Investigadores en los EE. UU. finalmente han cumplido un objetivo que se planteó hace décadas: el logro de la «ignición» (sacar más energía de la que pones) usando la fusión nuclear.

Los científicos de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore , donde se llevó a cabo el experimento, sin duda están emocionados y aliviados 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 posibilidad de crear efectivamente cantidades ilimitadas de energía limpia, y qué más debe suceder para lograrlo?

Si bien las reacciones de fusión liberaron más energía de la que se puso en el objetivo, esto no tiene en cuenta las cantidades mucho mayores de energía necesarias para disparar el láser que se utilizó para impulsar el experimento. Además, el estallido de energía no fue en forma de electricidad, sino un pulso de partículas energéticas. Aprovechar esas partículas para producir electricidad y mantener un reactor de fusión en funcionamiento constante implicará superar muchos obstáculos.

Sin embargo, la ignición es un logro notable y promete estimular el interés y posiblemente también movilizar fondos para enfrentar estos desafíos adicionales.

El experimento: cómo funcionó y qué logró

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

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

Esta es una gran ciencia. El edificio NIF comprende no uno sino 192 rayos láser individuales, que rebotan de un lado a otro a lo largo de una distancia de más de un kilómetro antes de alcanzar el objetivo. El edificio que alberga toda esta tecnología tiene diez pisos de altura y el tamaño de tres campos de fútbol (americano) colocados uno al lado del otro.

La investigación sobre la fusión se divide en dos líneas principales: la fusión impulsada por láser y la fusión por confinamiento magnético . El confinamiento magnético consiste en levitar el combustible de fusión en forma de plasma (gas cargado) utilizando un gran campo magnético.

En cambio, la fusión impulsada por 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 ambos casos, el combustible debe elevarse a temperaturas de decenas de millones de grados centígrados para que comience a arder. Es este requisito, más que cualquier otro, lo que hace que la fusión sea tan difícil de lograr.

La fusión impulsada por 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 cada segundo para producir una potencia de salida promedio comparable a las centrales eléctricas modernas basadas en combustibles fósiles.

El láser NIF según estos estándares es demasiado lento. Se puede disparar solo dos veces al día. Pero el objetivo de NIF era demostrar que la ignición es posible con un solo disparo, no imitar los requisitos de una central eléctrica real.

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

La física de la fusión impulsada por láser es tan compleja y multifacética que las simulaciones por computadora a menudo toman más tiempo que los experimentos reales. Al principio, los modeladores a menudo aprendían de los experimentos en lugar de decirles a los experimentadores qué hacer a continuación. Una cercanía cada vez mayor entre la predicción del modelo y el resultado experimental ha sustentado el éxito reciente en NIF y es un buen augurio para futuras mejoras en el diseño de objetivos.

En los próximos meses, los modeladores y experimentadores deberán demostrar que el resultado se puede reproducir, lograr de nuevo, algo que ha resultado difícil en el pasado.

Hay una serie de otros desafíos que deben abordarse también. Se ha realizado un trabajo considerable en el diseño y construcción de láseres que pueden disparar pulsos de alta energía muchas veces por segundo.

Otra limitación importante es que el láser NIF requiere 300 millones de julios de entrada eléctrica para proporcionar dos millones de julios de salida de luz láser, menos del 1 % de eficiencia. Entonces, el objetivo tendría que producir una ganancia inviablemente grande para producir más energía de la que se usó para alimentar el láser utilizado en este caso.

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

Los láseres modernos de alta potencia que utilizan tecnología de semiconductores pueden funcionar mucho mejor, alcanzando una eficiencia de alrededor del 20 %. Dado que se espera que los objetivos de fusión impulsados ​​por láser puedan producir ganancias de más de 100 cuando funcionan de manera óptima, el uso de láseres modernos produciría una salida de energía neta significativa.

La construcción de un reactor en funcionamiento aún está lejos

Otro desafío para la fusión impulsada por láser es reducir el costo de los objetivos. La mano de obra involucrada en la fabricación de los objetivos NIF significa que cada uno cuesta tanto como un automóvil nuevo.

Se requiere un nuevo objetivo cada vez que se dispara el láser. Para la producción de energía real, esto significaría uno nuevo varias veces por segundo. Los objetivos utilizados en NIF también se basan en una técnica conocida como «accionamiento indirecto» en la 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 consideran que el camino a seguir para la energía de fusión impulsada por láser implicaría la ignición de «accionamiento directo» . Aquí, el láser ilumina directamente una cápsula de combustible esférica simple. Sin embargo, este enfoque de la ignición aún no se ha demostrado.

El combustible de NIF (deuterio y tritio) emite 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 deben transmitir o reflejar la luz láser de manera eficiente. Algunos científicos consideran impulsar una física similar por medios alternativos , tal vez usando energía eléctrica pulsada directamente o haces enfocados de iones (átomos cargados).

La investigación sobre fusión por confinamiento magnético lidera el camino en muchas áreas relacionadas con la construcción de un reactor de potencia. Ha tenido 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 líneas de investigación colaboran en aspectos relacionados con la construcción de reactores que son comunes a ambos campos.

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

https://theconversation.com/nuclear-fusion-how-scientists-can-turn-latest-breakthrough-into-a-new-clean-power-source-196446