Fusión catalizada por muones

La fusión catalizada por muones (abreviada como μCF o MCF) es un proceso que permite que la fusión nuclear tenga lugar a temperaturas significativamente más bajas que la temperaturas requeridas para la fusión termonuclear, incluso a temperatura ambiente o inferior. Es una de las pocas formas conocidas de catalizar reacciones de fusión nuclear.

Los muones son partículas subatómicas inestables que son similares a los electrones pero 207 veces más masivas. Si un muón reemplaza a uno de los electrones en una molécula de hidrógeno, los núcleos se acercan 196 veces más que en una molécula normal, debido a que la masa reducida es 196 veces la masa de un electrón. Cuando los núcleos se acercan, la probabilidad de fusión aumenta, hasta el punto en que puede ocurrir una cantidad significativa de eventos de fusión a temperatura ambiente.

Sin embargo, los métodos para obtener muones requieren mucha más energía de la que pueden producir las reacciones de fusión resultantes. Los muones se descomponen rápidamente debido a su naturaleza inestable y no se pueden almacenar de manera útil.

Para crear una fusión útil catalizada por muones a temperatura ambiente, los reactores necesitarían una fuente de muones económica y eficiente y/o una forma para que cada muón catalice muchas más reacciones de fusión. Las fuentes de muones impulsadas por láser son un enfoque posible.

Historia

Andrei Sajarov y F.C. Frank predijo el fenómeno de la fusión catalizada por muones sobre bases teóricas antes de 1950. Yakov Borisovich Zel'dovich también escribió sobre el fenómeno de la fusión catalizada por muones en 1954. Luis W. Alvarez et al., al analizar el resultado de algunos experimentos con muones incidentes en una cámara de burbujas de hidrógeno en Berkeley en 1956, observó la catálisis de muones de p-d exotérmica, protón y deuterón, fusión nuclear, que da como resultado un helio, un rayo gamma y una liberación de unos 5,5 MeV de energía. Los resultados experimentales de Álvarez, en particular, impulsaron a John David Jackson a publicar uno de los primeros estudios teóricos completos de la fusión catalizada por muones en su innovador artículo de 1957. Este documento contenía las primeras especulaciones serias sobre la liberación de energía útil de la fusión catalizada por muones. Jackson concluyó que no sería práctico como fuente de energía, a menos que el "problema de retención alfa" (ver más abajo) podría resolverse, lo que conduciría potencialmente a una forma energéticamente más barata y más eficiente de utilizar los muones catalizadores.

Viabilidad como fuente de energía

Beneficios potenciales

Si la fusión nuclear d-t catalizada por muones se realiza en la práctica, será una forma mucho más atractiva de generar energía que los reactores de fisión nuclear convencionales porque la fusión nuclear d-t catalizada por muones (como la mayoría de los otros tipos de fusión nuclear), produce muchos menos desechos radiactivos nocivos (y mucho menos duraderos).

La gran cantidad de neutrones producidos en las fusiones nucleares d-t catalizadas por muones puede usarse para generar combustibles fisionables a partir de material fértil; por ejemplo, el torio-232 podría generar uranio-233 de esta manera. Los combustibles fisionables que se han generado pueden "quemarse" ya sea en un reactor de fisión nuclear crítica convencional o en un reactor de fisión subcrítica no convencional, por ejemplo, un reactor que usa transmutación nuclear para procesar desechos nucleares, o un reactor que usa el concepto de amplificador de energía ideado por Carlo Rubbia y otros.

Otra ventaja de la fusión catalizada por muones es que el proceso de fusión puede comenzar con gas deuterio puro sin tritio. Los reactores de fusión de plasma como ITER o Wendelstein X7 necesitan tritio para iniciarse y también necesitan una fábrica de tritio. La fusión catalizada por muones genera tritio durante la operación y aumenta la eficiencia operativa hasta un punto óptimo cuando la relación deuterio:tritio alcanza aproximadamente 1:1. La fusión catalizada por muones puede operar como una fábrica de tritio y entregar tritio para la investigación de fusión de materiales y plasma.

Problemas que enfrenta la explotación práctica

Excepto por algunos refinamientos, poco ha cambiado desde la evaluación de Jackson de 1957 sobre la viabilidad de la fusión catalizada por muones, aparte de la predicción de Vesman de 1967 sobre la formación resonante hiperfina del muónico (d–μ–t)⁺ ion molecular que posteriormente se observó experimentalmente. Esto ayudó a despertar un interés renovado en todo el campo de la fusión catalizada por muones, que sigue siendo un área activa de investigación en todo el mundo. Sin embargo, como observó Jackson en su artículo, la fusión catalizada por muones es 'poco probable'. para proporcionar "producción de energía útil... a menos que se pueda encontrar una forma energéticamente más barata de producir μ⁻-mesones."

Un problema práctico del proceso de fusión catalizado por muones es que los muones son inestables y se descomponen en 2,2 μs (en su marco de descanso). Por lo tanto, debe haber algún medio barato para producir muones, y los muones deben organizarse para catalizar tantas reacciones de fusión nuclear como sea posible antes de descomponerse.

Otro problema, y en muchos sentidos más grave, es la "fijación alfa" problema, que fue reconocido por Jackson en su artículo de 1957. El problema de la adherencia α es la probabilidad de aproximadamente el 1 % de que el muón se "pegue" a la partícula alfa que resulta de la fusión nuclear deuterón-tritón, eliminando así efectivamente el muón del proceso de catálisis de muón por completo. Incluso si los muones fueran absolutamente estables, cada muón podría catalizar, en promedio, solo alrededor de 100 fusiones d-t antes de adherirse a una partícula alfa, que es solo aproximadamente una quinta parte del número de fusiones d-t catalizadas por muones necesarias para alcanzar el punto de equilibrio, donde Se genera tanta energía térmica como energía eléctrica se consume para producir los muones en primer lugar, según la estimación aproximada de Jackson.

Las mediciones más recientes parecen apuntar a valores más alentadores para la probabilidad de adherencia α, y la probabilidad de adherencia α es de alrededor del 0,3 % al 0,5 %, lo que podría significar hasta 200 (incluso hasta 350) muones. -fusiones d-t catalizadas por muón. De hecho, el equipo dirigido por Steven E. Jones logró 150 fusiones d–t por muón (promedio) en las instalaciones de física de mesones de Los Alamos. Los resultados fueron prometedores y casi suficientes para alcanzar el punto de equilibrio teórico. Desafortunadamente, estas mediciones del número de fusiones d-t catalizadas por muones por muón todavía no son suficientes para alcanzar el punto de equilibrio industrial. Incluso con el punto de equilibrio, la eficiencia de conversión de energía térmica a energía eléctrica es solo del 40% aproximadamente, lo que limita aún más la viabilidad. Las mejores estimaciones recientes del costo de la energía eléctrica " por muon es de aproximadamente 6 GeV con aceleradores que son (casualmente) alrededor del 40 % eficientes en la transformación de eléctrica de la red eléctrica en aceleración de los deuterones.

A partir de 2012, no se ha publicado ningún método práctico para producir energía a través de este medio, aunque algunos descubrimientos que utilizan el efecto Hall parecen prometedores.

Estimación alternativa del punto de equilibrio

Según Gordon Pusch, físico del Laboratorio Nacional de Argonne, varios cálculos de punto de equilibrio sobre la fusión catalizada por muones omiten la energía térmica que el propio haz de muones deposita en el objetivo. Teniendo en cuenta este factor, la fusión catalizada por muones ya puede superar el punto de equilibrio; sin embargo, la energía recirculada suele ser muy grande en comparación con la energía que sale a la red eléctrica (alrededor de 3 a 5 veces mayor, según las estimaciones). A pesar de esta potencia recirculada bastante alta, la eficiencia del ciclo general es comparable a la de los reactores de fisión convencionales; sin embargo, la necesidad de una capacidad de generación eléctrica de 4 a 6 MW por cada megavatio que sale a la red probablemente represente una inversión de capital inaceptablemente grande. Pusch sugirió usar "migma" de Bogdan Maglich. concepto de haz de autocolisión para aumentar significativamente la eficiencia de producción de muones, eliminando las pérdidas de objetivos y utilizando núcleos de tritio como haz conductor, para optimizar la cantidad de muones negativos.

En 2021, Kelly, Hart y Rose produjeron un modelo μCF mediante el cual se optimizó la proporción, Q, de energía térmica producida a la energía cinética de los deuterones acelerados utilizados para crear piones negativos (y, por lo tanto, muones negativos a través del decaimiento de piones). En este modelo, la energía térmica de los deuterones entrantes, así como la de las partículas producidas debido al impacto del haz de deuterones en un objetivo de tungsteno, se recuperó en la medida de lo posible, como sugirió Gordon Pusch en el párrafo anterior. Además, se recuperó la energía térmica debida a la reproducción del tritio en una capa de litio-plomo, como sugirieron Jändel, Danos y Rafelski en 1988. Se encontró que el mejor valor de Q era de alrededor del 130 %, suponiendo que el 50 % de los muones producidos se utilizaran realmente. para catálisis de fusión. Además, suponiendo que el acelerador tuviera una eficiencia del 18 % en la transformación de energía eléctrica en energía cinética de deuterón y una eficiencia de conversión de energía térmica en energía eléctrica del 60 %, estiman que, actualmente, la cantidad de energía eléctrica que podría producir un reactor μCF sería el 14% de la energía eléctrica consumida. Para que esto mejore, sugieren que sería necesaria alguna combinación de a) aumento de la eficiencia del acelerador yb) aumento del número de reacciones de fusión por muón negativo por encima del nivel supuesto de 150.

Proceso

Para crear este efecto, se envía una corriente de muones negativos, generalmente creados por piones en descomposición, a un bloque que puede estar formado por los tres isótopos de hidrógeno (protio, deuterio y/o tritio), donde el bloque generalmente está congelado, y el bloque puede estar a temperaturas de aproximadamente 3 kelvin (−270 grados Celsius) más o menos. El muón puede chocar con el electrón de uno de los isótopos de hidrógeno. El muón, 207 veces más masivo que el electrón, protege y reduce eficazmente la repulsión electromagnética entre dos núcleos y los acerca mucho más a un enlace covalente que un electrón. Debido a que los núcleos están tan cerca, la fuerza nuclear fuerte puede activarse y unir ambos núcleos. Se fusionan, liberan el muón catalítico (la mayoría de las veces), y parte de la masa original de ambos núcleos se libera en forma de partículas energéticas, como en cualquier otro tipo de fusión nuclear. La liberación del muón catalítico es fundamental para continuar las reacciones. La mayoría de los muones continúan uniéndose a otros isótopos de hidrógeno y continúan fusionando núcleos. Sin embargo, no todos los muones se reciclan: algunos se unen con otros desechos emitidos tras la fusión de los núcleos (como partículas alfa y heliones), eliminando los muones del proceso catalítico. Esto sofoca gradualmente las reacciones, ya que cada vez hay menos muones con los que los núcleos pueden unirse. El número de reacciones logradas en el laboratorio puede llegar a 150 fusiones d-t por muón (promedio).

Deuterio–tritio (d–t o dt)

En la fusión catalizada por muones de mayor interés, un deuterón con carga positiva (d), un tritón con carga positiva (t) y un muón forman esencialmente un ion de hidrógeno pesado molecular muónico con carga positiva (d–μ–t)⁺. El muón, con una masa en reposo 207 veces mayor que la masa en reposo de un electrón, es capaz de arrastrar el tritón y el deuterón más masivos 207 veces más cerca uno del otro. en el ion molecular muónico (d–μ–t)⁺ que un electrón en el correspondiente electrónico (d–e–t)⁺ ion molecular. La separación promedio entre el tritón y el deuterón en el ion molecular electrónico es de aproximadamente un angstrom (100 pm), por lo que la separación promedio entre el tritón y el deuteron en el ion molecular muónico es 207 veces menor que eso. Debido a la fuerza nuclear fuerte, cada vez que el tritón y el deuterón en el ion molecular muónico se acercan aún más durante sus movimientos vibratorios periódicos, aumenta mucho la probabilidad de que el tritón cargado positivamente y el deuterón cargado positivamente experimenten túneles cuánticos a través de la repulsiva barrera de Coulomb que actúa para mantenerlos separados. De hecho, la probabilidad de tunelización de la mecánica cuántica depende aproximadamente de manera exponencial de la separación promedio entre el tritón y el deuterón, lo que permite que un solo muón catalice la fusión nuclear d-t en menos de medio picosegundo, una vez que se forma el ion molecular muónico.

El tiempo de formación del ion molecular muónico es uno de los "pasos limitantes de la velocidad" en la fusión catalizada por muones que puede tomar fácilmente hasta diez mil o más picosegundos en una mezcla líquida de deuterio y tritio molecular (D₂, DT, T₂), por ejemplo. Cada muón catalizador pasa así la mayor parte de su efímera existencia de 2,2 microsegundos, medida en su marco de reposo, deambulando en busca de deuterones y tritones adecuados con los que unirse.

Otra forma de ver la fusión catalizada por muones es tratar de visualizar la órbita del estado fundamental de un muón alrededor de un deuterón o un tritón. Supongamos que el muón cae inicialmente en una órbita alrededor de un deuterón, lo que tiene un 50% de posibilidades de hacerlo si hay aproximadamente el mismo número de deuterones y tritones presentes, formando un deuterio muónico eléctricamente neutro. átomo (d–μ)⁰ que actúa como un "neutrón grueso y pesado" debido tanto a su tamaño relativamente pequeño (de nuevo, 207 veces más pequeño que un átomo de deuterio electrónico eléctricamente neutro (d–e)⁰) como a la muy eficaz " blindaje" por el muón de la carga positiva del protón en el deuterón. Aun así, el muón todavía tiene muchas más posibilidades de ser transferido a cualquier tritón que se acerque lo suficiente al deuterio muónico que de formar un ion molecular muónico. El átomo de tritio muónico eléctricamente neutro (t–μ)⁰ así formado actuará de alguna manera como un 'neutrón más grueso y pesado'. pero lo más probable es que se aferre a su muón y eventualmente forme un ion molecular muónico, probablemente debido a la formación resonante de un estado molecular hiperfino dentro de una molécula de deuterio completa D₂ (d=e²=d), con el ion molecular muónico actuando como un "núcleo más grueso y pesado" del "más gordo, más pesado" neutro "muónico/electrónico" molécula de deuterio ([d–μ–t]=e²=d), como predijo Vesman, un estudiante de posgrado de Estonia, en 1967.

Una vez que se forma el estado de iones moleculares muónicos, el blindaje por parte del muón de las cargas positivas del protón del tritón y el protón del deuterón entre sí permite que el tritón y el deuterón atraviesen la barrera de Coulomb en el tiempo. lapso del orden de un nanosegundo El muón sobrevive a la reacción de fusión nuclear catalizada por muones d-t y permanece disponible (por lo general) para catalizar más fusiones nucleares catalizadas por muones d-t. Cada fusión nuclear exotérmica d-t libera alrededor de 17,6 MeV de energía en forma de un 'muy rápido'. neutrón que tiene una energía cinética de aproximadamente 14,1 MeV y una partícula alfa α (un núcleo de helio-4) con una energía cinética de aproximadamente 3,5 MeV. Se pueden obtener 4,8 MeV adicionales al tener los neutrones rápidos moderados en una "manta" rodeando la cámara de reacción, con el manto que contiene litio-6, cuyos núcleos, conocidos por algunos como "lithions," absorbe fácilmente y exotérmicamente los neutrones térmicos, transmutándose así el litio-6 en una partícula alfa y un tritón.

Deuterio-deuterio y otros tipos

El primer tipo de fusión catalizada por muones que se observó experimentalmente, por L.W. Alvarez et al., fue protio (H o ₁H¹) y deuterio (D o ₁H²) fusión catalizada por muones. Se ha estimado que la tasa de fusión para la fusión catalizada por muones p-d (o pd) es aproximadamente un millón de veces más lenta que la tasa de fusión para la fusión catalizada por muones d-t >.

De interés más práctico, la fusión catalizada por muones de deuterio-deuterio se ha observado con frecuencia y se ha estudiado experimentalmente de manera extensa, en gran parte porque el deuterio ya existe en abundancia relativa y, al igual que el protio, el deuterio no es en absoluto radiactivo. (El tritio rara vez se produce de forma natural y es radiactivo con una vida media de unos 12,5 años).

Se ha estimado que la tasa de fusión para la fusión catalizada por muones d–d es solo alrededor del 1% de la tasa de fusión para la fusión catalizada por muones d–t, pero esto aún da alrededor de una d –d fusión nuclear cada 10 a 100 picosegundos más o menos. Sin embargo, la energía liberada con cada reacción de fusión catalizada por muones d-d es solo alrededor del 20% de la energía liberada con cada reacción de fusión catalizada por muones d-t. Además, el muón catalizador tiene una probabilidad de adherirse a al menos uno de los productos de reacción de fusión catalizada por muones d-d que Jackson en este artículo de 1957 estimó que es al menos 10 veces mayor que la probabilidad correspondiente de que el muón catalizador se adhiera a al menos menos uno de los productos de reacción de fusión catalizada por muones d-t, evitando así que el muón catalice más fusiones nucleares. Efectivamente, esto significa que cada muón que cataliza reacciones de fusión catalizadas por muones d-d en deuterio puro solo puede catalizar alrededor de una décima parte del número de reacciones de fusión catalizadas por muones d-t que cada muón puede catalizar en una mezcla. de cantidades iguales de deuterio y tritio, y cada fusión d-d solo produce alrededor de una quinta parte del rendimiento de cada fusión d-t, lo que hace que las perspectivas de liberación de energía útil de la fusión catalizada por muones d-d sean al menos 50 veces mayores peor que las ya sombrías perspectivas de liberación de energía útil de la fusión catalizada por muones d-t.

Potencial "aneutrónico" Las posibilidades de fusión nuclear (o sustancialmente aneutrónicas), que resultan esencialmente sin neutrones entre los productos de fusión nuclear, casi con seguridad no son muy susceptibles a la fusión catalizada por muones. Una de estas reacciones de fusión nuclear esencialmente aneutrónica involucra un deuterón del deuterio que se fusiona con un helión (He⁺²) del helio-3, lo que produce una partícula alfa energética y un protón mucho más energético, ambos cargados positivamente (con unos pocos neutrones provenientes de inevitables reacciones secundarias de fusión nuclear d-d). Sin embargo, un muón con una sola carga eléctrica negativa es incapaz de proteger ambas cargas positivas de un helio de la única carga positiva de un deuterón. Las posibilidades de que los dos muones necesarios estén presentes simultáneamente son excepcionalmente remotas.

En la cultura

El término "fusión en frío" fue acuñado para referirse a la fusión catalizada por muones en un artículo del New York Times de 1956 sobre el artículo de Luis W. Alvarez.

En 1957, Theodore Sturgeon escribió una novela, 'The Pod in the Barrier', en la que la humanidad tiene omnipresentes reactores de fusión fría que funcionan con muones. La reacción es "Cuando el hidrógeno uno y el hidrógeno dos están en presencia de mesones Mu, se fusionan en helio tres, con un rendimiento energético en electronvoltios de 5,4 veces diez a la quinta potencia". A diferencia de la bomba termonuclear contenida en el Pod (que se usa para destruir la Barrera), pueden desactivarse temporalmente por "incredulidad concentrada" que la fusión de muones funciona.

En la tercera novela de Sir Arthur C. Clarke de la serie Space Odyssey, 2061: Odyssey Three, la fusión catalizada por muones es la tecnología que permite a la humanidad lograr viajes interplanetarios fáciles. El personaje principal, Heywood Floyd, compara a Luis Álvarez con Lord Rutherford por subestimar el potencial futuro de sus descubrimientos.