Reactores de fusión Polywell y cómo podría ser la colonización del espacio si tuviesen éxito.

Antes de nada prefiero enseñar las siguientes reacciones de fusión. Son de las que voy a hablar:A continuación ya no voy a volver a ponerlas enteras.


Parece que tanto la soñada energía de fusión como la exploración del espacio son cosas carísimas de conseguir y estamos a décadas de ver resultados en ambas.


La fusión, fuente de energía segura, limpia, barata e inagotable, sabemos todos que debería lograrse dentro de alguna que otra década, tras la demostración del reactor experimental ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), a partir del 2020.

Este prototipo de reactor basado en los ‘tokamak’ rusos necesitará una inversión de 10 mil millones de euros, convirtiéndose en uno de los proyectos más caros de la historia.
Este modelo de reactor de fusión producirá energía mediante una reacción de fusión D-T. El tritio, isótopo radioactivo del hidrógeno que es útil en bombas termonucleares, no existe de forma natural y debería ser producido artificialmente. La reacción nuclear daría como producto una cantidad enorme de neutrones muy energéticos que volverían radiactivas las estructuras del reactor. El reactor en sí sería complejo y descomunal, como un bloque de pisos, y estaría rodeado de un complejo sistema (turbinas y demás) para extraer la energía de estos neutrones.

Bueno, esto sería el reactor final. ITER no generará electricidad, sólo demostrará la viabilidad del sistema. Después se pasara a DEMO que sí generará electricidad, eso 10-15 años después. Finalmente se empezarían a construir plantas de este tipo sobre el 2050. ¿Pero dónde encajan aquí las palabras seguro, barato, limpio e inagotable? ¿Debemos esperar 40 años?


El problema de un reactor como el del ITER es que al confinar un plasma que tiene una distribución maxwelliana, los núcleos que tienen mayores energías como para lograr fusionarse, son precisamente los que tienden a escaparse hacia las paredes del reactor, malogrando la reacción. Esto se soluciona, entre otras cosas, haciendo el reactor mucho más grande. Este tipo de reactores sólo podrá funcionar con los combustibles más fáciles, los de primera generación, D-T, D-D y quizás con el más prometedor combustible de segunda generación D-He3, pero tendrían vedadas otro tipo de reacciones más interesantes, las aneutrónicas.

El interés por este combustible más óptimo para los métodos convencionales de fusión, el He3, ha dado una gran cantidad de ideas que pretenden minar la superficie lunar.

Pero los físicos conocen una forma mejor de conseguir la fusión de núcleos sin tener que trabajar con mezclas maxwellianas. Es muchísimo más fácil acelerar protones o núcleos ligeros a velocidades altísimas contra otros núcleos, en aceleradores de partículas, consiguiéndolos fusionar de forma fácil. El inconveniente es que se necesita mucha energía.

Philo. T. Farnsworth, uno de los inventores de la televisión, aplicó este concepto en un acelerador esférico en vez de uno lineal, combinándolo con el efecto multipactor que observó investigando con los tubos de vacío de las televisiones. Cañones de partículas lanzan iones del combustible, éstos son acelerados hacia el centro donde se fusionan. En el centro se forma una forma coherente de plasma, un plasmoide. Farnsworth lo llamó poissor. Este reactor se llama fusor.
El efecto multipactor era un fenómeno problemático que debía ser evitado en el desarrollo de los tubos de vacío de las televisiones. Una lección de cómo en ciencia y la tecnología los resultados malos muchas veces son aprovechables y dan sorpresas, y una lección para los políticos y toda la gente que pone el dinero en investigación que sólo espera resultados positivos y a corto plazo.

Ánodos y cátodos del fusor

Fusor.


Esta modalidad de fusión se conoce como confinamiento inercial electroestático (IEC), pues utiliza campos electroestáticos para acelerar iones radialmente hacia dentro y se basa en la inercia de los iones para almacenar energía para las colisiones.
No hay que confundirla con otra modalidad de fusión, la ICF, que usa láseres.

El fusor Mark I ya logró reacciones de fusión tan pronto como 1960, que no os engañen como en Redes diciendo que se logró fusión por primera vez en los 90 con los tokamaks.

Esquema del Fusor.


En el fusor Farnsworth–Hirsch, pasamos a tener dos electrodos físicos esféricos concéntricos, uno positivo exterior y uno negativo interior, alojados dentro de una cámara con un poco del gas combustible muy diluido. Una descarga transforma en iones el gas combustible, los iones se verán acelerados hacia el electrodo negativo central, pasarán a través de él y convergerán en el centro fundiéndose. Los que salgan hacia afuera atravesando el centro serán atraídos nuevamente. El electrodo interior tiene forma de rejilla para que tal cosa sea posible. Los electrones van hacia el ánodo exterior. Este sistema permitía mas recirculación de iones y poder manejar más cantidad de combustible.

Pero surgía una limitación, muchos iones eran interceptados por los electrodos.

Aun así en las sucesivas pruebas con este tipo de fusores con mezclas D-T se consiguieron cada vez más fusiones, hasta llegar a los mil millones en resultados publicados y cerca de un billón de neutrones/s en no publicados. Un neutrón es indicativo de que se ha realizado una reacción de fusión.

Lamentablemente este tipo de reactores no convencionales nunca ha tenido el presupuesto de otros competidores más famosos.


Este tipo de reactor es muy fácil y barato de construir (500-4000$), incluso por estudiantes de 17 años, y es muy fácil conseguir fusión con él. Por supuesto hay que tener especial cuidado por los altos voltajes manejados.
Aquí tenéis instrucciones de cómo construir uno, en castellano, y en inglés.

Aquí tenéis mejor explicados los logros de Farnsworth. Recomiendo su lectura encarecidamente. Uno se pregunta qué más habría conseguido este genio si no hubiese muerto tan prematuramente.



El reactor Elmore-Tuck-Watson coge el modelo de Farnsworth–Hirsch y le da la vuelta. Esta vez hay un cátodo exterior y un ánodo concéntrico en su interior. Esta vez son los electrones los que se ven acelerados hacia el ánodo interior, traspasándolo al tener forma de rejilla, y forman una región central densa en electrones, formando un cátodo virtual. Esta región atrae los iones positivos con mucha fuerza hasta este centro donde se fusionarán.
Desgraciadamente este sistema tiene pérdidas puesto que la rejilla interior no tiene una transparencia del 100% y parte de los electrones chocan contra ésta.

Esquema de funcionamiento del reactor F-H(1-3) y del reactor E-T-W(4)

Hay que quitar los electrodos interiores de la forma que sea para evitar pérdidas, si se quiere producir una energía de fusión neta.

La solución de Robert Bussard fue el reactor Polywell. Bussard fue muy conocido por el Bussard Ramjet.

Se pueden utilizar campos magnéticos para confinar el plasma, como en los tokamaks, pero no para confinar iones sino electrones, que son muchísimo más ligeros y por lo tanto es más fácil confinarlos. Eliminas la necesidad de un electrodo de esta forma, pasando a tener una serie de imanes que mantienen los electrones en una zona central, el cátodo virtual.

Los electroimanes utilizados forman una estructura poliédrica, llamada Magrid, creando campos magnéticos simétricos que se anulan en el centro. Esta zona donde se acumulan los electrones se llama Wiffle-Ball.

Diferentes cañones introducen los electrones y los iones en el reactor.

Ilustración con Magrid, Wiffle Ball, y cañones en funcionamiento

Los iones caen en un pozo de potencial y se fusionan.

Bussard prefería llamar a esta modalidad de fusión IEF, Inertial-Electrodynamic Fusion. La IEF podría funcionar con reacciones de fusión aneutrónicas, p⁺-B11 y He3-He3. Reacciones que necesitan mucha más energía que las reacciones D-T y D-D.
¿Qué tienen de especial estos combustibles?

- Ninguno de ellos es radioactivo, ni los productos de la reacción. Tampoco se liberan neutrones.
- Se puede realizar una conversión directa para generar electricidad.

El resultado de la reacción p⁺-B11 son tres núcleos de helio o partículas alfa con gran cantidad de energía. Éstos tienen doble carga positiva.
Igual que se puede utilizar un campo eléctrico para acelerar partículas cargadas, se pueden desacelerar partículas cargadas para generar electricidad.
Sólo es necesario instalar unas rejillas alrededor del reactor a un radio determinado según la energía de estas partículas con el objetivo de frenarlas, y robar su energía para generar electricidad. La reacción p⁺-B11 genera tres alfas con la energía de la reacción repartida de forma homogénea entre los tres, la rejilla tendría que rodear el reactor con un diámetro 1-2 m mayor, por el contrario la reacción He3-He3 aunque genera más energía lo hace de forma menos homogénea entre el protón y una sola partícula alfa. En vez de una rejilla se tendría que poner una batería de ellas distribuidas a un diámetro 5-10 m mayor rodeando al reactor.
Eso hace la reacción He3-He3 menos adecuada para generar energía de forma directa, pero sí de forma térmica. Quizás en una situación en la que se pueda minar fácilmente la Luna y otros cuerpos del sistema solar resulte viable, pero con las cantidades de boro que hay en la Tierra no hay necesidad de recurrir a tal combustible. La única ventaja es que la reacción He3-He3 necesita una energía de activación menor, y que por lo tanto si la reacción p⁺-B11 no resulta posible, quizás esta sí lo sea. Un sistema de conversión directa (DCS) tendría un factor de conversión del 95%, muy superior al 40 % de un sistema térmico de generación de electricidad.


La mayoría de los progresos se dieron desde 1994 a 2005, gracias a inversiones tímidas de la Marina de los Estados Unidos.

Lista de reactores.


Lista de los que han financiado el Polywell.


Como veis, los reactores experimentales utilizados son muy pequeños, desde R=5 cm de WB-1 hasta los 15 del WB-6. Con presupuestos tan bajos es obvio que se está limitado con el tamaño, pues reactores más grandes necesitan mucho más dinero.
Según Bussard los reactores Polywell aumentarían su potencia a la séptima potencia B⁴R³, y a causa de las pérdidas que crecen a R², la ganancia final en la energía de fusión sería a la quinta potencia, B⁴R, lo cual quiere decir que un reactor el doble de grande tendría una potencia 128 mayor, y una generación de energía 32 veces mayor. Así pues, se experimenta con reactores pequeños consiguiendo mejoras en la energía obtenida, y encontrarse con un diseño óptimo que aumentando al escala te permita en teoría dar con un reactor viable. Se supondría que hay un radio en el que deberías tener un reactor viable, 1.5 m para uno que funcione con D-D y 2 m para uno con p-B11.

Desde el comienzo surgió un problema, se daban pérdidas de electrones, los ‘funny cusps’, en los bordes de los Magrid.

Este problema persistió durante esos 12 años, hasta que con el WB-6 parece que se consiguieron disminuir estas pérdidas.

Justo entonces cuando las cosas prometían se terminó la financiación, el WB-6 se rompió, y se tuvieron que abandonar las instalaciones. El dinero era más necesario para la guerra de Irak.

Bussard estaba convencido que el WB-6 era el modelo que buscaba, y que ya se podría pasar a una demostración comercial de 100 MW con D-D de 1.5 metros, el WB-100.

Hasta que finalizó el contrato con defensa no pudieron hablar de los resultados, que se publicaron en el 2006. Bussard dio la famosa charla ‘Should Google go nuclear?’ y en el Congreso Internacional de Astronáutica en Valencia sugirió que países como España, Rusia, Italia, India, Brasil o Venezuela podrían ver interesante financiar su proyecto.

Shoud Google go nuclear?



Comunicado de Bussard.

Formó la pequeña compañía EMC2 para desarrollar este tipo de reactor, cuando se quedó sin fondos. Podéis hacer donativos aquí.
Bussard murió en 2007.
Richard Nebel ocupó su puesto a la cabeza del proyecto.

Afortunadamente se consiguieron más fondos de nuevo de la Marina y se construyeron los WB-7 y WB-7.1 para corroborar los resultados de WB-6 y poner en practica mejoras derivadas de los conocimientos conseguidos con éste. Cosa que se logró.

WB-2

WB-6

En 2009 volvió a recibir más fondos, un total de 8 millones de $, para construir el WB-8 de 30 cm de radio, el doble que WB-7 y 0.8T, ocho veces más que el WB-7. Eso debería multiplicar la energía de fusión conseguida por 8000 si la escala se mantiene según la teoría. Si los resultados son positivos se aumentará el dinero con 4,5 millones de $ más para el WB-8.1 que incluirá modificaciones derivadas de lo aprendido con la versión anterior. También se probará la reacción p⁺-B11.

Extraído de la wikipedia.
· CLIN 0001 - 30 Apr 2010 (= plasma wiffleball 8 ) - Completion of device build.
· CLIN 0002 - 30 Apr 2011 (= Data) - Completion of WB8 testing
· CLIN 0003 - 31 Oct 2011 (= Optional WB 8.1) - Completion of optional device build
· CLIN 0004 - 31 Oct 2012 (= Optional Data) - Completion of optional device testing

Faltan 5 meses para saber qué resultados da el WB-8, y dos años si va todo va bien para los resultados con el combustible p⁺-B11. Como he dicho no debemos esperar fusión neta con estos dispositivos, pero sí la confirmación de viabilidad de la reacción y del aumento con la escala.

No puedo decir exactamente qué vendrá después. Probablemente si tuviesen los fondos necesarios irían por el WB-D o WB-100.

El interés de la Marina por este tipo de reactor viene por lo compacto que sería, lo cual lo haría ideal para barcos, submarinos, etc.

Sé que estaréis pensando que si finalmente sale la cosa bien, sería una pena que todo quedase en manos del ejército. Afortunadamente EMC2 mantiene los derechos comerciales, puesto que piensan que esto debería llegar a todo el mundo. Pero si no tienen dinero de poco servirá. Necesitarían un inversión de 150 millones de $ para un reactor de demostración D-D y 200 millones de $ para uno p⁺-B11.

Espero que se puedan superar algunos de los problemas comentados por los críticos del Polywell.
Quizás el aumento con la escala no sea tan grande, por lo que quizás los reactores sean mucho más grandes al final, y nos encontremos con otro tokamak.
Otro problema es el Bremsstrahlung que hace que las pérdidas de energía por rayos X sean demasiado grandes. Este fenómeno aumenta cuando el combustible tiene una Z alta, caso del boro, y haría que al final esta reacción no sea viable. Deberemos pensar en la reacción He3-He3 por lo tanto, pero este combustible es muy escaso.

Si la física resulta posible, y sólo es cuestión de ingeniería, pero no recibe fondos, no me resultaría difícil imaginar que países como China lo intenten por su cuenta. Siempre han dado mucha información de los avances conseguidos, a diferencia de otros grupos con otros modelos de reactores como TriAlpha(tambin p-B11) o Helyon .


Hay varios estudios que valoran el uso de reactores nucleares de fusión como sistemas de propulsión. El tamaño de los reactores convencionales es un inconveniente. El de la radiación también. La exposición a los neutrones de un reactor D-T te mataría en un segundo. La de un reactor que funciona con D-He3 sólo te mataría en 30 segundos.
Este detalle deriva en que las naves que usen este tipo de reactores deban aislar los pasajeros de forma adecuada de la radiación del reactor. Estos aislamientos serían muy masivos.
Las naves que utilizan este tipo de propulsión se ensamblarían en orbita, obligándonos a subirlas mediante métodos convencionales, como los cohetes de propulsión química, lo cual nos trae de vuelta al problema principal, poner cosas en órbita es caro. El paso suelo-órbita es el cuello de botella en la exploración espacial.

Comparativa tamaños y radiadores, Isp y empuje.

Se podrían usar los reactores IEF Polywell para desarrollar varios tipos de motores útiles para la exploración espacial, desde llegar a órbita, moverse por el sistema solar interior, el sistema solar exterior, y viajes cuasi-estelares 100-1000 UA.

Los requisitos de tales reactores son menores en la propulsión espacial que los de un reactor viable para uso comercial capaz de producir energía eléctrica de forma eficiente. En el segundo la energía eléctrica ha de ser barata, en el primero no importa si es más cara, seguiría siendo más barato que la alternativa de un cohete. En el segundo la producción energética tiene que ser estable durante muchas horas, en el primer caso sólo son necesarios unos minutos.

Las dos aplicaciones del Polywell para la exploración espacial son el QED, quiet-electric-discharge, y el DFP, diluted-fusion-product.

En el sistema QED la electricidad producida por el reactor es usada para producir haces de electrones destinados a calentar a temperaturas altísimas un fluido, como puede ser agua (arcjet heating).

Hay varios tipos según cómo se retire el calor de forma que el plasma pueda alcanzar temperaturas más altas y así conseguir Isp mayores. El más sencillo es el motor ARC, all-regenarative-colled. Es el que menores Isp consigue, pero todavía mucho mayores que los cohetes de propulsión química.
Se pueden conseguir mayores Isp con los CSR, controled space radiators: con radiadores, CSR-A, o acelerando los productos de escape a velocidades aún mayores de forma no térmica mediante la energía eléctrica generada por el reactor, CSR-B.

Por lo comentado anteriormente, la reacción p-B11 es más interesante aquí que la He3-He3.

En el sistema DFP dejamos de usar la energía de fusión para generar electricidad, para pasar a desviar los productos de la fusión que tienen mucha engría para mezclarlos con un propelente y así generar empuje. Controlando el grado de dilución se controla el impulso. El ideal estaría entre un factor de 1 y 200.
Sólo se mantiene un pequeño sistema DCS para generar la mínima energía eléctrica necesaria para mantener en funcionamiento el reactor.
Antes de llegar a la cámara de mezcla de los productos de la reacción se extraerían los componentes que todavía estarían sin fusionar para un mayor aprovechamiento del combustible.
Una configuración de campos magnéticos toroidales extraerían los productos de la reacción del reactor y los extraen por una tobera.

Mediante ambos sistemas de propulsión la colonización del sistema solar se vuelve muy interesante... y barata.

Bussard plantea como ejemplo tres colonias en diferentes localizaciones del sistema solar, una de 4000 personas en la Luna, otra de 1200 en Marte, y otra colonia de 400 personas en Titán (o alguna luna de Júpiter). No como elección entre diferentes opciones, sino las tres a la vez, necesitándose 1/3 el presupuesto anual de la NASA durante 10 años para ello.


Colonia lunar.

Vehiculo HTOL-SSTO (Horizontal take-off and landing single-stage-to-orbit)

Es una nave de una sola etapa para alcanzar LEO. Vehículo alado que despega y aterriza horizontalmente, igual que un avión.

Dos motores QED/ARC de aproximadamente 8 GWt de potencia cada uno (la potencia de una docena de centrales nucleares juntas), y capaces de proporcionar un empuje de 80-200 toneladas entre los dos. Usando agua como propelente, impulsarían la nave desde un Isp= 1538 s al comienzo hasta un Isp= 3062 s al final, hasta llegar a LEO.

Un cohete de propulsión química tiene un Isp muy bajo del orden de 400 s, y un empuje muy alto de varios MN, sistemas novedosos con el VASIMR tienen un Isp alto de 6000 s, pero un empuje muy bajo de 4-5 N, por lo que sólo son aptos para trabajar en el espacio, y no para llegar desde la superficie a órbita. Los motores basados en la IEF combinan ambos valores altos, siendo por tanto aptos para despegar.

El E/LEO Shuttle tendría una masa de 250 Tn, de la cuales, 95 Tn son de propelente, 40 Tn de los dos motores ARC, y 35 Tn de carga útil, lo cual es un 14 % (frente ~1% de los cohetes químicos)


Precio E/LEO 27$/kg frente a los 20.000$/kg actuales.

Vehículo de transferencia lunar(LEO-Luna).


Modificación del vehículo anterior, eliminando alas y cola, así como un motor QED. Esa diferencia de peso va destinada a aumentar la capacidad de propelente. Esta vez tanto el aterrizaje y el despegue serían verticales. La carga útil es 35 Tn.

Este vehículo va desde LEO donde recoge la carga del E/LEO Shuttle, hasta LLO y después aluniza. El mismo tipo de vehículo realiza el trayecto L-LEO. Para ello llena el depósito con agua lunar. Son necesarios dos viajes del E/LEO Shuttle, uno con la carga y otro con el propelente del viaje hasta la Luna.

El viaje LEO-LLO dura solamente 20 h, siendo el trayecto E-L de 24 horas.

La colonia sería de 4000 personas. Cada persona llevaría consigo a la luna 25 Tn destinadas a fabricar la colonia lunar. Cuando se termine la colonia lunar tendría una masa de 100.000 Tn.
La plantilla de la colonia se recicla periódicamente. Cada persona estó un año en la colonia, y después vuelve a la Tierra.

El precio E/L seria 51.2$/kg.

El precio total para instalar tal colonia en la Luna sería de 1.2 mil millones anuales durante 10 años, menos de un 10% el presupuesto anual de la NASA, aunque este precio sólo incluye el viaje de ida, sería el doble si es ida-vuelta, pero en caso de que en el viaje de vuelta los recursos lunares superasen los 125 $/kg el viaje total se pagaría solo. (Que se me ocurre ahora, el platino cuesta alrededor de 30.000$/kg)

Colonia marciana.

Es necesario un vehículo de transferencia LEO-LMO más rápido. Un vehículo de transferencia de 500 Tn con sistema QED/ARC con Isp de 5500 s, con 72 Tn de carga útil para un trayecto de 33.2 días o con sistema CSR-A con Isp de 7800 s, con una carga útil de 103 Tn para un trayecto de 37.9 días.

Es necesario un M-LMO Shuttle para completar el viaje, aunque con requerimientos menores, sólo un motor ARC, para un total de 100 Tn de carga útil (40%).

La colonia es de 1200 personas, e igual que en el caso anterior, cada persona está durante un año en la colonia, que tendrá al finalizar 60.000 Tn de masa. Cada pasajero lleva consigo 50 Tn para construir la colonia.

El presupuesto necesario es de 1.56 mil millones de $ al año durante 10 años.
Como antes, no se incluye el costo del viaje de vuelta, que en el caso de superar los 200$/kg para el material traído, se pagará solo.

Precio E/M 232,6 $/kg

Colonia en Titán.

En este caso nos debemos olvidar del sistema QED, para pasar a uno capaz de alcanzar Isp mayores, el DFP.

El caso estudiado es el de un vehículo de trasferencia con un Isp de 70.000 s, para un viaje de 75-90 días. Un total de 400 Tn, siendo 45 Tn de carga útil, 52 el motor DFP, 252 Tn de propelente.

Como el vehículo con DFP no tiene el empuje suficiente para aterrizar o despegar de Titán es necesario otro vehículo T-LTO Shuttle con un sistema QED, esta vez basado en el vehículo de trasferencia LLO/L, por lo tanto despegaría y aterrizaría verticalmente.

La colonia al finalizar tendrá 24.000 Tn. Las condiciones de estancia se repiten.

Presupuesto de 1.62 mil millones de $ anuales durante 10 años.

Serían necesarios según Bussard 3 mil millones durante 15 años para desarrollar el QED.

Fuera de esto también serían muy atractivas misiones al foco solar aproximadamente a 500 UA.
Una nave con DFP 10 GW de 400 toneladas, una carga útil de 70 toneladas, D= 35, 3.4 años de viaje, acelerando hasta mitad de camino, y decelerando desde la mitad.
En un viaje con aceleración continua, D=0.44, 0.56 años-luz 40 años de viaje.



Pero esto sólo sería el principio, con esta capacidad podríamos ir pensando en colocar muchos GW de paneles solares en órbita, construir hábitats espaciales y desplazar asteroides.


¿No debería NASA invertir en esto?


Para más información.

Askmar


Polywell FAQ


Talk Polywell


También de lectura muy interesante.

La historia de Philo Farnsworth, el inventor de la televisión de Milhaud.


Del misterio de las atmósferas desaparecidas a la terraformación de Sergio L. Palacios. Interesante para comprender la distribución de Maxwell.