Con una poderosa explosión láser, los científicos se acercan al hito de la fusión nuclear

Con un poderoso rayo láser, los científicos se han precipitado hacia un hito para la fusión nuclear.

Un experimento de fusión en la instalación láser más grande del mundo liberó 1,3 millones de julios de energía, acercándose a un punto de equilibrio conocido como ignición, donde la fusión comienza a liberar más energía de la necesaria para detonarla. Alcanzar la ignición fortalecería las esperanzas de que la fusión algún día pueda servir como una fuente de energía limpia y abundante, un objetivo en el que los científicos han luchado por avanzar hacia (SN: 8/2/18).

Al golpear una pequeña cápsula con láseres en la Instalación Nacional de Ignición, o NIF, en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, los científicos desencadenaron reacciones de fusión que produjeron más de 10 cuatrillones de vatios de potencia en 100 billonésimas de segundo. En total, el experimento, realizado el 8 de agosto, liberó alrededor del 70 por ciento de la energía de la luz láser utilizada para desencadenar las reacciones de fusión, poniendo la instalación mucho más cerca de la ignición que nunca.

En particular, debido a que la cápsula absorbe solo una parte de la energía láser total que se concentra en ella, las reacciones en realidad produjeron más energía de la que se utilizó directamente para encenderlas. «Eso, fundamentalmente, es una hazaña realmente asombrosa», dice la física de plasma Carolyn Kuranz de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, que no participó en la investigación. Según esa métrica, las reacciones de fusión produjeron aproximadamente cinco veces más energía de la que se absorbió.

“Es un resultado realmente emocionante y no estaba claro que NIF pudiera llegar a este resultado”, dice Kuranz. Durante años, los científicos del NIF se han esforzado por alcanzar la ignición, pero han estado plagados de contratiempos (SN: 4/4/13). Si bien los nuevos resultados aún no se han publicado en una revista científica, los científicos del NIF hicieron público su descubrimiento después de que se corriera la voz entre la comunidad científica y aumentara la emoción.

«Me da muchas esperanzas … para la fusión en el futuro», dice Kuranz.

La fusión nuclear, el mismo proceso que impulsa al sol, sería una fuente de energía atractiva en la Tierra porque marca varias casillas de respeto al medio ambiente: no generaría gases de efecto invernadero que calientan el clima o desechos radiactivos peligrosos y de larga duración. En la fusión nuclear, los núcleos de hidrógeno se fusionan para formar helio, liberando energía en el proceso. Pero la fusión requiere temperaturas y presiones extremas, lo que dificulta su control.

NIF no está solo en la búsqueda de la fusión. Otros proyectos, como ITER, una enorme instalación en construcción en el sur de Francia, están utilizando diferentes técnicas para abordar el problema (SN: 27/1/16). Pero esos esfuerzos también han tropezado con dificultades. Tal vez, como era de esperar, controlar reacciones similares a las del sol es un desafío, sin importar cómo lo hagas.

En los experimentos de fusión de NIF, 192 rayos láser convergen en un pequeño cilindro que contiene una cápsula de combustible del tamaño de un grano de pimienta. Cuando esa poderosa ráfaga láser golpea el cilindro, los rayos X salen, vaporizando el exterior de la cápsula e implosionando el combustible en su interior. Ese combustible es una mezcla de deuterio y tritio, variedades de hidrógeno que contienen respectivamente uno o dos neutrones en sus núcleos atómicos. A medida que el combustible implosiona, alcanza las densidades, temperaturas y presiones extremas necesarias para fusionar el hidrógeno en helio. Ese helio puede calentar aún más el resto del combustible, lo que se conoce como calentamiento alfa, lo que desencadena una reacción en cadena de fusión.

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En experimentos de fusión en la Instalación Nacional de Ignición, los láseres (azul en la representación de este artista) explotan un cilindro diminuto que contiene una cápsula de combustible (esfera blanca). Ese proceso produce rayos X que vaporizan el exterior de la cápsula y comprimen el combustible a las presiones y temperaturas extremas necesarias para impulsar la fusión.LLNL

Ese último paso es crucial para impulsar el rendimiento energético. «Lo nuevo de este experimento es que hemos creado un sistema en el que la tasa de calentamiento alfa es mucho mayor de lo que hemos logrado antes», dice el físico de NIF Arthur Pak.

Los científicos navegaron por una variedad de pantanos para llegar a esta etapa. «Hay una gran cantidad de problemas de física … que hemos enfrentado y mitigado», dice Pak. Por ejemplo, los investigadores se esforzaron por hacer que la cápsula absorbiera más energía, para eliminar pequeños defectos en la cápsula y para sintonizar cuidadosamente los pulsos del láser para maximizar la fusión.

En 2018, los investigadores comenzaron a ver la recompensa de esos esfuerzos. NIF logró una energía de fusión récord de 55.000 julios. Luego, en la primavera de 2021, el NIF alcanzó los 170.000 julios. Los científicos sospechaban que modificar aún más el diseño del experimento podría aumentar aún más la producción. Pero el nuevo experimento superó las expectativas y produjo casi ocho veces la energía del esfuerzo anterior.

Más estudios ayudarán a los científicos del NIF a determinar exactamente cómo sus cambios crearon una energía tan abundante y cómo mejorar aún más la producción. Aún así, incluso si NIF logra un encendido completo, el uso de la fusión para generar energía con fines prácticos aún está muy lejos. «Habrá una gran cantidad de trabajo necesario para convertir la tecnología en una fuente viable de energía», dice el físico de plasma láser Stuart Mangles del Imperial College de Londres, que no participó en la investigación. «Sin embargo, este es un hito realmente importante en el camino».

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