Fusión protón - neutrón?

Por supuesto que la reacción es posible. Ni siquiera requiere condiciones ambientales especiales. Al no tener carga, los neutrones no necesitan superar una fuerte barrera de Coulomb para interactuar con los núcleos atómicos y encontrarán felizmente cualquier núcleo que pueda capturarlos a energías térmicas. KamLAND (por ejemplo) se basa en esta reacción como la parte retrasada de la coincidencia de retraso en la detección de eventos antineutrinos en el detector. En el entorno de aceite mineral de KamLAND, los neutrones libres tienen una vida media de alrededor de$200 \,\mathrm{\mu s}$.

La captura de neutrones incluso en un protón libera 2,2 MeV. El cloro, el boro y el gadolinio son mejores agentes de captura de neutrones que las moléculas que contienen hidrógeno como el agua y los aceites, y las capturas en esos absorbentes liberan incluso más energía por evento.

Entonces, ¿por qué no están todos saltando animando la fusión a temperatura ambiente y pronosticando un hermoso futuro lleno de energía segura y abundante?

Porque no hay un suministro adecuado de neutrones libres. Con su vida útil de desintegración beta de aproximadamente 15 minutos, no existe una reserva natural y, en cualquier caso, no puede almacenarlos.

Las reacciones p + n --> D y D + n --> T son la base de la diferencia entre el agua ligera y pesada utilizada como moderador en los reactores de fisión. Porque la primera reacción tiene una sección transversal más grande y roba más neutrones de la economía de neutrones de la reacción en cadena.

Debido a la relación óptima de masa protón/neutrón, el agua ligera sería un mejor moderador que el agua pesada, ya que desacelera más rápido los neutrones a la velocidad térmica. Lo sería, pero no lo es, ya que este efecto es anulado por una mayor absorción de neutrones.

El resultado es que, mientras que el moderador de agua pesada permite construir reactores de fisión con uranio no enriquecido, los reactores con moderador de agua ligera requieren uranio enriquecido. (típicamente 2-3 % de 235U, en lugar del 0,7 % natural)

Me gustaría oponerme a la declaración de dmckee, hay fuentes de neutrones muy buenas y estables en las plantas de energía de fisión. Refiriéndose a la pregunta de garyp, si la "energía" p + n - D + procede como un proceso de exotérmino, entonces las condiciones adecuadas están disponibles en pequeñas centrales nucleares experimentales. Es cierto, el neutrón es estable solo por un tiempo relativamente corto, pero este tiempo sería suficiente para ejecutar una reacción de fusión. Supongo que sería un experimento interesante combinar un proceso de fisión con un proceso de fusión en una planta de energía experimental modificando el medio de adsorción para producir deuterio con energía térmica adicional. Podría contribuir a la energía del medio refrigerante. El núcleo de deuterio evolucionado también podría usarse para otros experimentos en reacciones D,T.

La fuente de neutrones sería entonces el

El reactor tendría que diseñarse de tal manera que los productos de descomposición del uranio, el carbono y el agua pesada pudieran eliminarse del reactor y pudieran escupir nuevos materiales. Esto requeriría un nivel medio de esfuerzo para la protección radiológica.

La pregunta es si entonces es tan productiva en términos de producción de energía.$2.2$MeV por fusión protón-neutrón. La partícula alfa de uranio-$238$posee$4.2$MeV. Idealmente, esto luego se frena a$2.6$MeV. Entonces existe una cierta probabilidad de que un neutrón con$740$se producirán keV, que a su vez deben alcanzar velocidades térmicas ($100$rango de meV). Y luego, con cierta probabilidad, vuelve a producirse esta fusión protón-neutrón.

Eso significa que, si tal cadena de reacción funciona de manera ideal, obtenemos

Para calcular los costos de esto, encontré los siguientes valores para el uranio y el berilio: Uranio$19.45$euros por gramo y Berilio entre$0.30$y$1.50$euros por gramo dependiendo de la calidad. Esto significa que el principal costo es el Uranio. Por lo tanto, un kilovatio hora costaría alrededor de$4$centavos En términos de costos de generación, esto estaría entre una planta de energía nuclear y una planta de energía a carbón. Si he calculado correctamente. Porque luego todo tipo de cosas como el recargo EEG y las ganancias de las corporaciones y otros se agregan a los precios de la electricidad, entonces pagamos alrededor$9$veces este precio. Entonces, un reactor de protones-neutrones para el hogar podría incluso valer la pena.

Bien, ese era el caso ideal. Por supuesto, la eliminación del material radiactivo cuesta dinero. El deuterio podría incluso venderse. Luego, por supuesto, necesita un poco más de material, por ejemplo, más agua como moderador. Y no todas las cadenas de reacción funcionan de manera ideal.

Pequeño error en mi respuesta.

"Esto significa que 1,4e-6 gramos de uranio, 0,05e-6 gramos de berilio y 0,0059e-6 gramos de hidrógeno"

Y agregaría que esta fusión nuclear fría inducida por la desintegración radiactiva no resultará en una catástrofe nuclear. No es un proceso de auto-reforzamiento. En la energía nuclear, cuantos más núcleos se dividen, más neutrones se liberan que potencialmente vuelven a dividir los núcleos. Aquí, la desintegración radiactiva no se acelera cuando hay más fusión.