència del reactor. El dissenyador té que elegir qué és més important: cremar el combustible per mig de neutrons de fusió o proporcionar energia per mig d'events de fissió autoinducidos.[25]


L'economia dels dissenys de fissió-fusió sempre ha segut qüestionable. El mateix efecte bàsic pot crear-se substituint el reactor de fusió central per un reactor de fissió especialment dissenyat, i utilisant els neutrons sobrers de la fissió per a generar combustible en la manta. Estos reactors reproductors ràpits han demostrat ser antieconòmics en la pràctica, i el major cost dels sistemes de fusió en l'híbrit fissió-fusió sempre ha sugerit que serien antieconòmics a menos que es construïren en unitats molt grans.[26]

IFE pura

[editar | editar còdic]
Archiu:Caps block 131 target chamber construction.jpg
La construcció en vàries parts de la cambra objectiu de l'Instalació Nacional d'Ignició també s'utilisaria en LIFE. S'utilisarien vàries cambres en una central de producció, lo que permetria intercanviar-les per al seu manteniment.

El concepte LIFE va deixar de funcionar en la llínea fusió-fissió entorn a 2009. Despuix de consultar en els seus socis de l'indústria de servicis públics, el proyecte es reorientó cap a un disseny de fusió pura en una producció elèctrica neta entorn a 1 gigavatio.[27]

La fusió per confinament inercial és una de les dos principals llínees de desenroll de l'energia de fusió, sent l'atra la fusió per confinament magnètic (MCF), en particular el concepte de tokamak que s'està construint en un gran sistema experimental conegut com ITER. El confinament magnètic es considera el método superior i ha segut objecte d'una activitat de desenroll molt major a lo llarc de les últimes décades. No obstant, existixen sérios dubtes de que l'enfocament MCF de el ITER puga aplegar a ser econòmicament pràctic.[28]

Un dels problemes de cost dels dissenys MCF com el ITER és que els materials del reactor estan somesos a l'intens fluix de neutrons creat per les reaccions de fusió. Quan els neutrons d'alta energia impacten en els materials, desplacen els àtoms de l'estructura, lo que provoca un problema conegut com fragilización neutrónica que degrada l'integritat estructural del material. Açò també és un problema per als reactors de fissió, pero el fluix i l'energia dels neutrons en un tokamak és major que en la majoria dels dissenys de fissió. En la majoria dels dissenys MFE, el reactor es construïx en capes, en una cambra de buit interior toroidal, o "primera paret", després la manta de liti i, per últim, els imans superconductores que produïxen el camp que confina el plasma. Els neutrons que es detenen en la manta són desijables, pero els que ho fan en la primera paret o en els imans els degraden. Desmontar una pila toroidal d'elements seria un procés llarc que donaria lloc a un factor de capacitat deficient, lo que té un impacte significatiu en l'economia del sistema. Reduir este efecte requerix l'us de materials exòtics que encara no s'han desenrollat.[29]


Com a efecte secundari natural del tamany dels elements combustibles i les seues explosions resultants, els dissenys de ICF utilisen una cambra de reacció molt gran de molts metros de diàmetro. Açò reduïx el fluix de neutrons en qualsevol part concreta de la paret de la cambra a través de la llei del quadrat invers. Ademés, no hi ha imans ni atres sistemes complexos prop o dins del reactor, i el làser està aïllat en el costat més alluntat dels llarcs camins òptics. El costat més alluntat de la cambra està buit, lo que permet colocar allí la manta i mantindre-la fàcilment. Encara que les parets de la cambra de reacció i l'òptica final acabarien per fragilizarse i requeririen substitució, la cambra és essencialment una gran bola d'acer de construcció relativament senzilla de vàries peces que podria substituir-se sense massa esforç. La cambra de reacció és, en conjunt, molt més senzilla que les dels conceptes de fusió magnètica, i els dissenys de LIFE proponien construir vàries i posar-les ràpidament en producció i fòra d'ella.[30]

Llimitacions de la IFE

[editar | editar còdic]
Archiu:Nif flashlamps.jpg
Les enormes llànties de flash de el NIF són ineficaços i poc pràctiques. LIFE va explorar solucions per a substituir estes llànties per làsers bombejats per LED més menuts i molt més eficients.

El làser de el NIF utilisa un sistema de grans tubos de centelleig (com els de les llanternes fotogràfiques) per a bombejar ópticamente un gran número de plaques de vidre. Una volta que les plaques han rebut el centelleig i s'han assentat en una inversió de població, una menuda senyal procedent d'un làser independent s'introduïx en les llínees òptiques, estimulant l'emissió en les plaques. A continuació, les plaques bolquen la seua energia almagasenada en el fes creixent, amplificant-ho mils de millons de voltes.[31]

El procés és extremadament ineficiente en térmens energètics; el NIF alimenta les flashtubes en més de 400 MJ d'energia que produïxen 1,8 MJ de llum ultravioleta (UV). Per les llimitacions de la cambra del blanc, el NIF només és capaç de manejar produccions de fusió de fins a uns 50 MJ, encara que els dispars serien generalment la mitat d'eixa cantitat. Tenint en conte les pèrdues en la generació, podrien extraure's uns 20 MJ d'energia elèctrica com a màxim, lo que supondria menys del 1⁄20 de l'energia d'entrada.[31]

Un atre problema dels làsers de el NIF és que els tubos de centelleig generen una cantitat significativa de calor, que calfa el cristal del làser lo suficient com per a deformar-ho. Açò requerix un llarc periodo de refredat entre dispars, de l'orde de 12 hores. En la pràctica, el NIF efectua menys d'un dispar al dia.[32] Per a ser útil com a central elèctrica, deurien produir-se una dotzena de dispars per segon, lo que supera en créixens la capacitat dels làsers de el NIF.


Quan Nuckols ho va concebre originalment, s'esperava que el confinament de fusió inercial accionado per làser requerira làsers d'uns centenars de kilojulios i utilisara gotes de combustible creades per un sistema de vaporizador de perfum[35] Les investigacions de el LLNL des de llavors han demostrat que este sistema no pot funcionar i requerix conjunts mecanisats per a cada dispar. Per a ser econòmicament útil, una màquina IFE necessitaria utilisar conjunts de combustible que costen centaus. Encara que el LLNL no publica els preus dels seus propis blancs, el sistema similar del Laboratory for Laser Energetics de la Universitat de Rochester fabrica blancs per al voltant d'1 milló de dólars cada u.[33] Se sugerix que els blancs de el NIF costen més de 10.000 dólars.[34][35]

Mercurio

[editar | editar còdic]

LLNL havia començat a explorar diferents solucions al problema del làser mentres es descrivia el sistema per primera volta. En 1996 varen construir un menut sistema de banc de proves conegut com a làser de mercuri que substituïa els tubos de centelleig per diodos làser.[36]

Una de les ventages d'este disseny era que els diodos creaven llum entorn a la mateixa freqüència que l'eixida del cristal del làser,[37] en comparació a les llànties de centelleig de llum blanca, en les que la major part de l'energia del centelleig es desperdiciava al no estar prop de la freqüència activa del cristal del làser.[38] Este canvi va aumentar l'eficiència energètica fins a prop del 10%, una millora espectacular.[36]

Per a qualsevol cantitat d'energia lluminosa creada, els làsers de diodo emeten aproximadament 1⁄3 de calor que un tubo de flash. Menys calor, combinat en una refrigeració activa en forma d'heli bufat entre els diodos i les capes de vidre del làser, va eliminar el calfament del vidre i permet que el laser de mercuri funcione contínuament.[37] En 2008, El laser de mercuri va ser capaç de disparar 10 voltes per segon a 50 juliol per dispar durant hores seguides.[36]

Atres proyectes paralels al laser de mercuri varen explorar diversos métodos i conceptes de refrigeració que permetien empaquetar molts diodos làser en un espai molt reduït. En el temps es va conseguir un sistema en 100 kW d'energia làser en una caixa d'uns 50 centímetros de llarc, coneguda com a matriu de diodos. En un disseny LIFE, estes matrius substituirien a la caixa de diodos menys densa del disseny del laser de mercuri.[36]

Fes en una caixa

[editar | editar còdic]

LIFE era essencialment una combinació dels conceptes de Mercury i noves disposicions físiques per a reduir en gran medida el volum de la NIF i, al mateix temps, fer-la molt més fàcil de construir i mantindre. Mentres que una llínea de llum de el NIF per a un dels seus 192 làsers medix més de 100 metros de llarc, LIFE es basava en un disseny d'uns 10,5 metros de llarc que contenia tot, des de les fonts d'alimentació fins a l'òptica de conversió de freqüència. Cada mòdul era completament independent, a diferència de el NIF, que s'alimenta d'una senyal central procedent de l'oscilador mestre, lo que permetia retirar i substituir les unitats individualment mentres el sistema en el seu conjunt seguia funcionant.[39]


Cada cèlula d'excitació del disseny bàsic de LIFE contenia dos dels conjunts de diodos d'alta densitat disposts a abdós costats d'una gran llosa de vidre làser. Els conjunts es refrigeraven per mig de tubos de conexió situats en abdós extrems del mòdul. El pols làser inicial ho proporcionava un mòdul preamplificador similar a el de el NIF, l'eixida del qual es commutava a la llínea de fes principal per mig d'un espill i un interruptor òptic de cèlula Pockels. Per a maximizar l'energia depositada en el fes des del cristal làser, es varen utilisar commutadors òptics per a enviar el fes a espills per a reflectir la llum a través del cristal quatre voltes, de forma similar a el NIF.[37] Per últim, l'enfocament i la neteja òptica varen ser proporcionats per òptiques situades a abdós costats del cristal, ans que el fes ixquera del sistema a través d'un convertidor de freqüència situat en un dels extrems.[39]

El menut tamany i l'independència dels mòduls làser varen permetre prescindir de l'enorme edifici de el NIF.En el seu lloc, els mòduls es varen dispondre en grups que rodejaven la cambra del blanc en una disposició compacta. En els dissenys de referència, els mòduls s'apilaven en grups de 2 d'ample per 8 d'alt en dos anells per damunt i per baix de la cambra objectiu, fent lluir la seua llum a través de menuts orificis perforats en la cambra per a protegir-los del fluix de neutrons que eixia de regrés.[40]

L'objectiu final era produir un sistema que poguera transportar-se en un camió semirremolque convencional fins a la central elèctrica, proporcionant energia làser en una eficiència d'extrem a extrem del 18%, 15 voltes la del sistema NIF. D'esta manera, els guanys de fusió requerides es reduïxen a l'àrea de 25 a 50, dins dels valors prevists per a el NIF. El consens va ser que este sistema "beam-in-a-box" podria construir-se per 3 cèntims per vat d'eixida làser, i que es reduiria a 0,7 cèntims/W en producció sostinguda. Açò significaria que una planta LIFE completa requeriria uns 600 millons de dólars només en diodos, una cantitat significativa, pero dins de l'àmbit de les possibilitats econòmiques.[39]

Objectius barats

[editar | editar còdic]
Archiu:Nif-shot target-arm-before big.jpg
Els objectius de el NIF (centrats, en el soport) són costosos conjunts mecanisats que costen mils de dólars cada u. LIFE va treballar en socis industrials per a reduir-ho a menys d'un dólar.

Els objectius de el NIF són extremadament cars. Cada u d'ells consistix en un menut cilindre metàlic d'extrem obert en finestres transparents de doble panel sagellant cada extrem. Per a convertir eficaçment la llum del làser conductor en els rajos X que impulsen la compressió, el cilindre té que estar recobert d'or o atres metals pesats. En el seu interior, suspesa sobre fins arams de plàstic, hi ha una esfera hueca de plàstic que conté el combustible. Per a que l'implosió siga simètrica, el cilindre metàlic i l'esfera de plàstic tenen unes tolerància de mecanisat extremadament altes. El combustible, normalment un gas a temperatura ambiente, es deposita dins de l'esfera i després es congela criogénicamente fins que s'adherix a l'interior de l'esfera. A continuació, es alisa calfant-ho llentament en un làser infrarrojo per a formar una capa plana de 100 μm en l'interior de la pastilla. Cada blanc costa decenes de mils de dólars.[34]


Per a respondre a esta preocupació, LIFE va dedicar una part considerable dels seus esforços al desenroll de dissenys de blancs simplificats i de construcció automatizado que reduïren el seu cost. En colaboració en General Atomics, l'equip de LIFE va desenrollar un concepte que utilisava fàbriques de combustible in situ que produirien granulados en massa a un ritme d'aproximadament un milló al dia. S'esperava que açò reduïra el seu preu a uns 25 cèntims per blanc,[41] encara que atres referències sugerixen que el preu del blanc estava més prop dels 50 cèntims, i les pròpies estimacions de el LLNL oscilen entre els 20 i els 30 cèntims.[42]

Una ventaja menys òbvia del concepte LIFE és que la cantitat de triti necessària per a posar en marcha el sistema es reduïx enormement sobre els conceptes MFE. En el MFE, es prepara una cantitat relativament gran de combustible i s'introduïx en el reactor, lo que requerix gran part de tot el suministrament civil mundial de triti només per a la posada en marcha. LIFE, gràcies a la menuda cantitat de combustible que conté cada pastilla, pot començar a funcionar en molt manco triti, de l'orde de 1⁄10.[30]

Disseny general

[editar | editar còdic]
Archiu:Caps block 194 fusion chamber.jpg
El sistema de fusió de LIFE.1/MEP. Els làsers són les caixes grises dispostes en grups en la part superior i inferior de l'edifici de contenció (les inferiors a penes són visibles). La seua llum, en blava, rebota a través de les vies òptiques cap a la cambra del blanc, en el centre. La maquinària de l'esquerra fa circular el liti líquit o FLiBe, que elimina la calor de la cambra per a gelar-la, proporciona calor als generadors i extrau triti per a combustible.

Els primers dissenys de fusió-fissió no estaven ben desenrollats i només es varen mostrar esbossos esquemàtics del concepte. Estos sistemes semblaven una versió reduïda de el NIF, en llínees de llum d'uns 100 metros de llarc a abdós costats d'una cambra d'objectius i una zona de generació d'energia. El làser produïa 1,4 MJ de llum ultravioleta 13 voltes per segon. La fusió tenia lloc en una cambra objectiu de 2,5 metros (8 peus 2 polzades) rodejada de 40 tonellades curtes (36.000 kg) de combustible de fissió no enriquit o, alternativament, d'unes 7 tonellades curtes (6.400 kg) de Pu o urani altament enriquit procedent d'armes. S'esperava que el sistema de fusió produïra Q de l'orde de 25 a 30, donant lloc a 350 a 500 MW d'energia de fusió. Els processos de fissió desencadenats per la fusió afegirien un guany energètic adicional de 4 a 10 voltes, lo que donaria lloc a una producció tèrmica total d'entre 2000 i 5000 MWth. L'us de sistemes de conversió tèrmica-elèctrica d'alta eficiència, com els dissenys de cicle Rankine, en combinació en generadors de vapor supercríticos demostrats, permetria convertir en electricitat aproximadament la mitat de la producció tèrmica.[43][44]


En 2012, el disseny bàsic del concepte de fusió pura, conegut com a Planta d'Entrada en el Mercat (MEP, per les seues sigles en anglés), s'havia estabilisat. Es tractava d'un disseny autònom en tota la secció de fusió empaquetada en un edifici cilíndric de formigó similar a un edifici de confinament d'un reactor de fissió, encara que més gran, en 100 metros (330 peus) de diàmetro.[45] L'edifici central estava flanquejat per edificis rectangulars més menuts a abdós costats, un contenint les turbines i els sistemes de maneig d'energia, l'atre la planta de triti. Un tercer edifici, adossat a la planta o darrere d'ella segons el diagrama, s'utilisava per al manteniment.[46]

Dins de l'edifici central de fusió, els làsers de fes en caixa es disponien en dos anells, un damunt i un atre baix de la cambra del blanc. Un total de 384 làsers proporcionarien 2,2 MJ de llum ultravioleta a una llongitut d'ona de 0,351 micrómetros,[37] produint un Q de 21. En cada dispar, la temperatura de la paret interior de la cambra s'eleva de 600 °C (1.112 °F) a 800 °C (1.470 °F).[47]

La cambra de l'objectiu és una estructura de dos parets plena de liti líquit o d'una aleació de liti entre les parets.[48] El liti captura els neutrons de les reaccions per a produir triti i també actua com a circuit de refrigeració primari.[49] La cambra està plena de gas xenón que ralentisaria els ions de la reacció i protegiria la paret interior, o primera paret, del fluix massiu de rajos X[50]. Com la cambra no està altament presurizada, com un núcleu de fissió, no té que construir-se com una sola esfera. En el seu lloc, la cambra LIFE es construïx a partir de huit seccions idèntiques que inclouen conexions integrades al circuit de refrigeració. Es transporten a la central, s'entornellen a dos soports i es rodegen d'un armassó espacial tubular.[50]

Per a fer front a la fragilización, tota la cambra d'objectius es va dissenyar de modo que poguera traure's fàcilment del centre de l'edifici sobre raïls fins a l'edifici de manteniment, a on podria reconstruir-se. Es prevea que la cambra durara quatre anys i se substituïra en un més. El sistema òptic està desacoplado de la cambra, lo que ho aïlla de les vibracions durant el funcionament i significa que les pròpies llínees de llum no tenen que realinearse despuix de la substitució de la cambra.[46]

La central tenia una capacitat de generació màxima, o capacitat nominal, d'uns 400 MWe, en característiques de disseny que permetien la seua ampliació fins a 1000 MWe.[51]


Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ Kramer, David (Abril 2014). "Livermore Ends Life". Physics Today. 67 (4): 26–27. Bibcode:2014PhT....67R..26K. doi:10.1063/PT.3.2344.
  2. ↑ Nuckolls, John; Wood, Lowell; Thiessen, Albert; Zimmerman, George (1972). "Laser Compression of Matter to Super-High Densities: Thermonuclear (CTR) Applications". Nature. 239 (5368): 139–142. Bibcode:1972Natur.239..139N. doi:10.1038/239139a0. S2CID 45684425.
  3. ↑ "How NIF works". Lawrence Livermore National Laboratory.
  4. ↑ Peterson, Per F. (23/09/1998). "Inertial Fusion Energy: A Tutorial on the Technology and Economics". Archivat de l'original 2008-12-21.Consultat 2013-10-08.
  5. ↑ Bethe, 1979, p. 45.
  6. ↑ Feresin, Emiliano (30 Abril 2010). "Fusion reactor aims to rival ITER". Nature. doi:10.1038/news.2010.214.
  7. ↑ Nuckolls, 1998, p. 4.
  8. ↑ Nuckolls, 1998, Figura 4.
  9. ↑ Zimmerman, G (6/10/1977). The LASNEX Code for Inertial Confinement Fusion (Technical report). Lawrence Livermore Laboratory.
  10. ↑ Lindl, 1993, Figura 5.
  11. ↑ Lindl, 1993, Figura 8.
  12. ↑ Parker, Ann (09/2002). "Enpowering Light: Historic Accomplishments in Laser Research". Science & Technology Review. Archivat de l'original 2015-04-06. Consultat 2015-04-02.
  13. ↑ SOLASE-H, A Laser Fusion Hybrid Study (PDF) (Technical report). Fusion Technology Institute, University of Wisconsin. Maig 1979.
  14. ↑ Moir, Ralph (1992). "HYLIFE-II Inertial Confinement Fusion Power Plant Design" (PDF). Particle Accelerators: 467–480. Archivat de l'original (PDF) 2015-04-02.Consultat 2015-04-02.
  15. ↑ LIFE,.
  16. ↑ 16,0 16,1 Bethe, 1979, p. 44.
  17. ↑ Kramer, Kevin J.; Latkowski, Jeffery F.; Abbott, Ryan P.; Boyd, John K.; Powers, Jeffrey J.; Seifried, Jeffrey E. (2009). "Neutron Transport and Nuclear Burnup Analysis for the Laser Inertial Confinement Fusion-Fission Energy (LIFE) Engine" (PDF). Fusion Science and Technology. 56 (2): 625–631. doi:10.13182/FST18-8132. ISSN 1536-1055. OSTI 964093. S2CID 101009479.
  18. ↑ Moses, Edward I.; Diaz de la Rossa, Tomas; Storm, Erik; Latkowski, Jeffery F.; Farmer, Joseph C.; Abbott, Ryan P.; Kramer, Kevin J.; Peterson, Per F.; Shaw, Henry F. (2009). "A Sustainable Nuclear Fuel Cycle Based on Laser Inertial Fusion Energy" (PDF). Fusion Science and Technology. 56 (2): 547–565. Bibcode:2009FuST...56..547M. doi:10.13182/FST09-34. ISSN 1536-1055. OSTI 957168. S2CID 19428343.
  19. ↑ Kramer, Kevin James (2010). Laser inertial fusion-based energy: Neutronic design aspects of a hybrid fusion-fission nuclear energy system (PDF). Ph.D. Thesis (Report)
  20. ↑ Kramer, Kevin J.; Fratoni, Massimiliano; Latkowski, Jeffery F.; Abbott, Ryan P.; Anklam, Thomas M.; Beckett, Elizabeth M.; Bayramian, Andy J.; DeMuth, James A.; Deri, Robert J. (2011). "Fusion-Fission Blanket Options for the LIFE Engine" (PDF). Fusion Science and Technology. 60 (1): 72–77. Bibcode:2011FuST...60...72K. doi:10.13182/FST10-295. ISSN 1536-1055. S2CID 55581271.
  21. ↑ Brennen, 2005, p. 16.
  22. ↑ Brennen, 2005, p. 19.
  23. ↑ Principles of Fusion Energy. Allied Publishers. 2002. p. 257.
  24. ↑ Morrow, D. (November 2011). Tritium (PDF) (Technical report). JASON Panel.
  25. ↑ Bethe, 1979, p. 46.
  26. ↑ Tenney, F.; et al. (11/1978). A Systems Study of Tokamak Fusion–Fission Reactors (PDF) (Technical report). Princeton Plasma Physics Laboratory. pp. 336–337.
  27. ↑ Dunne, 2010, p. 2.
  28. ↑ Revkin, Andrew (18/10/2012). "With Tight Research Budgets, Is There Room for the Eternal Promise of Fusion?". The New York Claves. Consultat 1 Maig 2017.
  29. ↑ Bloom, Everett (1998). "The challenge of developing structural materials for fusion power systems" (PDF). Journal of Nuclear Materials. 258–263: 7–17. Bibcode:1998JNuM..258....7B. doi:10.1016/s0022-3115(98)00352-3.
  30. ↑ 30,0 30,1 "Why LIFE: Advantages of the LIFE Approach". Lawrence Livermore National Laboratory. Archivat de l'original 6 Maig 2016.
  31. ↑ 31,0 31,1 "How NIF works". National Ignition Facility & Photon Science.
  32. ↑ "Plans to Increase NIF's Shot Rate Capability Described". Photons & Fusion Newsletter. Març 2014.
  33. ↑ Moyer, Michael (Març 2010). "Fusion's False Dawn". Scientific American. p. 57.
  34. ↑ 34,0 34,1 Courtland, 2013.
  35. ↑ Sutton, 2011.
  36. ↑ 36,0 36,1 36,2 36,3 Mercury,.
  37. ↑ 37,0 37,1 37,2 37,3 Ebbers, 2009.
  38. ↑ Laser,.
  39. ↑ 39,0 39,1 39,2 Bayramian, 2012.
  40. ↑ Economic,.
  41. ↑ "What is LIFE?". Lawrence Livermore National Laboratory. Archivat de l'original 2015-04-04.
  42. ↑ Dunne, 2010, p. 8.
  43. ↑ Moses, 2009, Figura 1.
  44. ↑ Meier, W. R.; Dunne, A. M.; Kramer, K. J.; Reis, S.; Anklam, T. M. (2014). "Fusion technology aspects of laser inertial fusion energy (LIFE)". Fusion Engineering and Design. Proceedings of the 11th International Symposium on Fusion Nuclear Technology-11 (ISFNT-11) Barcelona, Spain, 15–20 Setembre 2013. 89 (9–10): 2489–2492. Bibcode:2014FusED..89.2489M. doi:10.1016/j.fusengdes.2013.12.021. OSTI 1256449.
  45. ↑ Dunne, 2010, p. 3.
  46. ↑ 46,0 46,1 Dunne, 2010, p. 5.
  47. ↑ Dunne, 2010, p. 4.
  48. ↑ Latkowski, Jeffery F. (2011-07-01). "Chamber Design for the Laser Inertial Fusion Energy (LIFE) Engine". Fusion Science and Technology. 60 (1): 54–60. Bibcode:2011FuST...60...54L. doi:10.13182/fst10-318. S2CID 55069880.
  49. ↑ Reis, S.; Anklam, T.; Babineau, D.; Becnel, J.; Davis, R.; Dunne, M.; Farmer, J.; Flowers, D.; Kramer, K. (2013). "LIFE Tritium Processing: A Sustainable Solution for Closing the Fusion Fuel Cycle" (PDF). Fusion Science and Technology. 64 (2): 187–193. Bibcode:2013FuST...64..187R. doi:10.13182/FST12-529. ISSN 1536-1055. S2CID 121195479.
  50. ↑ "LIFE Design: Fusion System". Lawrence Livermore National Laboratory. Archiveado de l'original 22 Maig 2016.
  51. ↑ Dunne, 2010, p. 6.
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Energia_de_fusió_inercial_per_làser&oldid=749599»