Desde que comenzó la investigación de la fusión nuclear a mediados del siglo XX, los investigadores no han logrado demostrar una ganancia de energía positiva y una respuesta autosuficiente, una condición conocida como «encendido». Hoy, sin embargo, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California dicen que acaban de lograr esta increíble hazaña, logrando la ignición en un experimento de fusión controlada por primera vez en décadas de experimentación.

“Los experimentos en la Instalación Nacional de Ignición son un poco como encender una cerilla, en este experimento la cerilla seguía ardiendo. Este es un logro significativo después de 50 años de investigación en fusión láser”, dijo Robbie Scott, científico del grupo de física de plasma de la Instalación Láser Central (CLF) del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC), quien contribuyó a esta investigación.

“El experimento muestra claramente que la física de la fusión láser funciona. Queda mucho trabajo por hacer para convertir la producción de NIF en generación de electricidad, pero este es un paso importante en el camino”, continuó.

Desafíos en la fusión nuclear

Bajo la enorme gravedad y presión dentro de las estrellas, los núcleos atómicos se combinan para formar nuevos elementos, liberando enormes cantidades de energía en el proceso. Los científicos quieren utilizar este proceso a gran escala en la Tierra, ya que los efectos de una fuente de energía limpia casi ilimitada serían sin duda revolucionarios. El proceso no emite gases de efecto invernadero ni desechos nocivos, y su fuente de combustible, el deuterio, abunda en el agua de mar.

El problema: la fusión de dos núcleos requiere temperaturas increíbles de muchos millones de grados. En el interior del sol, la fusión de los átomos de hidrógeno para formar helio tiene lugar a unos 10 millones de grados centígrados. A estas temperaturas, la materia existe como plasma, uno de sus cuatro estados básicos, y consiste principalmente en partículas cargadas como iones y electrones.

Restaurar estas condiciones en la Tierra es un desafío, pero no imposible.

Científicos de todo el mundo están trabajando activamente en este campo y se han logrado grandes avances en los últimos años. Este año, se rompió un récord en fusión por confinamiento magnético cuando investigadores británicos generaron 59 megajulios (MJ) de energía durante cinco segundos, más del doble del récord anterior establecido en 1997. EAST) también estableció un récord mundial cuando su «sol artificial» alcanzó una temperatura de plasma de 120 millones de grados Celsius durante 101 segundos y 160 millones de grados Celsius durante 20 segundos.

Pero junto con las inestabilidades que se acumulan en los plasmas y detienen el proceso de fusión, se sabe que estas reacciones usan más energía de la que producen. Si bien estos avances recientes han sido importantes, el truco para la comercialización es hacer de la fusión un proceso continuo y autosuficiente que produzca más energía de la que se le dedica.

Un gran avance en la fusión láser

En una conferencia de prensa hoy, la Secretaria de Energía de EE. UU., Jennifer Granholm, y Jill Hruby, Subsecretaria de Seguridad Nuclear y Administradora de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA), anunciaron que los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore inyectaron 1,8 MJ de energía en un deuterio. -reacción de fusión de tritio y que posteriormente generó 2,5 MJ de energía, la primera ganancia neta jamás informada.

El reactor del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore utiliza un enfoque alternativo al conocido confinamiento magnético, en el que se generan plasmas y se suspenden magnéticamente en cámaras anulares llamadas tokamaks, donde los átomos se calientan a más de 100 millones de grados centígrados.

El equipo de Livermore, por otro lado, estudió la fusión por láser, un proceso fundamentalmente diferente del confinamiento magnético. La fusión láser utiliza el láser más grande del mundo (del tamaño de tres campos de fútbol) para comprimir deuterio y tritio, isótopos pesados ​​de hidrógeno, para simular las condiciones en el centro del Sol.

En el experimento actual, se usaron 192 láseres para golpear la pared interior de un pequeño cilindro, donde los rayos X generados convergen en una pastilla de combustible de hidrógeno/deuterio del tamaño de un grano de pimienta, calentándola a más de tres millones de grados centígrados y comprimiéndola a una densidad mayor que el centro del sol.

«Los láseres penetran los extremos de un cilindro de un centímetro, golpean sus paredes internas y lo hacen brillar como rayos X», dijo Justin Wark, profesor de física en la Universidad de Oxford y director del Centro de Ciencias de Alta Densidad de Energía de Oxford. , que no participó en el estudio . “Estos rayos X luego calientan una esfera en el centro que contiene el combustible nuclear. El exterior de la esfera se vaporiza y se convierte en un plasma que se dispara desde la superficie, creando un «cohete esférico» que implosiona y alcanza velocidades de 400 kilómetros por segundo en unas pocas mil millonésimas de segundo.

“El ‘crujido’ del centro resultante está diseñado para crear una chispa caliente en el centro, y la densidad del ‘combustible’ comprimido que rodea la chispa es tal que la reacción de fusión nuclear ocurre en aproximadamente una décima de milmillonésima de segundo, más rápido que la pequeña bola caliente puede volar en pedazos. Por lo tanto, está limitado por su propia inercia y, por lo tanto, este método de fusión se llama fusión inercial.

Todavía queda un largo camino por recorrer antes de la comercialización

«Si bien los resultados son un hito en una búsqueda científica que se ha estado desarrollando desde al menos la década de 1930, la relación entre la energía que entra en la reacción en Livermore y la energía extraída debe ser unas 100 veces mayor, para crear un proceso comercial. volúmenes de electricidad”, dijo un Reuters Fuente.

El equipo advierte que la comercialización está muy lejos, con importantes obstáculos científicos y tecnológicos pendientes. El experimento actual implicó encender una cápsula de combustible a la vez; Para que esto sea factible a gran escala, deben ocurrir muchos eventos de encendido por minuto con un sistema robusto de controladores.

«Se necesita más: primero, necesitamos extraer mucho más de lo que se pierde en la producción de la luz láser (aunque la tecnología para fabricar láseres eficientes también ha dado un salto adelante en los últimos años)», dijo Wark. «En segundo lugar, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore podría, en principio, proporcionar ese resultado aproximadamente una vez al día; una planta de energía de fusión nuclear tendría que hacerlo diez veces por segundo. Sin embargo, el hallazgo importante es que la investigación básica ahora se entiende claramente y esto debería estimular una mayor inversión”.

Por lo tanto, el equipo dice que pasarán varias décadas antes de que se pueda construir una planta. A estas alturas, la emoción que rodea a este hito es palpable.

“Este es un paso importante en un posible camino hacia la fusión nuclear comercial. Demuestra y sustenta nuestra comprensión fundamental de la física y es un triunfo técnico», comentó Robin Grimes, profesor de Física de Materiales en el Imperial College de Londres, que no participó en el estudio. «No hay duda de que el precio vale la pena. El éxito, sin importar lo que dure, sería transformador”.

Imagen: una imagen mejorada en color del interior de una estructura de soporte de preamplificador NIF. Crédito: Damien Jemison

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