¿Por qué se usaría Fission en un mundo donde existen reactores Fusion?

En mi mundo, todos los cuerpos terrestres del sistema solar de más de 900 km de tamaño tienen una presencia humana significativa. El viaje Tierra-Luna es tan común como un viaje por carretera interestatal, y el viaje interplanetario es tan común como ir al extranjero, desde Venus a la Tierra es lo mismo que un viaje de EE. al Reino Unido en 1700. Esta es la consecuencia del dominio de la energía de fusión hasta el punto en que un reactor de fusión puede almacenarse en un camión, con deuterio, tritio, helio 3 y boro 11 reaccionando (por supuesto, la fusión de protio sigue siendo imposible, por eso , siéntete libre de construir tu propia estrella). Esto plantea la pregunta (o más bien, planteo mi propia pregunta ... lo que sea)

¿Existe alguna justificación práctica para usar energía de fisión cuando existe energía de fusión (como se describe)?


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¿Hay diferencias dramáticas en el costo entre las dos celdas de energía? Si es así, entonces eso podría ser un ángulo. De lo contrario, una sonda de espacio profundo o un geosatélite o un satélite solar podrían ser objetivos dignos. Sin humanos, no hay necesidad de protegerlos. Suponiendo un blindaje razonable para los instrumentos. Supongamos que podrían ser alimentados en órbita para calmar a los ciudadanos con preocupaciones tontas de lanzamiento como aquí en Dirt.
Un reactor de fisión bien diseñado puede producir muchos isótopos útiles. Por ejemplo , nature.com/news/…
la fisión libera alrededor de 200 MeV mientras que la fusión libera alrededor de 20 MeV por reacción, ¡por supuesto, la fusión libera mucha más energía por peso! Creo que la respuesta solo podría ser política, por ejemplo, China descubrió una rica fuente de depósito de uranio en algún lugar del sistema solar y quiere dominar el mercado de la energía nuclear inflando su costo.
¿Por qué todavía tenemos vehículos que funcionan con combustibles fósiles? ¿Tal vez es solo porque uno es más fácil de construir o más portátil?
¿Todavía hay guerra en su mundo? Si es así, entonces una razón para la fisión es activar una bomba de fusión .
Su pregunta parece implicar que la generación abundante de energía es el único obstáculo que impide el viaje interplanetario, pero es solo un problema menor en comparación con otros. Incluso ignorando todos los problemas biológicos que los humanos tienen en el espacio, a menos que su mundo tenga impulsos sin reacción (que son pseudociencia, o la mayoría de las cosas que sabemos sobre física son incorrectas), entonces solo es posible convertir la energía eléctrica o térmica en empuje disparando partes de su nave espacial. fuera detrás de ti. Eso significa que los aumentos incrementales en el alcance o el peso de la carga útil requieren una capacidad de combustible exponencialmente mayor.
agregando a lo que dijo @bcrist: para que Venus-Tierra sea comparable a EE. UU.-Reino Unido, debe reducir el tiempo de viaje completo a menos de un día y varios barcos que salen por día desde varios lugares de la Tierra.
@bcrist: Pseudociencia tal vez, aunque EmDrive ha tenido suficientes resultados positivos para que usted se pregunte...
Las unidades @bcrist Ion son una cosa, así como las naves espaciales que utilizan más de un método de propulsión
@Jens Schauder: Pero los viajes entre EE. UU. y el Reino Unido eran bastante comunes en las primeras décadas del siglo XX, cuando los barcos transoceánicos tardaban una semana más o menos, y no era nada extraordinario en los días de navegación, cuando el viaje podía durar un par de meses. .
Claro, primarias de armas termonucleares.

Respuestas (11)

Hay un par de razones:

  1. La fisión se reduce mejor. Algunos reactores SNAP son diminutos, más pequeños que un bote de basura. Los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) se pueden hacer incluso más pequeños. Las "baterías" basadas en fisión son incluso posibles. Las aplicaciones pequeñas y/o de baja potencia favorecerán la fisión.

  2. Los generadores de fisión son mecánicamente más simples y robustos. Esto es importante cuando construye cosas que deben durar, especialmente en lugares donde el mantenimiento es imposible. Por ejemplo, las ubicaciones remotas favorecerán la fisión mecánicamente más simple.

  3. La fusión produce una gran cantidad de calor, mucho más que la fisión. Normalmente esto es algo bueno ya que el calor es lo que queremos cosechar. Pero este calor necesita disiparse, en una atmósfera que no sea demasiado dura, en un espacio que tenga mucha superficie de radiador extra, lo que agrega masa y hace que la nave sea más frágil. Este es básicamente el problema de escalado nuevamente, pero con preocupaciones adicionales en el vacío. Muchas naves espaciales preferirán la fisión porque la disipación de calor es una preocupación mayor y las necesidades de producción son generalmente pequeñas.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
4. La fisión puede producir una variedad de elementos pesados ​​diferentes como productos de desecho, muchos de los cuales son difíciles (¿tal vez imposibles?) de producir a través de la fusión.
@aroth, tal como lo entiendo, Iron actúa como una especie de barrera. La fusión no puede producir elementos más pesados ​​que el hierro y la fisión no funciona para elementos más livianos que el hierro. en.wikipedia.org/wiki/Iron_peak physics.stackexchange.com/questions/26059/…

Vale la pena tener una respuesta por escrito de que los reactores de fusión no pueden sintetizar isótopos pesados ​​en absoluto, si la síntesis solo puede ocurrir durante la fisión. Es decir, algunos isótopos pesados ​​pueden fabricarse mediante el uso de un reactor de fusión para el bombardeo de neutrones, como el cobalto-60, pero otras cosas como el cesio 137 solo pueden producirse de manera efectiva mediante la fisión del uranio.

Dicho esto, mantener grandes montones de isótopos pesados ​​no suele ser una gran idea. El cesio 137 solo es útil industrialmente cuando necesita bañar algo como un buque de guerra con suficiente energía para tomar una radiografía de su casco, pero el cobalto 60 en realidad es mejor en eso y más estable. El Cs-137 también reacciona fácilmente formando sales solubles en agua que su cuerpo puede transportar, por lo que su consumo es mortal, pero útil en la radioterapia.

Si realmente te resulta fácil todo este asunto de la energía nuclear, te diré dónde es posible que aún veas la fisión, y eso es como una fuente de energía de arranque en negro, porque generalmente se necesita energía para producir energía.

Black-start es la capacidad de una estación generadora para volver a conectarse y colocarse en la red sin que esa red esté energizada actualmente. Actualmente, no muchas estaciones tienen esta capacidad, y es posible que haya experimentado personalmente cortes de energía un poco más prolongados debido a esto. Lo que sucede es que las estaciones que pueden arrancar en negro tienen que encenderse para arrancar las estaciones adyacentes hasta que todas las estaciones estén listas para restaurar la energía a todas las cargas que se volverán a encender, y es un verdadero dolor cuando algo como el Gran Apagón del Noreste sucede

Obviamente, es posible que este punto simplemente no se aplique a su nivel de tecnología dado. Tal vez tenga baterías de unobtainio que pueden hacer funcionar un generador de fusión; pero si no lo hace, y si su blindaje es bueno, es totalmente posible construir un reactor de fisión que pueda iniciarse completamente a mano, con solo una cantidad limitada de energía para la instrumentación. Además, terriblemente, los reactores se han construido de esta manera en el pasado, con diversos grados de malos resultados, y el consenso general es que debemos tratar de no volver a hacerlo.

+1 para el arranque en negro, por lo que pocas personas consideran el apagado y el arranque del reactor, pero cuanto más amplia es la aplicación, más se convierte en un problema.
El cesio es un sólido a RTP (25 °C), se funde a 28 °C y hierve a más de 600 °C. No estoy seguro de dónde sacaste la parte de que el Cs-137 es un gas.
@MarchHo, oh hombre... Confundí a mis hijas de productos de fisión. Eso me pasa por pensar que recuerdo.
¿Dónde puedo leer más sobre estos reactores de fisión de arranque negro y sus problemas? Según su respuesta, parece que se supone que es obvio por qué es una mala idea, pero no veo ningún problema inherente en el concepto ...
@KRyan, ah, eso se debe a que no tengo permitido divulgar cosas que he leído de documentos 'clasificados', así que lo evito. En resumen, si un reactor tiene barras de control que se pueden retirar con la mano, entonces esa mano tiene el control de algo llamado tasa de adición de reactividad , lo que puede causar una excursión de potencia problemática al lanzar las barras de control. ¿Probablemente haya un informe no clasificado sobre el reactor prototipo que realmente hizo esto en alguna parte? Normalmente, los motores retiran las varillas a una velocidad segura conocida.
@KRyan, además, el arranque en negro es una característica de una estación generadora más grande. Por ejemplo, normalmente una gran central de carbón con esta capacidad tendría una turbina de gas o diesel de varios megavatios en el sitio para encender las bombas de agua y el equipo de la caldera para que la planta principal alcance una condición autosuficiente antes de apagar la planta auxiliar. Es como una batería de automóvil para un motor térmico a escala de gigavatios.
@SeanBoddy Ah, ya veo, gracias. Es el énfasis en la mano (literal) lo que me perdí, y deja en claro por qué esta es ciertamente una mala idea. Me acuerdo de la historia del proyecto Manhattan de dos físicos que juntan un par de piezas de uranio con lápices, sin saber cuál era la distancia crítica para causar una reacción (o algo así; realmente no conozco los detalles de ingeniería de fisión nuclear, o incluso si esa historia es cierta).
@KRyan, bueno, además de una metalurgia complicada para asegurarse de que la reacción se pueda controlar, realmente se reduce a la densidad del material fisionable, entre las piezas que pueden verse entre sí. Entonces, las barras de control proyectan sombras de neutrones que detienen la reacción de lo que de otro modo sería una pila de uranio en fisión. La historia dentro de Fat Man Little Boy sobre el accidente de criticidad es mayormente cierta como ejemplo. Hubo algunos otros, tal vez mirar hacia arriba haciendo cosquillas en la cola del dragón y el núcleo del demonio . Además, los reactores operativos YA SON "críticos", y alguna película de desastres se equivoca.
@KRyan, no fue un "arranque negro", pero la fusión del SL-1 fue causada por la activación manual de una barra de control.
@ Mark, sabía que alguien lo encontraría. Gracias.

Destruir desechos nucleares y material armamentístico.

La mayor razón actual de la vida real para mantener los reactores de fisión, después de que la fusión haya resuelto el problema de la disponibilidad de energía, es transmutar los desechos nucleares como el plutonio y el americio en elementos con vidas medias más cortas. Esto hace que el tema de los desechos nucleares sea un asunto mucho más breve, de 500 a 1000 años, en comparación con las sugerencias actuales .

Esto también nos permite tomar material de armas nucleares y convertirlo en algo útil , que es algo que ya hemos hecho .

Cuando lo piensa, una trituradora de papel es esencialmente la misma función. Normalmente, no necesariamente querrá convertir papel en perfectas condiciones en tiras diminutas. Pero cuando ese papel tiene información confidencial, sí, conviértalo en tiras pequeñas.
OTOH, se podría argumentar que en ciertas circunstancias, tener material de armas nucleares podría ser deseable. No solo en caso de ataque alienígena, tampoco. Digamos que necesita redirigir ese gran asteroide que acaba de descubrir en un curso de colisión con su planeta. Suponiendo que no pueda hacer explotar sus reactores de fusión, ¿qué otras alternativas existen?
@jamesqf Te dejaré descubrir la gran falacia en esa declaración por tu cuenta. Pista: como máximo, el mundo tenía más de 65.000 armas nucleares.
@jamesqf si la energía de fusión está tan ampliamente disponible, ¿por qué necesitaría bombas de fisión, cuando puede tener bombas de fusión?
@DoomedMind Una planta de energía de fusión no es lo mismo que un arma de fusión . También con una bomba de fusión usas una bomba de fisión para iniciar la fusión.
@MichaelK Sí, lo sé. Pero las bombas de fusión ya se pueden construir, las plantas de energía no, así que asumo que, para defenderse de un extraño, probablemente usaría el arma más poderosa, a menos que se necesiten pequeños golpes de precisión. En el tiempo necesario para llevar la energía de fusión hasta el OP, es concebible que pueda haber otro método para iniciar una bomba de fusión sin tener que recurrir a un arma de fisión.
@DoomedMind No es muy probable que no, porque lo que necesita para iniciar una detonación de fusión son temperaturas que solo se pueden lograr 1) en un reactor de fusión o 2) con una bomba nuclear. Ni siquiera el concepto de reactor de fusión nuclear más pequeño va por debajo de unos 5 por 5 por 5 metros. Al igual que hoy en día, donde la forma más sencilla y segura de iniciar una detonación es mediante el uso de otra explosión (cápsulas explosivas/cebadores), lo mismo ocurre con las bombas de fusión.
@Doomed Mind: No puedes, con la tecnología actual/previsible, tener una bomba de fusión sin un dispositivo de fisión para encender la fusión. A menos que la tecnología de fusión en la historia sea muy diferente a todo lo propuesto hasta la fecha, una planta de energía de fusión NO podría explotar: simplemente se calentaría un poco hasta que algo se derrita, y luego funcionaría completamente. Mis comentarios y respuesta asumen esto: si el OP quiere una fusión que funcione de manera diferente, entonces eso debe especificarse.
@MichaelK: Suponga que en un exceso de pacifismo y/o activismo antinuclear, la mayor parte o la totalidad del material fisionable fue destruido. Entonces descubres que realmente necesitas algo...
@jamesqf No, ¿por qué asumiría eso?
@jamesqf nunca he afirmado que las plantas de fusión exploten, ¿de dónde sacas eso?
@Doomed Mind: dices en un comentario anterior "... ¿por qué necesitarías bombas de fisión, cuando puedes tener bombas de fusión?" Salvo alguna tecnología futura no revelada basada en handwavium, las únicas formas de obtener una explosión de fusión serían hacer explotar su planta de fusión, o encender la reacción de fusión usando una explosión de fisión, como se hace con las bombas H existentes.
@MichaelK: ¿Propósitos de la historia?
@jamesqf No vi nada sobre la publicación original que necesita una respuesta que resulte en lo que acabas de decir.
@MichaelK: El OP quiere razones por las que habría reactores de fisión en un mundo donde los reactores de fusión producen energía, ¿no? Una razón es producir isótopos fisionables, si aún no tiene un suministro abundante y necesita algunos. Así que tiene que haber alguna razón (interna en la historia) para que una reserva como la que existe en nuestro mundo actual no exista en la historia, ¿no? La mejor razón que puedo pensar para que ese sea el caso es que la reserva fue destruida, por las razones que di. Historia, OIA :-)
@jamesqf Haga que esa sea su propia respuesta entonces, en lugar de hacerla como un comentario sobre una respuesta que enumera una razón completamente diferente.
@MichaelK: ¿Por qué querría interrumpir una buena discusión tomando material que es una respuesta y moviéndolo a otra parte?

Con la fusión aneurtónica como un lugar común, la fisión no tiene mucho sentido

La fisión es genial si necesitas materiales venenosos estúpidos (plutonio) o si quieres fabricar armas de fisión. La preferencia actual por el uranio en las plantas de energía nuclear sobre el torio se debe a que el uranio se convierte en un buen combustible para bombas. El torio no.

Los combustibles para la fisión son muy pesados. Los combustibles para la fusión son muy ligeros. Para obtener tasas de consumo de combustible muy altas en los materiales de fisión, se requiere un reprocesamiento para eliminar los venenos nucleares que evitan que se queme más combustible. Dado que, para empezar, los combustibles de fusión son gases o líquidos, el reprocesamiento suele ser completamente innecesario. Por lo tanto, la fusión no requiere el equipo de reprocesamiento excepcionalmente pesado que requiere la fisión.

Si bien no conocemos la composición de los combustibles de fisión pesados ​​alrededor del sistema solar, sabemos que el hidrógeno y el oxígeno están por todas partes.

Lectura adicional

La energía nuclear

Una razón muy probable que no he visto mencionada en otras respuestas son los problemas relacionados con el combustible fusible. El deuterio, el tritio y el helio 3 no son comunes en el sistema solar. En la Tierra, el deuterio generalmente solo se encuentra en el agua, y el tritio generalmente se produce a partir de reactores de fisión moderados con agua pesada. (Hay una buena razón para la fisión: ¡utilícela para fabricar el combustible para sus reactores de fusión!) El helio 3 existe en pequeñas cantidades en los pozos de helio natural de la Tierra, una concentración ligeramente mayor en la superficie lunar y una concentración aún mayor en las atmósferas del gigantes gaseosos. A menos que pueda extraerlo de una de estas fuentes a una tasa de producción bastante alta, el He3 realmente no será muy adecuado para su uso como combustible de fusión general y probablemente se reserve para aplicaciones que requieren su producción de energía excepcional.

El boro 11 va a ser la fuente de combustible más comúnmente disponible de las que enumeró, pero es posible que no esté presente o que no se extraiga fácilmente en algunos cuerpos planetarios pequeños como la Luna. Y, sinceramente, si su civilización es capaz de realizar una fusión neutrónica, el litio 7 sería un combustible más productivo y abundante.

Otra cosa a considerar es la longevidad. Aunque los reactores de fusión pueden producir enormes cantidades de energía, su combustible es de corta duración y deben alimentarse con regularidad. Compare eso con un reactor de fisión, que puede ser capaz de funcionar con la misma porción de material durante 20 a 40 años sin recargar combustible. Si una aplicación determinada requiere viajes largos o tiene que depender de fuentes externas para obtener combustible y suministros, un reactor de fisión reduciría su huella logística.

Un punto final: los ingenieros intentan encontrar la solución más simple y fácil para un problema dado (y puedo decir eso porque soy uno). Si su objetivo es alimentar algo pequeño, como un puesto de avanzada o una sonda espacial, es posible que los requisitos de energía no sean lo suficientemente altos como para justificar el uso de un reactor de fusión complejo, pesado y hambriento. Realmente solo necesitaría la fusión para aplicaciones a gran escala que consumen grandes cantidades de energía, donde la seguridad es crítica (suponiendo que las plantas de energía de fusión sean realmente más seguras que la fisión en este punto), o donde el combustible de fusión es abundante y fácil de recolectar. La energía de fisión o solar probablemente sería suficiente en casi todas las demás aplicaciones, y sus ingenieros preferirán la opción práctica más simple.

Algunos enlaces que brindan más detalles sobre los combustibles y procesos de fusión: https://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion https://en.wikipedia.org/wiki/Tritium#Deuterio https://en.wikipedia.org/ wiki/Deuterio https://en.wikipedia.org/wiki/Helio-3

Si hacemos un paralelo con nuestros días actuales, aunque tenemos muchos motores y herramientas eléctricas optimizadas, todavía hay lugares donde los humanos usan carbón o incluso estiércol de vaca como fuentes de energía.

Es muy posible que en algunos lugares remotos no se disponga de la tecnología para utilizar la fusión por razones económicas/logísticas (falta o abundancia de recursos, falta de personal calificado, voluntad política de no depender de un proveedor externo), y por lo tanto la mucho más simple, la fisión es la única forma de producir energía.

Si bien los reactores de fusión pueden ser baratos, es muy posible que el hidrógeno sea bastante caro. Considere vivir en un planeta sin atmósfera ni océanos. La mayor parte del hidrógeno en este planeta se encontraría como agua congelada, y como todo el mundo necesita agua, cualquier consumo no regenerativo (es decir, la fusión nuclear) podría evitarse (o simplemente ser demasiado caro).

Por supuesto, el envío de agua por barco es una posibilidad en este caso, pero puede ser que sea demasiado costoso y cree una dependencia peligrosa.

Para los planetas cercanos al sol, la energía solar aún podría ser preferida (sin reabastecimiento de combustible y muy económica, aunque de bajo costo, puede colocarse fácilmente fuera de la vista (en el espacio)).

+1 por sugerir que el elemento más común en el universo, con diferencia , podría ser "caro".
Excepto que la fusión no solar funciona con deuterio. Necesita refinar el agua ordinaria para obtenerla (el deuterio se produce en una proporción de 1/6000), por lo que el agua limpia es en realidad un subproducto de su refinería de deuterio. Y dado que enviar humanos es fácil, enviar agua también es fácil: ¡los humanos son 2/3 de agua!
El hidrógeno es el elemento más abundante en el sistema solar y ocupa un lugar destacado en la lista de todos los planetas. El uranio es realmente raro. A menos que esté planeando para millones de años, tener suficiente agua para beber significa mucho combustible de fusión. Con la fusión se puede obtener más energía del agua que del uranio enriquecido.
@MSalters, bolsas móviles de agua en su mayoría....

En la Tierra, está claro que no vale la pena tener fisión: demasiados desechos para cuidar. En el espacio, sin embargo, la fisión puede ser inevitable. Los reactores de fusión, ya sean tokamaks o stellarators, serán enormes, mucho más grandes que los reactores de fisión. Empujar toda esa masa hacia arriba de un pozo de gravedad es un dolor en el culo.

Claro, se puede evitar si solo compra el reactor en órbita, o en un cuerpo de baja gravedad como la Luna, pero es muy probable que no tengan la industria pesada con las capacidades para construir piezas tan especializadas. En cualquier caso, un reactor de fusión tiene una puesta en marcha muy costosa: hasta que la fusión empieza a ser autosostenible hay que depender de una fuente de energía externa muy potente para encender el reactor. En la Tierra eso no es un problema, ya que la red eléctrica seguramente puede proporcionar esta energía desde muchas fuentes y ubicaciones diferentes, pero en una nave espacial, o incluso en una colonia espacial, simplemente no puede encontrar la energía necesaria si el reactor de fusión falla y tiene que ser reiniciado. Reiniciar un reactor de fisión es simplemente colocar las barras de combustible en su lugar y esperar a que el agua se caliente lo suficiente.

" La energía de fusión se domina hasta el punto en que un reactor de fusión se puede almacenar en un camión " - no suena tan grande
@Bergi Cierto. He pasado por alto ese punto.

Siempre habrá una razón para usar una alternativa más barata

La ciencia puede brindar oportunidades, pero el universo está impulsado por la economía. Considere nuestra lenta adopción de la energía solar. En mi área, la empresa de energía eléctrica local ha estado aumentando las tarifas para los usuarios de energía solar casi exponencialmente porque están perdiendo dinero con la energía solar y el costo de la infraestructura (de la que aún dependen los usuarios de energía solar) sigue siendo el mismo. Consecuencia: mucha gente no usa energía solar.

La simple realidad es que la fisión (tecnología más baja) siempre será más barata que la fusión (tecnología más alta) y siempre habrá personas que, por las razones que sean, querrán ahorrar ese dinero proverbial. Muéstrenme un paisaje urbano resplandeciente avanzado, impulsado por la fusión, que haga babear a la gente del universo y les mostraré la misma ciudad a ocho cuadras de distancia donde se vende de todo, desde drogas hasta personas, y todo funcionará con fisión barata. reactores "no-pueden-encontrarme-a-traves-de-mi-factura-electrica".

La simple realidad es que los tubos de vacío (tecnología más baja) siempre serán más baratos que los chips de silicio (tecnología más alta). En realidad, la fusión utiliza abundante deuterio y la fisión se basa en el uranio. La fisión es costosa y peligrosa, la fusión podría no serlo, pero si lo es, el mundo funcionará con energía solar.
@DonaldHobson ¡Años después, un voto a favor me trae de vuelta! Desde una perspectiva tecnológica, tienes razón. De hecho, un colega mío opinó una vez que los productos valiosos suelen ser soluciones de alta tecnología para problemas de baja tecnología. Sin embargo, mi punto es que la economía no debe ser ignorada. La gente usa maquinillas de afeitar eléctricas por su conveniencia y sus capacidades, pero el mundo todavía vende millones de maquinillas de afeitar porque son baratas. Tenga en cuenta que estoy ignorando la razón más obvia por la que la economía por sí sola no funcionará: la burocracia y la regulación. ¿Por qué no utilizar la solución de fisión más barata? Porque el DEQ no te deja.

También es un caso de, genial, generamos tanta energía, qué vamos a hacer con ella. En segundo lugar, también es un problema de sostenibilidad, ya que las reservas de uranio son más de 10 veces superiores a las de los reactivos de fusión y, por lo tanto, la fisión es más factible en el futuro... al menos por ahora.

Una razón para usar la fisión no sería como combustible, sino como técnica de minería. Dado que la fisión puede atomizar rocas y piedras, podría ser útil para fines de minería o terraformación a gran escala planetaria donde la lluvia radiactiva no es importante o es tratable. Dado que utilizarían la fisión para este propósito, se seguiría que también la utilizarían para alimentar sus equipos para mantener los sistemas simples y eficientes.