Fusión Nuclear

Si unos núcleos ligeros son forzados a juntarse, se fusionarán con una producción de energía, debido a que la masa de la combinación será menor que la suma de las masas de los núcleos individuales. Si la masa nuclear combinada es menor que la del hierro en el pico de la curva de energía de enlace, entonces las partículas nucleares estarán más fuertemente unidas de lo que estaban en los núcleos más ligeros, y esa disminución de masa, sale en forma de energía de acuerdo con la fórmula de Einstein. Para los elementos más pesados que el hierro, la fisión producirá energía.

En las fuentes de energía nuclear potenciales de la Tierra, la reacción de fusión deuterio-tritio contenida por algún tipo de confinamiento magnético, parece ser el camino más probable. Sin embargo, en la combustión de las estrellas, dominan otras reacciones de fusión.



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Fusión Deuterio-Tritio

La más prometedora de las reacciones de fusión de hidrógeno que constituye el ciclo del deuterio, es la fusión del deuterio y el tritio. The reaction yields 17.6 MeV of energy but to achieve fusion one must penetrate the coulomb barrier with the aid of tunneling, requiring very high temperatures . 80% of that energy yield is in the energy of the neutron, which is not as easily utilized as if it were carried by a charged particle. El combustible deuterio es abundante, pero el tritio debe ser generado a partir del litio u obtenido en la operación del ciclo del deuterio.

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Reacciones en la Fusión del Hidrógeno

A pesar de que se necesita una gran cantidad de energía, para superar la barrera de Coulomb e iniciar la fusión del hidrógeno, los rendimientos energéticos son suficientes para fomentar una continua investigación. La fusión del hidrógeno en la tierra podría hacer uso de las reacciones:

Estas reacciones son más prometedoras que la fusión protón-protón de las estrellas, como fuentes potenciales de energía. De éstas, la fusión deuterio-tritio parece ser la más prometedora y ha sido objeto de la mayoría de los experimentos. En un reactor de deuterio-deuterio, también puede ocurrir otra reacción, creando un ciclo de deuterio:

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Ciclo de Fusión del Deuterio

Las cuatro reacciones de fusión que pueden ocurrir con el deuterio, se puede decir que forman el ciclo del deuterio. Las cuatro reacciones:

se pueden combinar como

u, omitiendo los constituyentes cuyas concentraciones no cambian:

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Reproducción del Tritio

La fusión de deuterio y tritio es la más prometedora de las reacciones de fusión del hidrógeno, pero no se produce tritio en la naturaleza, ya que tiene una semi vida de 10 años. La fuente más prometedora de tritio, parece ser la reproducción de tritio a partir del litio-6, por el bombardeo de neutrones en la reacción

que se puede conseguir con neutrones lentos. Esto podría ocurrir si el litio se utilizara como refrigerante y medio de transferencia de calor, alrededor de la cámara de reacción de un reactor de fusión. El litio-6 representa el 7,4% del litio natural. Si bien esto constituye una fuente importante, es el recurso que limita el proceso de D-T, ya que el suministro de combustible de deuterio es virtualmente ilimitado. Con los neutrones rápidos, el tritio puede ser generado a partir del más abundante Li-7:

The conceptual sketch below is grossly oversimplified since the engineering for handling liquid lithium is quite complex.

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Fuente de Deuterio

Puesto que la reacción de fusión nuclear más práctica para la generación de energía, parece ser la reacción de deuterio-tritio, las fuentes de estos combustibles son importantes. La parte del deuterio combustible no representa un gran problema, ya que aproximadamente 1 parte en 5000 del hidrógeno en el agua de mar, es deuterio. Esto equivale a más de 1015 toneladas de deuterio. Visto como un posible combustible para un reactor de fusión, un galón de agua de mar podría producir tanta energía como 300 galones de gasolina. La parte del tritio del combustible es más problemático, -no hay ninguna fuente natural considerable, ya que el tritio es radiactivo con una semi vida de alrededor de 10 años-. Tendría que obtenerse mediante la reproducción del tritio a partir del litio.

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Fusion Energy Release

A large amount of energy is released by nuclear fusion reactions. It seems that for power generation, the deuterium-tritium reaction is the most practical, but it provides most of the energy to the released neutron. That is problematic because it is harder to extract the energy from neutrons compared to charged particles. The deuterium-deuterium fusion divides its output energy between neutrons and protons. The proton fraction interacts by the electromagnetic force with the medium and converts its kinetic energy to thermal energy very quickly.

It is practical to examine the kinetic energies of the products of nuclear fusion in the center of mass frame of reference. This amounts to neglecting the kinetic energies of the reacting particles before the fusion, which is justified by the fact that those energies are usually in the 1-10 keV range, and the fusion yield is in the MeV range. In the CM frame the energies of constituents a and b in terms of the fusion energy release Q are:

The magnitudes of the momenta in that frame are equal:

Combining these two equations gives:

This allows us to determine the relative magnitudes of the energies of the two fusion products:

For D-D fusion, the smaller particle carries 75% of the energy.

With m(He3) = 2.8084 GeV/c2, m(H3) = 2.8089 GeV/c2,m(n) = 0.9396GeV/c2, and m(p) = 0.9383GeV/c2, the product energies for deuterium-deuterium fusion are shown. With a total yield of 3.27 GeV for the neutron reaction, the neutron carries 74.93% of the yield. For the proton reaction with yield 4.03 GeV, the proton carries 74.96%.

For D-T fusion, the smaller particle carries 80% of the energy.

With m(He4) = 3.7274 GeV/c2 and m(n) = 0.9396 GeV/c2, the product energies for deuterium-tritium fusion are shown. With a total yield of 17.69 GeV for this reaction, the neutron carries 79.87% of the yield.

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Fusion concepts

References:
Krane,
Sec 14.2
 
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