Investigadores en los Estados Unidos finalmente lograron un objetivo que se fijó hace décadas: lograr la ‘ignición’, obtener más energía de la que pones, utilizando la fusión nuclear.

Los científicos de Laboratorio Nacional Lawrence LivermoreLa Instalación Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés), donde se llevó a cabo el experimento, está sin duda emocionada y aliviada de finalmente cumplir la promesa implícita en el nombre de su instalación. Pero, ¿qué tan emocionados deberíamos estar los demás? ¿Qué significa esto realmente para la capacidad de crear eficientemente cantidades ilimitadas de energía limpia y qué más se necesita para llegar allí?

Aunque las reacciones de fusión liberaron más energía que se inyectó en el objetivo, esto no tiene en cuenta las cantidades mucho mayores de energía necesarias para activar el láser utilizado para impulsar el experimento. Además, el estallido de energía no fue en forma de electricidad, sino un pulso de partículas energéticas. Aprovechar estas partículas para generar electricidad y mantener un reactor de fusión en funcionamiento constante requerirá superar muchos obstáculos.

No obstante, el encendido es un logro notable, que promete estimular el interés y quizás también recaudar fondos para enfrentar estos nuevos desafíos.

Cómo funcionó y qué logró

Echemos un vistazo a los detalles de lo que se ha logrado exactamente. Los investigadores utilizaron un láser de alta potencia para enviar 2,05 millones de julios de energía a un diminuto objetivo que contenía combustible de fusión. Esto obligó a los núcleos atómicos ligeros del combustible a crear núcleos más pesados. liberando 3,15 millones de julios de energía En el proceso.

Esto corresponde a una ganancia de aproximadamente 1,5 (2,05 x 1,5 = 3,1). Fue un estallido de energía tan intenso que, durante una fracción de segundo, la quema del combustible de fusión produjo diez mil veces más energía que la producción combinada de todas las centrales eléctricas de la Tierra.

Es una gran ciencia. El edificio NIF incluye no uno, sino 192 rayos láser individuales, que rebotan en una distancia de más de un kilómetro antes de dar en el blanco. El edificio que alberga toda esta tecnología tiene 10 pisos de altura y el tamaño de tres campos de fútbol (americano) uno al lado del otro.

La investigación en fusión gira en torno a dos ejes principales: fusión láser y fusión por confinamiento magnético. El confinamiento magnético consiste en hacer levitar el combustible de fusión en forma de plasma (gas cargado) mediante un fuerte campo magnético. Más bien, la fusión láser implica la implosión de diminutas cápsulas de combustible de fusión a densidades increíblemente altas, momento en el cual la combustión procederá tan rápidamente que se puede liberar una cantidad significativa de energía antes de que el combustible haya tenido la oportunidad de volar.

En cualquier caso, el combustible debe llevarse a temperaturas de decenas de millones de grados centígrados para comenzar a arder. Es este requisito, más que cualquier otro, lo que hace que la fusión sea tan difícil de lograr.

La fusión láser aún plantea grandes desafíos

La fusión láser es una tecnología pulsada, y un gran obstáculo es la llamada tasa de repetición del láser. La energía se libera en ráfagas intensas que duran mucho menos de una milmillonésima de segundo, que deben repetirse varias veces por segundo para producir una potencia de salida promedio comparable a las centrales eléctricas modernas de combustibles fósiles.

El láser NIF según estos estándares es demasiado lento. Solo se puede disparar dos veces al día. Pero el objetivo de la NIF era demostrar que la ignición es posible de una sola vez, no imitar los requisitos de una planta de energía real.

Otra razón por la que la ignición tomó tanto tiempo es que no es la única misión del NIF: también apoya el programa de armas nucleares de EE. UU.

La física de la fusión láser es tan compleja y multifacética que las simulaciones por computadora a menudo toman más tiempo que los experimentos reales. Al principio, los modeladores solían aprender de los experimentos en lugar de decirles a los experimentadores qué hacer a continuación. A aumentar la proximidad entre la predicción del modelo y los resultados experimentales ha sustentado el éxito reciente de NIF y es un buen augurio para futuras mejoras en el diseño de objetivos.

En los próximos meses, los modeladores y experimentadores tendrán que demostrar que el resultado se puede reproducir, volver a lograr, lo que ha resultado difícil en el pasado.

También hay una serie de otros desafíos que superar. Se ha realizado un trabajo considerable en diseñar y fabricar láseres que puede desencadenar pulsos de alta energía varias veces por segundo.

Otra limitación importante es que el láser NIF requiere 300 millones de julios de entrada eléctrica para generar 2 millones de julios de salida de luz láser, menos del 1 % de eficiencia. Por lo tanto, el objetivo tendría que producir una ganancia inviable para producir más energía que la utilizada para alimentar el láser utilizado en este caso.

Sin embargo, el láser NIF se basa en tecnologías que datan de la década de 1980. Utiliza lámparas de destello y amplificadores hechos de placas de vidrio dopadas con neodimio, un elemento de tierras raras.

Láseres modernos de alta potencia que utilizan tecnología de semiconductores puede hacerlo mucho mejor, alcanzando alrededor del 20% de eficiencia. Dado que los objetivos de fusión impulsados ​​por láser deberían poder producir ganancias superiores a 100 cuando funcionan de manera óptima, el uso de láseres modernos produciría una producción de energía neta significativa.

La construcción de un reactor en funcionamiento aún está muy lejos

Otro desafío para la fusión láser es reducir el costo de los objetivos. La mano de obra que implica la consecución de los objetivos del NIF hace que cada uno cueste lo mismo que un coche nuevo.

Se necesita un nuevo objetivo cada vez que se dispara el láser. Para la generación de energía real, eso significaría varias veces por segundo. Los objetivos utilizados en NIF también se basan en una técnica conocida como accionamiento indirecto en el que el objetivo primero convierte la energía del láser en rayos X que luego implosionan la cápsula de combustible de fusión dentro del objetivo. Esto agrega complejidad y costo.

Muchos científicos creen que el camino a seguir para la energía de fusión láser implicaría encendido directo. Aquí, el láser ilumina directamente una cápsula de combustible esférica simple. Sin embargo, aún no se ha demostrado este enfoque de la ignición.

El combustible NIF (deuterio y tritio) cede gran parte de su energía en forma de neutrones de alta energía (partículas que forman el núcleo atómico junto con los protones). Los neutrones interactúan con los materiales en la vasija del reactor, cambiando su composición y estructura microscópica.

Esto podría plantear serios desafíos para los componentes ópticos que necesitan transmitir o reflejar la luz láser de manera eficiente. Algunos científicos planean realizar física similar por medios alternativostal vez usando energía eléctrica pulsada directamente o haces enfocados de iones (átomos cargados).

Investigación de fusión por confinamiento magnético liderando el camino en muchas áreas relacionadas con la construcción de un reactor de potencia. Tuvo que abordar muchos de los mismos problemas para diseñar y construir la instalación ITER, que también tiene como objetivo generar ganancias y está a punto de completarse en el sur de Francia. Científicos e ingenieros de las dos áreas de investigación colaboran en aspectos relacionados con la construcción de reactores comunes a ambos campos.

La energía de fusión ha parecido, durante décadas, un premio que permanece para siempre fuera de su alcance. Aunque quedan desafíos importantes, ya que los investigadores trabajan activamente para mejorar la tecnología láser y el diseño del reactor, los avances inevitablemente conducirán a un mayor progreso hacia las plantas de energía de fusión nuclear. Algunos investigadores de la fusión ahora sienten que podrían ver la fusión alimentando la red en sus propias vidas.

John Pasley es profesor de física en la Universidad de York. Pasley no trabaja, consulta, posee acciones ni recibe financiamiento de ninguna empresa u organización que se beneficiaría de este artículo, y no ha revelado afiliaciones relevantes más allá de su cargo académico.

Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. léelo artículo original.

Imagen principal: Hal Gatewood