Proceso de fusión nuclear controlada.

Comprende un proceso de fusión nuclear controlada de átomos de deuterio que tiene lugar en el interior de una cámara de combustión,

tras Ia combustión de un combustible gaseoso que comprende átomos de deuterio en presencia de un gas de oxidación y un catalizador gaseoso, bajo presión positiva. También comprende un reactor de fusión nuclear controlada para llevar a cabo el proceso descrito, así como el motor de combustión interna que comprende el reactor de fusión nuclear controlada y un vehículo a motor que comprende dicho motor de combustión interna.

Proceso de fusión nuclear controlada Esta invención se refiere al campo de la energía, más específicamente a procedimientos para la generación de energía a partir de reacciones de fusión nuclear controlada.

ESTADO DE LA TÉCNICA

En física, la fusión nuclear es el proceso de fusionar dos núcleos atómicos para formar uno de mayor peso atómico, con la correspondiente liberación de energía. El nuevo núcleo tiene una masa inferior a la suma de las masas de los dos núcleos que se han fusionado para formarlo. Esta diferencia de masa es liberada en forma de energía. La energía que se libera varía en función de los núcleos que se unen y del producto de la reacción. La cantidad de energía liberada corresponde a la fórmula E = mc² en la que m es la diferencia de masa observada en el sistema entre antes y después de la fusión.

Los núcleos atómicos tienden a repelerse debido a que están cargados positivamente. Esto hace que la fusión solo pueda darse en condiciones de temperatura y presión muy elevadas que permitan compensar la fuerza de repulsión. La temperatura elevada hace que aumente la agitación térmica de los núcleos y esto los puede llevar a fusionarse, debido al efecto túnel. Para que esto ocurra son necesarias temperaturas del orden de millones de grados. El mismo efecto se puede producir si la presión sobre los núcleos es muy grande, obligándolos a estar muy próximos.

Al contrario que la fisión nuclear, no se ha logrado utilizar la fusión nuclear como medio rentable de obtener energía, es decir la energía aplicada al proceso es mayor que la obtenida por la fusión, aunque hay numerosas investigaciones en esa dirección.

Se conocen tres isótopos del hidrógeno: hidrógeno, deuterio y tritio. El núcleo de cada átomo de hidrógeno ordinario se compone de un protón. En el agua natural, el deuterio (D) , tiene una abundancia natural comprendida entre 0, 0184 y el 0, 0082%, aproximadamente corresponde a uno por cada 6500 átomos de hidrógeno, y contiene un protón y un neutrón en el núcleo, siendo su masa atómica de dos. Cuando el isótopo pierde su electrón el ión resultante recibe el nombre de deuterón. El tritio (T) , un isótopo radioactivo inestable, contiene un protón y dos neutrones en el núcleo y tiene una masa atómica de tres.

A temperaturas ordinarias el hidrógeno es poco reactivo. No reacciona con el oxígeno a bajas temperaturas, pero lo hace de forma violenta si se eleva la temperatura por encima de 700 º C o se introduce algún catalizador como paladio o platino finamente dividido, obteniéndose agua como producto de la reacción.

Para conseguir la disociación del hidrógeno molecular en hidrógeno atómico se necesita proporcionar una temperatura muy elevada, absorbiéndose una gran cantidad de energía, pero la reacción es reversible y los átomos de hidrógeno se combinan de nuevo para dar moléculas desprendiéndose la energía previamente absorbida.

En 1989, Pons y Fleishman publicaron los resultados de sus experimentos sobre fusión de átomos de deuterio en condiciones moderadas de temperatura y presión, utilizando un catalizador de paladio en la electrólisis de agua pesada. Muchos investigadores han intentado reproducir dichos experimentos, e incluso se ha intentado optimizar el proceso, aunque siempre manteniendo como catalizador del proceso de fusión un compuesto metálico en estado sólido.

En el libro "Project Sherwood - The US program in controlled fusion", Amasa S. Bishop 1958. Ed. Addison-Wesley Pub.; se indica que para que un proceso de fusión sea útil ha de ser auto-sustentable. Así, para que una reacción de fusión nuclear sea auto-sustentable, la energía liberada debe ser suficiente para mantener la temperatura requerida, de modo que la energía generada debe ser mayor que la energía irradiada. Por lo tanto, por encima de cierta temperatura crítica, temperatura de ignición, la reacción será auto-sustentable. En el caso de la reacción de fusión D-D, dicha temperatura de ignición es de aproximadamente 400.000.000 º C.

La presencia en el plasma de cualquier núcleo pesado aumentará enormemente la proporción de energía irradiada y por lo tanto aumentará la temperatura de ignición. Lo cual se traduce en la necesidad de trabajar con plasma de alta pureza.

La fusión nuclear controlada tal y como se conoce actualmente, se basa en la propiedad que ciertos metales tienen, en particular paladio y titanio, de ser capaces de absorber grandes volúmenes de hidrógeno y de sus isótopos. En particular, las reacciones de fusión nuclear de átomos de deuterio ocurren cuando éstos están confinados en las celdas cristalinas de dichos metales, resultando en la formación de helio (He) más un neutrón y la liberación de energía, de acuerdo con la siguiente reacción:

D21 + D21 -> He32 + n10 + 3, 27 MeV

Como alternativa, los átomos de deuterio se pueden fusionar para dar un átomo de tritio más hidrógeno con la correspondiente liberación de energía:

D21 + D21 -> T31 + H11+ 4, 03 MeV

El tritio formado se puede fusionar a su vez con deuterio, con la formación de helio más un neutrón y con liberación de energía:

D21 + T31 -> He42 + n10 + 17, 50 MeV

El documento DE 19845223 describe un proceso de fusión nuclear que se realiza en un motor o una turbina que consiste en la inyección de deuterio en presencia de xenón-helio como catalizador y su posterior ionización. En esta solicitud no se describe nada en absoluto acerca de la posibilidad de emplear otro tipo de catalizadores. Además, una característica importante del proceso descrito es que esto no viene precedido por una combustión, ni por la generación de un plasma.

El documento DE 4 229 688 describe un procedimiento de fusión nuclear controlada de átomos de deuterio en presencia de xenón como único catalizador.

En la Solicitud de Patente Estadounidense US 2004028166 se describe un aparato para la introducción de un catalizador gaseoso, concretamente metano, en la cámara de reacción de un proceso de fusión nuclear. En este caso, el proceso de fusión nuclear referido no es un proceso de fusión a baja temperatura (fusión controlada) sino que, tal y como se establece en la memoria descriptiva, página 1 párrafo [0004], el proceso de fusión nuclear al que hace referencia dicha solicitud de patente es la fusión nuclear a altas temperaturas, o reacciones de fusión nuclear en caliente.

El documento ES 482832 describe un proceso de combustión de hidrógeno gaseoso, el cual ha sido previamente ionizado mediante irradiación electromagnética.

Así pues, existe todavía la necesidad de un proceso de fusión nuclear controlada de átomos de deuterio, para la generación de energía de manera estable y económica.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Los inventores, de manera sorprendente, han descubierto que es posible realizar un proceso de fusión nuclear controlada de átomos de deuterio en el interior de una cámara de combustión, que comprende la combustión de un combustible gaseoso que comprende átomos de deuterio en presencia de un gas de oxidación y un catalizador gaseoso, a una presión positiva de al menos 10, 13 bares (10 atmósferas) . Como alternativa, el proceso de fusión nuclear controlada comprende la generación de un plasma de un combustible gaseoso que comprende átomos de deuterio en presencia de un catalizador gaseoso, en el interior de un reactor a una presión de al menos 0, 1 milibares.

De acuerdo con la presente invención, la expresión "fusión nuclear controlada" hace referencia al proceso de fusión nuclear que tiene lugar a temperaturas por debajo de aquellas que son necesarias para que el proceso de fusión termonuclear tenga lugar. En particular, de acuerdo con una realización de la presente invención, la temperatura a la que tiene lugar la fusión nuclear controlada es la resultante del proceso de combustión del combustible gaseoso bajo las condiciones de presión indicadas.

En el contexto de la presente invención, el término "combustible" se refiere a cualquier material capaz de liberar energía cuando se cambia o transforma su estructura química. De este modo, no queda limitado únicamente a sustancias que al quemarse (reaccionando con oxígeno) liberen energía, sino que también se entiende que también son combustibles, por ejemplo, el hidrógeno y sus isótopos cuando se utilizan para proporcionar energía... [Seguir leyendo]

1. Proceso para la producción de energía mediante la fusión nuclear controlada de átomos de deuterio, que comprende la combustión en presencia de un gas de oxidación y a una presión de al menos 10, 13 bares o la generación de un plasma a una presión de al menos 0, 1 milibares de un combustible gaseoso que comprende átomos de deuterio, a temperaturas por debajo de las necesarias para un proceso de fusión termonuclear, realizándose el proceso en presencia de un catalizador gaseoso que es una fuente de: carbono, cloro, nitrógeno, azufre, fósforo, oxígeno, argón, un isótopo de los mismos o mezcla de los mismos.

2. El proceso según la reivindicación 1, en el que el proceso de fusión nuclear comprende la combustión

bajo presión positiva de al menos 10, 13 bares, de: a) un combustible gaseoso que comprende átomos de deuterio; y b) un gas de oxidación;

en presencia de un catalizador gaseoso que es una fuente de: carbono, cloro, nitrógeno, azufre, fósforo, oxígeno o mezcla de ellos.

3. El proceso según la reivindicación 1, en el que el proceso de fusión nuclear comprende la generación de un plasma de un combustible gaseoso que comprende átomos de deuterio, en presencia de un catalizador gaseoso que es una fuente de: carbono, cloro, nitrógeno, azufre, fósforo, oxígeno, argón o mezcla de ellos; en el interior de un reactor a una presión de al menos 0, 1 milibares.

4. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho combustible gaseoso se selecciona entre deuterio y una mezcla de H2 y deuterio.

5. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el catalizador gaseoso se selecciona entre el grupo formado por Cl2, COCl2, Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7, CO, CO2, CCl4, N2, NO, NO2, N2O, HNO2, HNO3, SO3, SO2, argón y mezclas de los mismos.

6. El proceso según la reivindicación 5, caracterizado porque el catalizador se selecciona entre el grupo formado por COCl2, CCl4, HNO2, HNO3, NO, Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7, y mezclas de los mismos.

7. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la fuente de carbono es un isótopo de peso atómico comprendido entre 9 y 14.

8. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el combustible gaseoso se encuentra en estado atómico ionizado.

9. El proceso según la reivindicación 8, caracterizado porque el combustible gaseoso se ioniza antes de su introducción en la cámara de combustión o durante el proceso de combustión.

10. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende adicionalmente una etapa previa de ruptura de una molécula de agua para producir el hidrógeno que se usa como combustible gaseoso.

11. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el catalizador gaseoso está presente entre el 0, 05% y el 1% con respecto al total de la mezcla de combustión.

12. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque se aplica una presión positiva de entre 10, 13 y 151, 99 bares en la cámara de combustión antes de iniciar dicha combustión.