Linus (experimento de fusión) - Linus (fusion experiment)

Un técnico mira a través del centro del reactor NRL Linus-0

El programa Linus fue un proyecto de energía de fusión experimental desarrollado por el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos (NRL) a partir de 1971. El objetivo del proyecto era producir una reacción de fusión controlada comprimiendo plasma dentro de un revestimiento metálico. El concepto básico se conoce hoy como fusión objetivo magnetizado .

El diseño del reactor se basó en la compresión mecánica de un revestimiento de metal fundido. Una cámara se llenaría con metal fundido y se rotaría a lo largo de un eje, creando una cavidad cilíndrica en el centro. Un combustible de fusión adecuado, calentado a temperaturas relativamente bajas para convertirlo en plasma, se inyecta en el centro de la cavidad. A continuación, el metal se colapsa rápidamente y, debido a la conservación del flujo magnético dentro del metal, el plasma queda confinado dentro de la capa que colapsa resultante y se colapsa él mismo. El proceso adiabático elevaría la temperatura y la densidad del plasma atrapado a condiciones de fusión .

El uso de un revestimiento de metal líquido tiene muchas ventajas sobre los experimentos soviéticos anteriores que implosionaron revestimientos cilíndricos de metal sólido para lograr una fusión de alta densidad de energía. El revestimiento de metal líquido proporcionó los beneficios de recuperar la energía térmica de la reacción, absorber neutrones, transferir energía cinética y reemplazar la pared que mira al plasma durante cada ciclo. Los beneficios adicionales de un revestimiento líquido incluyen un servicio enormemente simplificado del reactor, la reducción de la radiactividad, la protección de las secciones permanentes del reactor del daño de los neutrones y la reducción del peligro de los escombros voladores.

El concepto fue revivido en la década de 2000 como base para el diseño de General Fusion , que actualmente se está construyendo en Canadá .

Diseño conceptual

En el concepto de Linus, la cámara del reactor consiste en un tambor lleno de un revestimiento de metal líquido, típicamente plomo- litio fundido . El tambor se hace girar, creando una fuerza centrífuga que hace que el líquido sea forzado hacia la pared interior del recipiente. Solo hay suficiente metal líquido para llenar quizás el 20% del volumen total, por lo que se forma una gran área abierta en el medio durante la rotación. Para el funcionamiento, se utiliza un sistema, que normalmente consta de pistones, para impulsar metal líquido adicional en el tambor. Esto hace que todo el revestimiento sea forzado hacia adentro. En los sistemas experimentales, esto proporcionó una compresión de diez a uno. Luego, el metal sobrante se retira nuevamente liberando los pistones, lo que hace que la compresión se invierta y el metal alcance la posición original en el exterior del tambor.

Para crear la fusión, se inyecta un plasma de combustible de fusión en la cavidad antes de la carrera del pistón. Debido a que el metal es magnético, el plasma en el centro también es forzado hacia adentro. Esta compresión hace que la temperatura del plasma aumente a través del proceso adiabático , elevándola a temperaturas y presiones relevantes para la fusión, alrededor de 100 millones de K y10 17  iones por cm 3 . A estas temperaturas y presiones, la velocidad de fusión, según el producto triple de fusión , es muy rápida y se completa antes de que se invierta la compresión mecánica. La energía liberada por estas reacciones, en el caso del combustible típico de deuterio - tritio (DT), se encuentra principalmente en forma de neutrones de alta energía de aproximadamente 14,1 MeV. Estos son capturados en el metal líquido, elevando su temperatura. Algunos de los neutrones interactuarán con el litio en el revestimiento, experimentando una reacción nuclear que produce nuevo tritio. Luego, la energía se extrae utilizando un generador de vapor, como es el caso en cualquier planta de energía impulsada por calor, mientras que el tritio se extrae a través de una variedad de procesos químicos.

Una ventaja clave del concepto Linus es que el ciclo de compresión es reversible, a diferencia de otros conceptos que utilizan carcasas de metal sólido delgadas que solo se pueden usar una vez. Esto permite que el sistema funcione continuamente, limitado generalmente por la capacidad de eliminar los resultados de la última reacción y generar e inyectar nuevo plasma combustible, en la escala de unos pocos segundos. Además, los sistemas que utilizan carcasas no giratorias están sujetos a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor y han demostrado ser extremadamente difíciles de estabilizar. La rotación del líquido en Linus suprime estas inestabilidades. Finalmente, el metal protege al resto del reactor del flujo de neutrones, que es un problema importante en otros diseños.

Historia

El esfuerzo de Linus finalmente remonta su historia a una discusión entre Ramy Shanny de NRL y EP Velikhov del Instituto Kurchatov .

Andrei Sakharov , quien propuso la implosión de revestimientos metálicos para producir el campo requerido, había considerado la idea básica de los campos magnéticos súper altos como un camino hacia la fusión . El concepto no se retomó hasta la década de 1960, cuando Velikhov comenzó experimentos a pequeña escala. Se advirtió que el costo de los revestimientos metálicos probablemente sería más alto que el valor de la electricidad que producirían, el "problema del kopek", y consideraron la idea de utilizar un revestimiento metálico líquido en su lugar.

Shanny preguntó cómo se estabilizaría dicho sistema frente a los problemas de Rayleigh-Taylor. Velikhov entendió mal la pregunta, pensando que estaba preguntando cómo se estabilizaría contra la gravedad dentro del tambor. Él respondió que lo harían girar. Cuando Shanny consideró esta respuesta, descubrió que efectivamente se estabilizó contra Rayleigh-Taylor, y nació el programa Linus.

Suzy yo

Para adquirir experiencia con el concepto, NRL inicialmente construyó imploders de revestimiento. El primer dispositivo experimental fue Suzy, construido en 1971 bajo la dirección de DC dePackh. El sistema utilizó revestimientos de metal sólido, como los experimentos soviéticos y muchos dispositivos posteriores. El revestimiento fue impulsado hacia adentro a través del proceso de pellizco theta , usando unBanco de condensadores de 50 kJ .

Suzy II

AE Robson y PJ Turchi se unieron al programa en 1972, y dePackh partió de NRL. Robson y Turchi continuaron el desarrollo del concepto con Suzy II, un sistema similar a lo que luego se convirtió en Suzy I, pero mucho más grande y equipado con un sistema más poderoso.Fuente de alimentación del banco de condensadores de 540 kJ . Liners comprimidos Suzy II a partir de un diámetro inicial de20-30 cm hasta un diámetro final de aproximadamenteSe logró 1 cm , dando una relación de compresión total de 28: 1. Presiones mayores queSe alcanzaron 20 kpsi durante las implosiones.

Con el éxito de los experimentos básicos de Suzy II, la atención se centró en el revestimiento líquido. Este fue construido en Suzy II usando un revestimiento de plástico dentro de un tambor de acero, lleno de aleación de sodio y potasio (NaK) en su mezcla eutéctica (22% de Na, 78% de K) que es un líquido a temperatura ambiente. Al disparar el banco de implosión a diferentes potencias, se pudo probar la relación entre la velocidad de implosión y la velocidad de rotación, y se demostró el resultado esperado de que, siempre que la velocidad de rotación sea lo suficientemente alta, el revestimiento se comprimirá y su velocidad de rotación aumentó debido a la conservación del ángulo. impulso , la fuerza centrípeta mantuvo el vector de gravedad aparente apuntando hacia afuera. Esto se estabiliza contra las inestabilidades de RT porque es el fluido más ligero en el centro que cae hacia afuera, una condición naturalmente estable.

Suzy II logró producir una compresión interna estable del revestimiento, pero desafortunadamente, no sucedió lo contrario. Cuando el revestimiento comenzó a expandirse nuevamente cuando se apagó la corriente de compresión, una vez más, un fluido pesado se movió hacia uno más liviano, y reaparecieron las inestabilidades de RT. Esto provocó que el revestimiento se rompiera en gotitas que, debido a su gran masa y velocidad, impactaron el contenedor aleatoriamente con toda la energía incorporada. En una máquina de producción, esto sería del orden de 100 MJ, el equivalente a unas 50 libras (23 kg) de TNT .

Experimentos de implosión de pistón

La solución a la rotura del revestimiento durante la expansión es llenar el vacío con material de revestimiento adicional. Esto excluye el uso de controladores electromagnéticos como en Suzy, y la atención se centró en el uso de un material de impulsión de pistón mecánico desde un depósito hacia la cámara principal. El pistón fue accionado por gas comprimido.

Siguieron varias máquinas experimentales. El primero, el "modelo de agua", consistía en un tambor de agua con pistones colocados radialmente a su alrededor. Todo el sistema, incluidos los pistones, giró. Esto verificó el enfoque básico, pero fue problemático ya que la sincronización del pistón resultó difícil de controlar la precisión requerida. Este problema se resolvió mediante un nuevo diseño de pistón con los pistones dispuestos de forma anular que podrían ser disparados por una sola fuente. Esto demostró resolver los problemas y comenzaron los planes para construir dispositivos más grandes.

Linus-0

Con el éxito de los modelos de pistón, comenzaron los planes para construir una máquina más grande similar al tamaño y energía de la máquina Suzy II. Esto condujo al diseño Linus-0, que consistía en un rotor de acero de 48 pulgadas (1200 mm) de diámetro rodeado por un cilindro de gas que se presurizó a 5,000 libras por pulgada cuadrada (34,000 kPa) usando una serie de pequeños DATB (DATB) altamente explosivos ( C 6 H 5 N 5 O 6), también conocido como PBXN explosivo enlazado con polímero, elegido por su alto punto de fusión, bajo contenido de partículas y compatibilidad bajo costo. Las cargas se cargaron en una serie de puertos en un extremo del dispositivo y se dispararon justo antes de la ejecución experimental para presurizar el sistema. El rotor interior se hizo girar a 2100 RPM utilizando un motor Chevrolet V8 de 454 pulgadas cúbicas .

Linus-0 demostró ser lento de construir debido al único taller de máquinas lo suficientemente grande como para que el rotor estuviera ocupado con otras tareas, y el dispositivo no se completó hasta 1978, poco antes de que cerrara el programa. Sin embargo, el sistema se utilizó con agua y demostró ser capaz de realizar disparos repetibles en el poco tiempo que estuvo operativo. Durante la recopilación de datos, Linus-0 fue despedido hasta tres veces al día.

Helio

Los retrasos en la construcción de Linus-0 llevaron a la construcción de una versión a media escala, Helius. Fue diseñado para usar sodio y potasio líquidos en la cámara del revestimiento. En la práctica, el uso de agua fue suficiente para los estudios hidrodinámicos. En el experimento, los revestimientos líquidos de sodio y potasio se implosionaron utilizando helio a alta presión (120 atm ) para accionar pistones mecánicos.

Destino del proyecto

Las propuestas iniciales para los diseños de Linus se basaron en un colapso cilíndrico del revestimiento y un plasma continuo en el interior. Esta disposición significaba que no había nada que impidiera que el plasma saliera a chorros por los extremos del cilindro de metal en implosión. Esto no fue necesariamente un problema; tanto el revestimiento como el plasma se moverían a la velocidad del sonido , pero debido a que la velocidad del sonido en el metal es mucho más alta que en el plasma, la mayor parte del plasma no tendría tiempo de moverse antes de haber completado la reacción. Hubo cierta preocupación por la mala curvatura en los extremos del cilindro, lo que puede conducir a la inestabilidad del intercambio que opera mucho más rápido que la velocidad del sonido, pero no se exploró la magnitud, o incluso si estuvo presente.

La desventaja de este enfoque fue que se escapó algo de plasma, y ​​esa cantidad aumentó a medida que disminuyó la velocidad de la implosión. Para obtener una velocidad de reacción razonable, se requirieron energías de impulso del orden de 75 a 100 MJ. Si bien esto no fue imposible de lograr, todavía representaba un costo de capital significativo para construir un sistema de almacenamiento de este tipo, y la implosión resultante de alta energía y alta velocidad representó un desafío de ingeniería.

Linus se estaba desarrollando mientras surgía por primera vez otro concepto de fusión, la configuración de campo invertido , o FRC. Se trata esencialmente de un anillo de humo de plasma que es naturalmente estable durante un tiempo. El uso de un FRC dentro de la máquina proporcionaría un confinamiento natural en los extremos del cilindro, evitando que el plasma se escape. Esto reduciría significativamente la energía de implosión requerida y, por lo tanto, reduciría el tamaño y el costo de la máquina en su conjunto.

En ese momento, los FRC eran una tecnología muy nueva. Pero como parecían representar un avance significativo en el estado de la técnica, potencialmente haciendo un sistema de fusión exitoso incluso sin la implosión, el interés de los NRL cambió rápidamente a la física subyacente del FRC. Los experimentos en Linus-0 y Helius fueron relativamente breves debido en parte a los retrasos incurridos en las fases de diseño, fabricación y montaje. No se asignó tiempo para recuperarse de retrasos o desafíos inesperados, y las máquinas finalmente se desmontaron y almacenaron.

El proyecto Linus tropezó con varios problemas de ingeniería que limitaron su rendimiento y, por tanto, su atractivo como enfoque de la energía de fusión comercial. Estos problemas incluían el rendimiento del método de preparación e inyección de plasma, la capacidad de lograr ciclos reversibles de compresión-expansión, problemas con la difusión del flujo magnético en el material del revestimiento y la capacidad de eliminar el material del revestimiento vaporizado de la cavidad entre ciclos (dentro de una duración acerca de1 s ) que no se logró. También se produjeron deficiencias en el diseño del mecanismo interno que bombeaba el revestimiento de metal líquido.

Otro problema importante encontrado involucró inestabilidades hidrodinámicas en el revestimiento de líquido. Si el líquido se comprimió de manera imprecisa, los límites del plasma podrían sufrir inestabilidad de Rayleigh-Taylor (RT). Esta condición podría apagar la reacción de fusión al reducir la eficiencia de la compresión e inyectar contaminantes de material de revestimiento (plomo y litio vaporizados) en el plasma. Ambos efectos reducen la eficiencia de las reacciones de fusión. Una fuerte inestabilidad podría incluso causar daños a un reactor. Sincronizar la sincronización del sistema de compresión no fue posible con la tecnología de la época y el diseño propuesto fue cancelado.

Ver también

Notas

Referencias

Bibliografía