¿Podríamos usar colisionadores de partículas como generadores de fusión?

Un problema sutil que parece pasar por alto es que la sección transversal protón-protón es muy pequeña, alrededor de 0,07 graneros (un granero es$10^{-28}$metros cuadrados) a las energías del LHC y no dramáticamente diferente a sus "energías de fusión" más bajas. Significa que en el LHC, al igual que en la máquina de tus sueños, la mayoría de los protones simplemente no golpean a sus compañeros. En realidad, no es posible enfocar los haces de protones con precisión arbitraria, por varias razones (el principio de incertidumbre es el efecto verdaderamente inevitable: usted localiza los haces en la dirección transversal, en un "tubo delgado", o especifica que la velocidad en esta dirección transversal es cero, lo cual es necesario si desea conservar la ubicación "en la tubería delgada" en el futuro, pero no puede hacer ambas cosas al mismo tiempo). Si fuera posible, el LHC estaría entre los primeros que utilizarían el método, para aumentar la luminosidad.

Entonces, si aceleras dos haces de protones uno contra el otro, la abrumadora mayoría de ellos simplemente continuará con su movimiento original. (Los protones en el LHC tienen que orbitar durante media hora más o menos, decenas de millones de revoluciones, antes de que la mitad de ellos choque o desaparezca). Cuesta algo de energía acelerar los protones a estas energías y desea que esta energía ser devuelto de la fusión, con alguna bonificación. Pero la fusión solo te devuelve la energía de los protones que chocaron (algunos de ellos podrían crear helio a tus energías, pero siempre habrá probabilidades distintas de cero de otros estados finales; no es un sistema determinista que siempre produce el mismo estado final para un determinado estado inicial; la mecánica cuántica dice que los resultados son aleatorios), que es una pequeña porción de los protones. Entonces perderá la mayor parte de la energía que invirtió para la aceleración. Tenga en cuenta que el LHC consume tanta energía como los hogares de Ginebra combinados y solo produce colisiones de protones cuya energía es menor que un julio por par.

Para aumentar la fracción de protones que golpean a sus compañeros, debe enviarlos al curso de colisión repetidamente, como en el LHC, pero luego debe bombear energía adicional a los protones que pierden por la radiación de sincrotrón (que es siempre distinto de cero si el vector de aceleración es distinto de cero, por ejemplo, para todas las trayectorias circulares). O necesitará aumentar drásticamente la densidad de los haces.

Pero si hay muchos protones en el haz, se repelerán eléctricamente entre sí y tampoco podrás enfocarlos para las colisiones. Entonces, lo que debe hacer es neutralizar eléctricamente el haz de protones de alta densidad y luego no tiene nada más que el plasma y enfrenta los problemas habituales de tokamak sobre cómo estabilizarlo. Tenga en cuenta que los electrones responden de manera totalmente diferente a los campos electromagnéticos externos que los protones. El LHC utiliza campos eléctricos y magnéticos para acelerar los protones, pero para mantener el plasma neutral, debe evitar los campos eléctricos.

Los Tokamaks solo funcionan con campos magnéticos. Queda por ver si alguna vez funcionarán completamente y serán factibles, pero la ausencia de campos eléctricos implica que no tienen mucho en común con los aceleradores de partículas.

En realidad, esto se ha hecho, pero no es sostenible. Wikipedia tiene una breve explicación:

La fusión de iones ligeros basada en aceleradores es una técnica que utiliza aceleradores de partículas para lograr energías cinéticas de partículas suficientes para inducir reacciones de fusión de iones ligeros. Acelerar iones ligeros es relativamente fácil y se puede hacer de manera eficiente: todo lo que se necesita es un tubo de vacío, un par de electrodos y un transformador de alto voltaje; la fusión se puede observar con tan solo 10 kV entre electrodos. El problema clave con la fusión basada en aceleradores (y con objetivos fríos en general) es que las secciones transversales de fusión son muchos órdenes de magnitud más bajas que las secciones transversales de interacción de Coulomb. Por lo tanto, la gran mayoría de los iones terminan gastando su energía en bremsstrahlung e ionización de los átomos del objetivo.

Básicamente, un acelerador de partículas proporciona muchas formas para que las partículas aceleradas pierdan energía que no están relacionadas con la colisión real.

Tomemos el LHC como ejemplo. Consume más de 200 MW de electricidad y genera hasta 600 millones de colisiones por segundo . Si las partículas aceleradas fueran núcleos de deuterio y tritio, cada evento de fusión liberaría alrededor de 17 MeV de energía. Entonces, si de alguna manera cada una de esas 600 millones de colisiones por segundo fuera un evento de fusión DT exitoso, la potencia total generada a través de la fusión sería

para una eficiencia de 0.0000001%. Eso no es muy bueno en absoluto. Un reactor de fusión nuclear sostenida debe tener una eficiencia superior al 100%.

Por supuesto, la mayor parte de la energía consumida por el LHC se dedica a dar energía cinética a los protones o iones, que no es necesaria para la fusión. Si resta los 8 TeV de energía por protón, eso podría aumentar la eficiencia en un factor de alrededor de un millón (teniendo en cuenta que todavía hay muchas razones por las que lo que estoy hablando es imposible), pero aún así sólo rondará el 0,1%.

El problema es que la densidad de potencia de la fusión está en el rango de 10^20 vatios por kilogramo. Para lograr esto se requiere un campo magnético de > 12 tesala para comprimir el plasma y aumentar la tasa de fusión hasta una reacción autosostenida.

Este es el objetivo del proyecto de fusión ITER. Para lograr esto, se está desarrollando un nuevo tubo de vacío de potencia para conducir las corrientes hacia los imanes superconductores.

La densidad de potencia del controlador de fusión I debe ser mayor fusión. Muchos esquemas fallan al intentar poner en paralelo varios dispositivos de baja densidad de potencia. Este era el problema con el sistema láser NIF: el 'ruido' aumenta más rápido que la potencia.

El Sol usa la gravedad para comprimir el plasma en las estrellas; por supuesto, se usa un dispositivo de fisión para comprimir la fusión en una bomba H; que tiene una densidad de potencia mucho mayor que la fusión.

Una reacción de fusión típica libera aproximadamente$10~$MeV de energía, por lo tanto para obtener una potencia (térmica) moderada de$1~$GW necesitamos sobre$6\times10^{20}$reacciones por segundo. El número de partículas requeridas en cada uno de los dos haces será un orden de magnitud mayor ya que lograremos fusionar solo una fracción de ellas, digamos$1/100$. Suponiendo que estas partículas tienen una carga de$1~e$, obtenemos una corriente de haz promedio de $10~$kA.

No tenemos ni idea de cómo proporcionar eso.

Para darle una idea, que yo sepa, un inyector de protones nunca superó$100~$mamá. Estamos a varios órdenes de magnitud de distancia incluso de un simple concepto.