¿Cuál es la eficiencia teórica de la fusión?

¿Cuál es el límite teórico de la cantidad de energía que se puede extraer de una reacción de fusión? No estoy hablando de la eficiencia práctica de un reactor, sino de qué fracción de la masa-energía se puede liberar.

De las reacciones de fusión teóricamente posibles, combinar 56 nucleones libres en 56 Fe liberaría 9,1538 MeV por nucleón. Combinando 28 protones libres y 34 neutrones en 62 Ni daría un enlace ligeramente más fuerte por nucleón . Esto parece representar un límite empírico para la fusión, convirtiendo 0,00935605478 (hierro) y 0,0096783439 (níquel) de la masa nuclear en energía. Así que este límite parece ser ≈ 0,97%. En comparación, la cadena protón-protón que conduce a 4 Tiene una eficiencia del 0,7%.

Pero en principio podrían existir otras formas de fusión desconocidas. El reciente descubrimiento de la fusión de quarks es aproximadamente ocho veces más energético que la fusión normal, aunque es una forma de fusión bastante atípica, ya que implica quarks pesados. Podemos generalizar la fusión como el proceso de reorganización de la materia existente para liberar energía aumentando la energía de enlace debido a la fuerza fuerte (esto dejará de lado la acumulación gravitatoria). Si existiera materia extraña estable a presión cero, presumiblemente representaría un objetivo de fusión aún más eficiente. Parece probable que la fusión que involucre la fuerza fuerte total en lugar de la fuerza fuerte residual sea más eficiente.

Entonces, dadas estas consideraciones, ¿existen límites superiores teóricos no triviales sobre cuán eficiente puede ser una reacción de fusión?

Respuestas (1)

No veo límites teóricos, como los de la eficiencia de las máquinas termodinámicas. El límite vendrá de lo que llamamos "fusión" y lo que en cambio llamamos "otras interacciones de partículas".

Un electrón y un antielectrón, ambos partículas estables, pueden interactuar y "fusionarse", convirtiéndose en fotones puros, por lo que en este ejemplo la reacción de fusión electrones -> fotones es 100% eficiente.

Llamaré "fusión" a una reacción entre partículas que podemos recolectar y cosechar, y luego obtener energía neta positiva de la fusión. Hidrógeno, deuterio y tritio, podemos extraerlos del agua y luego fusionarlos para liberar más energía. Antielectrón, no, no hay muchos antielectrones libres que podamos usar prácticamente. Una historia similar para la "fusión de quarks": es posible que podamos observarla en experimentos de colisión, pero no podemos recoger quarks libres del océano (¡hay algunos escondidos, lo sé!) y recolectar suficientes para producir energía útil.

Puede haber alguna forma de forzar la descomposición de los protones, de modo que podamos transformar la mayor parte de su masa en energía. De todos modos, no lo llamaré fusión. ¿Es el núcleo de níquel realmente la arquitectura de menor energía? Podemos preguntarle a una estrella de neutrones una vez que se congele.

Si nos limitamos a los átomos normales, la fusión práctica más eficiente que se conoce es la producción de helio a partir de isótopos de hidrógeno; probablemente hay otros isótopos muy inestables que pueden liberar más energía. En los experimentos de colisión, podemos crear isótopos extremadamente inestables que liberan mucha energía cuando se recombinan en estados más estables. eso es fusión? Sí, pero no una fuente práctica de energía.

En aplicaciones prácticas con isótopos estables, creo que el "exceso de masa" de un isótopo se puede considerar como una medida del máximo teórico de energía que se puede recolectar. Su cálculo para obtener níquel de nucleones desnudos es probablemente el mejor.

Resumen: no hay un límite superior en la energía inicial de la partícula libre que podamos combinar. El límite inferior (excluyendo la antimateria) tal vez el núcleo de Proton y Nickel. Tal vez.

Tenga en cuenta que estaba hablando explícitamente de los límites de la energía liberada por el aumento de la unión (por partícula) debido a la fuerza fuerte; la aniquilación de leptones no cuenta. La cosechabilidad y la practicabilidad también están fuera de lugar. Parece que solo afirma que hay un límite, pero ¿qué sabemos sobre este límite?
bueno, sabemos que Nickel es empíricamente el más bajo; y la fórmula de masa semiempírica; podemos hacer algunos cálculos aproximados con los modelos de capas nucleares. Hoy no podemos resolver el núcleo de níquel analíticamente, ni siquiera estamos seguros del núcleo de helio, que es mucho más simple. Todavía no ha aparecido ningún núcleo estable de baja energía. Tal vez algún núcleo superpesado pueda tener menor energía. No sé. Cualquier estado ligado de menor energía, o es un núcleo más grande que no conocemos, o necesita involucrar alguna forma de decaimiento de protones. de los que no sé. Para todos los propósitos prácticos, Nickel todavía está en la parte inferior.
Límite superior a la energía de las partículas separadas antes de la fusión, estoy seguro de que no lo hay, simplemente se vuelven menos estables. Entonces, en teoría, no hay un límite superior para la eficiencia de la fusión; la aniquilación de leptones, está bien, fue un poco extrema, pero creo que muestra un punto
De todos modos, me cuesta creer que el extraño Nickel sea la perfección inferior. Una vez intenté estudiar el modelo de capa nuclear y me sorprendió ver lo poco que sabemos en realidad. Conocemos sólo algunas aproximaciones crudas y prácticas.
El enlace de "fusión de quarks" parece encajar en la descripción anterior, que se libera una mayor energía solo debido a la mayor energía de los constituyentes iniciales. Ningún nuevo estado de menor energía.
lo siento, último, resumen sobre el límite de baja energía de reordenamiento: el protón parece el hadrón de energía más baja y parece estable. Porque no observamos un decaimiento, y otros hadrones observados son más pesados. No hay razones teóricas de primer principio, lo siento. Todas las demás partículas observadas con quarks extraños parecen más pesadas y se descomponen rápidamente. El níquel parece estable y la combinación de hadrones de energía más baja. Por qué, porque lo hemos ponderado con balanzas precisas, y realmente lo parece. Algunas motivaciones semiteóricas para eso, como los modelos de "gota" y "bolsa".
Moraleja: no sabemos nada de límites fuera de nuestro alcance. Sabemos mucho sobre los límites prácticos de nuestro alcance.
ok, editaré el cuerpo de la respuesta con las fanfarronerías anteriores
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