Sistema de generación de potencia plasma-eléctrico.

Sistema de generación de potencia plasma-eléctrico que comprende

un reactor de fusión (410) que tiene un primer generador de campo magnético (425) para la creación de un campo magnético simétrico acimutalmente dentro de una zona central del reactor con un flujo (480) sustancialmente paralelo al eje principal del reactor,

caracterizado porque comprende además

un convertidor de energía de ciclotrón inverso (42) acoplado a un primer extremo del reactor de fusión, cuyo convertidor comprende

una primera serie de electrodos (494) que forman una superficie cilíndrica y la serie de electrodos comprende más de dos electrodos en separación entre sí para formar un intersticio que se extiende axialmente (497) entre electrodos adyacentes, en el que la serie de electrodos forman un campo eléctrico que tiene una estructura multipolar con más de dos polos,

un segundo generador de campo magnético (488) para crear un campo magnético simétrico acimutalmente dentro del espacio limitado por los tres o más electrodos con un flujo (496) sustancialmente paralelo al eje longitudinal de los tres o más electrodos.

un colector de electrones (490) que interpone el primer y segundo generadores magnéticos y adyacente a un primer extremo de los tres o más electrodos y

un colector de iones (492) dispuesto adyacente a un segundo extremo de los tres o más electrodos.

Sistema de generación de potencia plasma-eléctrico Ímbito a que pertenece la invención La presente invención se refiere en general al ámbito de la física del plasma, y, en particular, a los métodos y a los aparatos destinados al confinamiento del plasma a fin de permitir la fusión nuclear y convertir en electricidad la energía obtenida a partir de materiales de fusión.

Antecedentes de la invención

La fusión consiste en el proceso mediante el cual dos núcleos ligeros se combinan para formar un núcleo más pesado. El proceso de fusión libera una ingente cantidad de energía que se manifiesta en forma de partículas que se desplazan a gran velocidad. Debido a que la carga de los núcleos atómicos es positiva gracias a los protones que contienen, entre ellos se genera una fuerza electroestática de repulsión o Culombio. Para obtener la fusión de dos núcleos debe superarse esta barrera de repulsión, lo cual se produce cuando la distancia que separa dos núcleos se reduce en grado suficiente si la fuerza nuclear de baja intensidad aumenta su potencia y excede la fuerza Culombio produciendo la fusión del núcleo. La energía necesaria para que el núcleo supere la barrera Culombio proviene de su propia energía térmica, que debe ser muy elevada. Por ejemplo, el índice de fusión será apreciable cuando la temperatura sea como mínimo del orden de 104eV, lo cual corresponde aproximadamente a 100 millones de grados Kelvin. El índice de una reacción de fusión es una función de la temperatura, y se caracteriza por una cantidad que se denomina reactividad. La reactividad de una reacción D-T, por ejemplo, presenta el punto más elevado entre 30 keV y 100 keV.

Las reacciones de fusión habituales comprenden:

D + D -> He3 (0, 8 MeV) + n (2, 5 MeV) , D + T -> a (3, 6 MeV) + n (14, 1 MeV) , D + He3 -> a (3, 7 MeV) + p (14, 7 MeV) , y p + B11 -> 3a (8, 7 MeV)

donde D indica deuterio, T indica tritio, a indica un núcleo de helio, n indica un neutrón, p indica un protón, He indica helio, y B11 indica boro-11. Los números entre paréntesis de cada ecuación indican la energía cinética de los productos de la fusión.

Las dos primeras reacciones anteriormente mencionadas, las reacciones D-D y D-T, son neutrónicas, lo que significa que la mayor parte de la energía de sus materiales de fusión es transportada por neutrones rápidos. Las desventajas que presentan las reacciones neutrónicas son que (1) el flujo de neutrones rápidos genera muchos problemas, entre ellos daños estructurales que afectan a las paredes del reactor, y niveles elevados de radioactividad para la mayoría de los materiales empleados en la construcción del reactor; y (2) la energía de los neutrones rápidos se recoge convirtiendo su energía térmica en energía eléctrica, lo cual resulta muy ineficaz (menos del 30%) . Las ventajas que suponen las reacciones neutrónicas son que (1) el nivel máximo de reactividad se consigue mediante temperatura considerablemente bajas; y (2) las pérdidas debidas a la radiación son relativamente bajas, ya que el número atómico del deuterio y del tritio es 1 en ambos casos.

Los reactivos de las otras dos ecuaciones, D-He3 y p-B11, se denominan combustibles avanzados. El lugar de generar neutrones rápidos, como en las reacciones neutrónicas, sus materiales de fusión consisten en partículas con carga. Una ventaja de los combustibles avanzados es que la cantidad de neutrones que generan es mucho menor y, por tanto, presentan menos desventajas asociadas con ellos. En el caso de D-He3, mediante reacciones secundarias se produce cierta cantidad de neutrones rápidos, pero estos neutrones sólo suponen aproximadamente el 10% de la energía de los materiales de fusión. La reacción p-B11 carece de neutrones rápidos, a pesar de que produce algunos neutrones lentos como resultado de reacciones secundarias, pero la cantidad de problemas que genera es mucho menor. Otra ventaja de los combustibles avanzados es que sus materiales de fusión contienen partículas con carga cuya energía cinética se puede convertir directamente en electricidad. Mediante la aplicación directa del adecuado proceso de conversión de energía, la energía de los materiales de fusión de combustibles avanzados se puede captar con una gran eficacia, sobrepasando más del 90%.

Los combustibles avanzados también presentan desventajas. Por ejemplo, el número atómico de los combustibles avanzados es superior (2 para He3 y 5 para B11) . A pesar de ello, su pérdida de radiación es más elevada que en las reacciones neutrónicas. Además, la fusión de combustibles avanzados es más difícil de conseguir. El punto máximo de reactividad tiene lugar a una temperatura mucho más elevada que no es tan elevada como la reactividad de D-T. Por tanto, para provocar la reacción de fusión de combustibles avanzados y que su reactividad sea considerable se requiere que éstos alcancen un nivel de energía mucho más elevado. Por consiguiente, los combustibles avanzados deben confinarse durante un período más largo de tiempo en el que se someterán a las condiciones de fusión adecuadas.

El tiempo de confinamiento del plasma es Lt = r2/D, siendo r la dimensión mínima de un plasma y D el coeficiente de difusión. El valor habitual del coeficiente de difusión es Dc = a2i/tie, siendo ai el radio giromagnético del ión y tie el tiempo de colisión ión-electrón. La difusión según el coeficiente normal de difusión se denomina transporte. El coeficiente de difusión Bohm, atribuido a inestabilidades de onda corta, es Db = (1/16) a2i Oi, siendo Oi la frecuencia ciclotrónica del ión. La difusión según esta relación se denomina transporte anómalo. Para las condiciones de fusión Db/Dc = (1/16) Oi tie = 103, el transporte anómalo produce un tiempo de confinamiento mucho más reducido que el obtenido mediante transporte clásico. Esta relación determina la dimensión que deberá tener el plasma en un reactor de fusión, con la condición de que el tiempo de confinamiento para una cantidad de plasma determinada debe ser mayor que el tiempo requerido por el plasma para alcanzar una reacción de fusión nuclear. Por consiguiente, la condición de transporte clásico es más deseable en un reactor de fusión, ya que permite plasmas iniciales de menores dimensiones.

Durante la experimentación temprana sobre confinamiento toroidal de plasma, se observó un tiempo de confinamiento de Lt = r2/Db. El progreso obtenido durante los últimos 40 años ha permitido aumentar el tiempo de confinamiento a Lt = 1000 r2/Db. El concepto actual de reactor de fusión es el Tokamak. La figura 5 muestra el campo magnético de un Tokamak 68 y la órbita propia de una partícula 66. Durante los últimos 30 años, los trabajos de fusión se han concentrado en un reactor Tokamak en el que se emplea combustible D-T. Estos trabajos han culminado en la creación del Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER) , representado en la figura 7. La reciente experimentación con Tokamaks ha demostrado que es posible el transporte clásico, Lt = r2/Dc, en cuyo caso la dimensión mínima de plasma se puede reducir de metros a centímetros. Estos experimentos comprenden la inyección de haces de energía (de 50 a 100 keV) , que calientan el plasma a temperaturas de 10 a 30 keV. Véase W. Heidbrink y G.J. Sadler, 34 Fusión Nuclear 535 (1994) . En estos experimentos se observó que los iones del haz de energía reducían su velocidad y se difundían con normalidad mientras que el plasma térmico continuaba difundiéndose a una velocidad anormalmente rápida. La razón consiste en que los iones del haz de energía poseen un radio giromagnético de grandes dimensiones y, por tanto, son insensibles a la fluctuación de las longitudes de onda inferiores al radio giromagnético del ión (A < ai) . Las fluctuaciones de onda corta tienen tendencia a la compensación durante un ciclo y, por tanto, se anulan. Los electrones, no obstante, tienen un radio giromagnético mucho más reducido y, por consiguiente, responden de manera anómala a las fluctuaciones y al transporte.

Debido al transporte anómalo, la dimensión mínima de plasma no puede ser menor de 2, 8 metros. En consecuencia, el ITER que se construyó medía 30 metros de altura y su diámetro era de 30 metros. Este tipo de reactor D-T Tokamak es el más reducido que se puede fabricar. Para combustibles avanzados, como el D-He3 y el p-B11, el reactor tipo Tokamak debe ser mucho mayor, ya que el tiempo que precisa un ión de combustible para producir una reacción nuclear es más prolongado. Un reactor Tokamak que utilice combustible D-T presenta, además,... [Seguir leyendo]

1. Sistema de generación de potencia plasma-eléctrico que comprende un reactor de fusión (410) que tiene un primer generador de campo magnético (425) para la creación de un campo magnético simétrico acimutalmente dentro de una zona central del reactor con un flujo (480) sustancialmente paralelo al eje principal del reactor, caracterizado porque comprende además un convertidor de energía de ciclotrón inverso (42) acoplado a un primer extremo del reactor de fusión, cuyo convertidor comprende una primera serie de electrodos (494) que forman una superficie cilíndrica y la serie de electrodos comprende más de dos electrodos en separación entre sí para formar un intersticio que se extiende axialmente (497) entre electrodos adyacentes, en el que la serie de electrodos forman un campo eléctrico que tiene una estructura multipolar con más de dos polos, un segundo generador de campo magnético (488) para crear un campo magnético simétrico acimutalmente dentro del espacio limitado por los tres o más electrodos con un flujo (496) sustancialmente paralelo al eje longitudinal de los tres o más electrodos.

un colector de electrones (490) que interpone el primer y segundo generadores magnéticos y adyacente a un primer extremo de los tres o más electrodos y un colector de iones (492) dispuesto adyacente a un segundo extremo de los tres o más electrodos.

2. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el reactor de fusión comprende una cámara (305) que tiene un eje principal (315) , una bobina de flujo (320) concéntrica con el eje principal de la cámara para crear un campo eléctrico acimutal dentro

de la cámara.

3. Sistema, según la reivindicación 2, que comprende además

una segunda serie de electrodos que forman una superficie cilíndrica en una segunda zona extrema de la cámara, de manera que la segunda serie de electrodos comprende más de dos electrodos en disposición separada para formar un intersticio alargado que se extiende axialmente entre electrodos adyacentes.

un tercer generador de campo magnético para crear un campo magnético simétrico acimutalmente dentro de la segunda zona extrema de la segunda cámara con un flujo sustancialmente paralelo al eje principal de la cámara, un segundo colector de electrones que interpone el primer y tercer generadores de campo magnético y adyacente a un primer extremo de la segunda serie de electrodos, y un segundo colector de iones dispuesto adyacente a un segundo extremo de la segunda serie de electrodos.

4. Sistema, según la reivindicación1, que comprende además un segundo convertidor de energía de ciclotrón inverso acoplado a un segundo extremo del reactor de fusión.

5. Sistema, según la reivindicación 1, que comprende además una cámara cilíndrica (305) .

6. Sistema, según la reivindicación 5, en el que el reactor de fusión comprende además una bobina de flujo (320) concéntrica con un eje principal (315) de la cámara y dispuesta dentro de una región de núcleo de potencia (436) .

7. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, que comprende además un circuito resonante acoplado a los electrodos.

8. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, que comprende además un circuito tanque acoplado a los electrodos.

9. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el colector de electrones está conformado anularmente.

10. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 5, en el que el primer y segundo generadores de campo magnético comprenden bobinas de campo anulares dispuestas alrededor de la cámara, de manera que las líneas de campo del campo magnético generado por las bobinas de campo del primer generador de campo magnético discurren en dirección opuesta a las líneas de campo del campo magnético generado por las bobinas de campo del segundo generador de campo magnético.

11. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el colector de electrones y el colector de iones están acoplados eléctricamente.

12. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que los electrodos son simétricos.

13. Sistema, según la reivindicación 10, en el que el primer generador de campo magnético comprende además un primer y un segundo juegos de bobinas de espejo (330) dispuestas en separación alrededor de la cámara y que definen una región de núcleo de potencia (436) en disposición intermedia.

14. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 5, que comprende además inyectores de plasma (345) acoplados a la cámara.

15. Sistema, según la reivindicación 14, en el que los inyectores de plasma están orientados axialmente para inyectar plasma hacia un plano medio de la cámara.

16. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el primer generador de campo magnético es ajustable.

17. Sistema, según la reivindicación 16, que comprende además un sistema de control acoplado al primer generador de campo magnético.

18. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 6, en el que la bobina de flujo es una bobina de flujo de betatrón.

19. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 6, en el que la bobina de flujo comprende arrollamientos paralelos de una serie de bobinas separadas.

20. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 5, que comprende además inyectores (340) de haces de iones acoplados a la cámara.

21. Sistema, según la reivindicación 20, en el que los inyectores de iones comprenden medios para neutralizar la carga eléctrica de los haces de iones emitidos desde los inyectores.