La fusione aneutronica è una reazione di fusione nucleare in cui l'energia rilasciata in proporzione ai neutroni è minima, tipicamente inferiore alla soglia dell'1% dell'energia totale. Le reazioni nucleari generalmente studiate oggi possono rilasciare fino all'80% della loro energia come neutroni. Viceversa, a condizione che possa essere controllata, la fusione aneutronica sarebbe in grado di ridurre considerevolmente gli svantaggi associati alla radiazione di neutroni ( radiazioni ionizzanti , attivazione ), la necessità di schermi protettivi o apparecchiature di manipolazione a distanza e problemi di sicurezza. Alcuni sostenitori della fusione aneutronica prevedono drastiche riduzioni dei costi attraverso la conversione diretta dell'energia dei prodotti di fusione che caricano la carica in elettricità . Tuttavia, le condizioni richieste per avviare una fusione aneutronica sono molto più difficili di quelle richieste per il ciclo classico deuterio - trizio ( 2 D- 3 T). Sebbene le prove scientifiche dimostrino che la fusione aneutronica può essere prodotta continuamente, la sua fattibilità economica resta da dimostrare.
Solo un piccolo numero di reazioni di fusione si verificano senza l' emissione di neutroni . Ecco quelli con la sezione trasversale più grande :
2 D | + | 3 He | → | 4 He | ( 3,6 MeV ) | + | p + | ( 14,7 MeV ) | ||
2 D | + | 6 Li | → | 2 | 4 He | + 22,4 MeV | ||||
p + | + | 6 Li | → | 4 He | ( 1,7 MeV ) | + | 3 He | ( 2,3 MeV ) | ||
3 He | + | 6 Li | → | 2 | 4 He | + | p + | + 16,9 MeV | ||
3 He | + | 3 He | → | 4 He | + | 2 | p + | + 12,86 MeV | ||
p + | + | 7 Li | → | 2 | 4 He | + 17,2 MeV | ||||
p + | + | 11 B | → | 3 | 4 He | + 8,68 MeV |
I primi due impiego di deuterio come combustibile, ma alcuni 2 D- 2 D reazioni collaterali producono alcuni neutroni. Sebbene la frazione dell'energia trasportata dai neutroni possa essere limitata dalla scelta dei parametri di reazione, questa frazione rimarrà probabilmente al di sopra della soglia dell'1%. È quindi difficile considerare queste reazioni come aneutroniche.
La resa delle seguenti due reazioni (usando p, 3 He e 6 Li) rimane bassa in un plasma termico . Se invece consideriamo la loro sequenza, possiamo sperare di ottenere una migliore reattività, a patto che la distribuzione dell'energia si discosti dalla statistica di Boltzmann .
Il prodotto 3 He, risultante dalla prima reazione, può partecipare alla seconda reazione prima della termalizzazione, e il prodotto p, risultante dalla seconda reazione, può partecipare alla prima reazione prima della termalizzazione. Sfortunatamente, studi dettagliati non sono stati in grado di dimostrare un miglioramento sufficiente per compensare la piccola sezione trasversale.
Il problema della reazione 3 He- 3 He è la disponibilità del carburante. 3 Essendo presente sulla Terra solo in tracce, sarebbe necessario o produrlo mediante bombardamento di neutroni (che è contraddittorio con lo scopo perseguito), oppure raccoglierlo nello spazio. I primi metri di superficie lunare sono relativamente ricchi di 3 He , dell'ordine di 0,01 milionesimi di massa, ma estrarre questa risorsa e trasportarla sulla Terra sarebbe molto difficile e costoso. 3 Potrebbe in teoria essere estratto dall'atmosfera dei giganti gassosi , ma la sfida è ancora più grande.
La reazione p + - 7 Li non ha alcun vantaggio rispetto alla reazione p - 11 B. La sua sezione trasversale è ancora più bassa.
Per tutti questi motivi, la ricerca sulla fusione aneutronica è principalmente orientata alla reazione idrogeno - boro (p- 11 B).
Nonostante l'interesse per la fusione aneutronica, lo sforzo di ricerca sulla fusione è andato principalmente verso la fusione 2 D- 3 T, perché i problemi posti dalla coppia idrogeno-boro (p- 11 B) sono stati considerati molto difficili da superare. Per cominciare, la fusione idrogeno-boro richiede che l'energia o la temperatura degli ioni sia almeno dieci volte maggiore di quella richiesta per la fusione 2 D- 3 T. La reattività della coppia idrogeno-boro raggiunge il suo massimo nelle vicinanze. di 600 keV (più di 6 miliardi di Kelvin ), quindi per la coppia 2 D- 3 T il picco è di circa 66 keV (730 milioni di Kelvin).
Inoltre la massima reattività della coppia p- 11 B è solo dell'ordine di un terzo di quella della coppia 2 D- 3 T, il che richiede che il confinamento dell'energia plasmatica venga effettuato in condizioni più draconiane. Il confinamento è generalmente caratterizzato dal tempo τ durante il quale l'energia deve essere trattenuta in modo che la potenza prodotta dalla fusione superi quella necessaria per il riscaldamento del plasma. Queste condizioni possono essere espresse utilizzando vari criteri derivati, i più comuni dei quali combinano tempo e densità nel prodotto nτ, tempo, densità e pressione nel prodotto nTτ; questi criteri sono entrambi indicati come il criterio di Lawson . Il fattore nτ richiesto per la reazione p- 11 B è 45 volte superiore a quello per la reazione 2 D- 3 T, il fattore nTτ è 500 volte superiore. Poiché le proprietà di confinamento degli approcci di fusione convenzionali, come tokamak e laser microbead fusion sono limitate, la maggior parte delle proposte per la fusione aneutronica si basa su concetti di confinamento radicalmente diversi.
Nella maggior parte dei plasmi, una delle sfide più importanti sono le perdite associate all'emissione di fotoni (raggi X) da parte di Bremsstrahlung , o radiazioni di frenatura . Per la reazione p- 11 B, l'energia di Bremsstrahlung sarebbe sempre maggiore dell'energia di fusione, qualunque siano le proporzioni relative dei due elementi; il rapporto corrispondente per la reazione 3 He- 3 He sarebbe un po 'più favorevole. Ciò si applica in modo diverso ai plasmi anisotropi e per niente ai plasmi non neutri.
Nei reattori a fusione di design tradizionale, sia di confinamento magnetico o di confinamento inerziale , il Bremsstrahlung può facilmente fuoriuscire dal plasma, ed è considerata come una perdita definitiva di energia. Le prospettive sarebbero più favorevoli se la radiazione potesse essere riassorbita dal plasma. L'assorbimento viene effettuato principalmente dalla diffusione Thomson dei fotoni sugli elettroni, la cui sezione trasversale totale è σ T = 6,65 × 10 −29 m 2 . In una miscela 50-50 di 2 D- 3 T, ciò corrisponde a circa 6,3 g / cm 2 . Questo valore minimo è notevolmente superiore al criterio di Lawson ρ R > 1 g / cm 2 , che è già difficile da ottenere, ma potrebbe non essere al di là della portata dei futuri sistemi di confinamento inerziale.
In campi magnetici molto intensi, dell'ordine dei megatesla , un effetto quantistico potrebbe sopprimere il trasferimento di energia dagli ioni agli elettroni. Secondo un calcolo, le perdite di Bremsstrahlung potrebbero essere ridotte alla metà dell'energia di fusione, o anche meno. In un forte campo magnetico, la radiazione del ciclotrone è ancora più importante della Bremsstrahlung . In un campo megatesla, un elettrone perderebbe la sua energia dalla radiazione di ciclotrone in picosecondi se la radiazione potesse fuoriuscire. Tuttavia, in un plasma sufficientemente denso, la frequenza del ciclotrone è inferiore al doppio della frequenza del plasma . In questo ben noto caso, la radiazione del ciclotrone è intrappolata all'interno del plasmoide e non può fuoriuscire, se non da uno strato superficiale molto sottile.
Sebbene i campi di megatesla non siano ancora stati ottenuti in laboratorio, campi di 0,3 megatesla sono stati prodotti con laser ad alta intensità e campi di 0,02-0,04 megatesla sono stati osservati in un focheggiatore plasma denso .
A densità molto più elevate ( n e > 6,7 × 10 34 m −3 ), gli elettroni finiscono in uno stato di degenerazione quantistica in cui le perdite di Bremsstrahlung scompaiono, sia direttamente che per riduzione del trasferimento di energia dagli ioni agli elettroni. Se le condizioni necessarie potessero essere raggiunte, ciò aprirebbe la possibilità di produzione netta di energia da reazioni p + - 11 B o 2 D - 3 He. Tuttavia, la fattibilità di un reattore basato esclusivamente su questo effetto rimane bassa, con valori di guadagno prevedibili (en) inferiori a 20, mentre di solito si stima che sia necessario un guadagno maggiore di 200. Ci sono, tuttavia, effetti che potrebbero migliorare sostanzialmente il guadagno.
Molti sforzi sono volti a realizzare la fusione idrogeno-boro, utilizzando vari dispositivi di fusione. Uno di questi approcci, che utilizza un focheggiatore di plasma denso , ha ricevuto finanziamenti dal Jet Propulsion Laboratory della NASA , dall'Air Force Research Laboratory e dalla Chilean Nuclear Energy Commission, tra gli altri. Nel 2001, Lawrenceville Plasma Physics (LPP) Inc ha annunciato di aver raggiunto energie ioniche superiori a 100 keV utilizzando un dispositivo di focalizzazione al plasma presso la Texas A&M University . Una sperimentazione di questo approccio, noto anche come “focus fusion”, è in corso nell'ambito di un progetto congiunto con LPP, nel Thermonuclear Plasma Laboratory di Santiago, Cile. I ricercatori dell'Università dell'Illinois e dell'Air Force Research Laboratory hanno descritto come un focheggiatore di plasma denso che utilizza combustibile idrogeno-boro può essere impiegato per la propulsione spaziale.
In un altro approccio, introdotto da Robert Bussard e finanziato dalla US Navy , viene utilizzato uno speciale dispositivo di confinamento inerziale elettrostatico chiamato Polywell .
Poiché nessuno di questi approcci ha ancora dato luogo a test effettivi con combustibile idrogeno-boro, le prestazioni attese si basano su un'estrapolazione della teoria, risultati sperimentali con altri combustibili e simulazioni.
Sebbene i z-pinch dispositivi non sono stati menzionati come possibili reattori idrogeno-boro, le energie di ioni appropriate per tali reazioni, fino a 300 keV, è stato annunciato dai ricercatori sulla macchina Z a Sandia Laboratories . Nei plasmi non in equilibrio la temperatura degli elettroni è solitamente superiore alla temperatura ionica . Ma il plasma della macchina Z mostra uno stato di fuori equilibrio invertito, in cui la temperatura ionica è cento volte superiore alla temperatura dell'elettrone. Poiché le perdite da bremsstrahlung aumentano come il quadrato della temperatura elettronica, questa situazione apre un nuovo campo di ricerca dove queste perdite potrebbero rivelarsi inferiori alle attese, con un tale dispositivo .
Nel 2005, un team russo ha ottenuto una prima fusione aneutronica di idrogeno-boro utilizzando un laser a picosecondi. Il numero di reazioni di fusione indotte (dell'ordine di 10 3 particelle α emesse per ogni impulso laser) rimane comunque estremamente basso.
Calcoli dettagliati mostrano che almeno lo 0,1% delle reazioni in un plasma termico p- 11 B produrrebbe neutroni e che l'energia di questi neutroni rappresenterebbe meno dello 0,2% dell'energia totale rilasciata.
Questi neutroni provengono per primi dalla reazione
11 B + α → 14 N + n 0 + 157 keVLa reazione stessa produce solo 157 keV, ma i neutroni trascinano gran parte dell'energia alfa, vicino alla fusione E / 3 = 2,9 MeV. Un'altra fonte significativa di neutroni è la reazione ( endoenergetica )
11 B + p + → 11 C + n 0 - 2.8 MeVQuesti neutroni sono meno energetici, con un'energia paragonabile alla temperatura del combustibile. Inoltre, l' 11 ° C è di per sé radioattivo, ma decade a livelli trascurabili entro poche ore a causa della sua emivita di soli 20 minuti.
Poiché queste reazioni coinvolgono i reagenti e i prodotti della reazione di fusione primaria, sembra difficile ridurre ulteriormente la produzione di neutroni. La prima reazione potrebbe in linea di principio essere soppressa estraendo gli alfa non appena vengono creati, ma poi la loro energia non può essere utilizzata per mantenere l'alta temperatura del plasma. La seconda reazione potrebbe in linea di principio essere soppressa tagliando la distribuzione degli ioni ad alte energie, ma l'energia richiesta per impedire la termalizzazione della distribuzione probabilmente preclude questo approccio.
Oltre a neutroni, una grande quantità di raggi X fisso verranno prodotte da bremsstrahlung , e gamma 4, 12 e 16 MeV saranno prodotti dalla reazione di fusione
11 B + p + → 12 C + γ + 16,0 MeVQuesto ramo ha una probabilità di circa 10 -4 rispetto alla fusione primaria.
Infine, dovrebbe essere usato un combustibile isotopicamente puro e l'afflusso di impurità all'interno del plasma dovrebbe essere controllato per evitare reazioni collaterali che producono neutroni come i seguenti:
11 B + 2 D → 12 C + n 0 + 13,7 MeV 2 D + 2 D → 3 He + n 0 + 3,27 MeVFortunatamente, con un'attenta progettazione, dovrebbe essere possibile ridurre la dose occupazionale ricevuta dagli operatori, sia per i neutroni che per i raggi gamma, a un livello trascurabile. I componenti principali dello scudo sarebbero l'acqua per rallentare i neutroni veloci, il boro per assorbire i neutroni lenti e il metallo per assorbire i raggi X. Lo spessore totale necessario dovrebbe essere di circa un metro, la maggior parte costituito da acqua.
Le reazioni di fusione aneutronica producono la stragrande maggioranza della loro energia sotto forma di particelle cariche, non di neutroni. Ciò implica che l'energia può essere convertita direttamente in elettricità mediante varie tecniche. Molte di queste tecniche di conversione diretta si basano su tecnologie mature derivate da altri campi, come la tecnologia a microonde . Inoltre, queste tecniche utilizzano apparecchiature più compatte e potenzialmente meno costose di quelle utilizzate nella generazione di energia termica convenzionale.
In confronto, i combustibili da fusione come il deuterio-trizio ( 2 D- 3 T), che producono la maggior parte della loro energia come neutroni, richiedono un ciclo termico standard, in cui i neutroni vengono utilizzati per trasportare l'acqua bollente, il vapore che aziona una grande turbina e un generatore elettrico . Questa apparecchiatura è abbastanza costosa che circa l'80% del costo di costruzione di una tipica centrale elettrica a combustibili fossili proviene da apparecchiature di conversione termica.
Pertanto, la fusione 2 D- 3 T non potrebbe ridurre in modo significativo l'ammontare dell'investimento necessario per la produzione di energia elettrica, anche se il reattore a fusione che produce i neutroni fosse libero (il dispendio di combustibile sarebbe comunque notevolmente ridotto). D'altra parte, secondo i suoi sostenitori, la fusione aneutronica con conversione diretta in elettricità potrebbe, in teoria, garantire la produzione di elettricità con investimenti ridotti.
Le tecniche di conversione diretta possono essere induttive , basate sulla variazione dei campi magnetici , o elettrostatiche , basate sul lavoro di particelle cariche contro un campo elettrico . Se il reattore a fusione funziona in modalità a impulsi, possono essere impiegate tecniche induttive.
Una frazione non trascurabile della energia liberata dalla fusione aneutronic non rimane nelle particelle cariche prodotte, ma è emesso in forma di raggi X . Parte di questa energia può anche essere convertita direttamente in elettricità. Per effetto fotoelettrico , i raggi X che passano attraverso una serie di fogli conduttivi trasferiscono parte della loro energia agli elettroni che possono poi essere catturati da un processo elettrostatico. Poiché i raggi X possono passare attraverso spessori di materiale maggiori rispetto agli elettroni, saranno necessarie diverse centinaia o addirittura migliaia di strati per assorbire la maggior parte dei raggi X.