Fusión nuclear: un plasma en llamas obtenido por primera vez en el laboratorio

La investigación de fusión tiene como objetivo encontrar una manera de producir energía con alta eficiencia, es decir, crear mucha más energía que la cantidad utilizada para producirla. La reacción de fusión nuclear, como las que ocurren en el corazón de las estrellas, designa el encuentro de dos núcleos atómicos en un núcleo más pesado; Además de liberar cantidades increíbles de energía, esta reacción tiene otras ventajas: el combustible está ampliamente disponible, incluso casi ilimitado, y no emite ningún producto contaminante o radiactivo.

Problema: la reacción también requiere una temperatura increíblemente alta de varios millones de grados, la temperatura a la que la materia se encuentra en estado de plasma. Es por eso que, a pesar de varias décadas de investigación y muchos proyectos en curso, aún no ha surgido ningún reactor de fusión viable.

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Temperaturas superiores a los 100 millones de grados

La fusión nuclear se basa en la fusión de dos átomos ligeros (dos isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio) en un átomo más pesado (helio); el defecto de masa causado por la reacción se llena con la formación de una gran cantidad de energía. Pero para que se produzca la fusión, los átomos deben ser despojados de sus electrones: este gas ionizado (plasma) se obtiene a temperaturas extremas (¡más de 100 millones de grados!). Es solo en este medio específico que los núcleos ligeros pueden fusionarse y producir energía.

Además, para que la reacción de fusión satisfaga algún día nuestras necesidades energéticas, debe ser autosuficiente, como en el corazón de las estrellas. Sin embargo, los experimentos de fusión anteriores han producido reacciones de fusión utilizando grandes cantidades de calor “externo” para calentar el plasma, lo que no es atractivo en términos de eficiencia energética.

Pero los investigadores del LLNL presentan otro enfoque. ” Hoy, por primera vez, tenemos un sistema en el que la propia fusión proporciona la mayor parte del calentamiento. Este es un paso clave llevando a niveles aún más altos de rendimiento de fusión », dijo Alex Zylstra, físico del LLNL y coautor de el estudio reportando sus experiencias.

El plasma ardiente que produjeron es un plasma en el que las propias reacciones de fusión son la principal fuente de calor, que es necesaria para sostener y propagar la combustión y permitir una gran ganancia de energía. Para obtener este plasma, los investigadores utilizaron el NIF, una instalación compuesta por 192 láseres que entregan hasta 1,9 megajulios (MJ) de energía por pulso, con potencias máximas de hasta 500 teravatios.

Esquema del enfoque de confinamiento inercial de accionamiento indirecto para la fusión. Los rayos láser (en azul) ingresan al hohlraum en diferentes ángulos. La presión generada dentro de la cápsula hace que implosione, lo que comprime y calienta el combustible de fusión. Créditos: A. Zylstra et al., Nature, (2022)

Los láseres hicieron posible generar rayos X en un contenedor de radiación, un dispositivo llamado cavidad, que consiste en un tubo opaco cerrado, perforado por una hendidura estrecha, para provocar la implosión de una cápsula que contiene combustible a través de la presión de la ablación por rayos X. El proceso de implosión comprime y calienta el combustible de deuterio-tritio mediante trabajo mecánico. Para que la fusión funcione, debe lograr el equilibrio energético correcto en el combustible: siempre hay mecanismos que hacen que el plasma pierda energía, mientras que la fusión y la compresión por implosión calientan el plasma, explica el equipo. en un comunicado de prensa.

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Experimentos que alcanzan el umbral de “ignición”

Gracias a su técnica, los investigadores siempre se acercan un poco más al “encendido”, que designa el momento en que el combustible puede continuar ardiendo por sí solo, sin aporte externo de energía. Los resultados recientemente publicado en la revista Naturaleza corresponden a cuatro experimentos, realizados en noviembre de 2020 y febrero de 2021, en los que el equipo generó un estado de plasma ardiente en su mayoría autocalentado, produciendo hasta 0,17 megajulios de energía.

¡Por una fracción de segundo, alcanzaron temperaturas tres veces más calientes que el centro del Sol! ” Estos experimentos crearon plasmas abrasadores que solo duraron una milmillonésima de segundo, pero eso fue suficiente para ser considerado un éxito. », dijo Zylstra. Entonces, durante un experimento realizado en agosto de 2021, los investigadores pudieron aumentar la producción de energía a 1,3 megajulios, durante una pequeña fracción de segundo. Un resultado impresionante, pero aún por debajo de los 1,9 megajulios necesarios para alcanzar el punto de equilibrio.

La energía proporcionada por la fusión nuclear, que no debe confundirse con la fisión nuclear, aprovechada por las centrales nucleares para generar electricidad, es energía limpia y prácticamente ilimitada. No produce residuos radiactivos ni gases de efecto invernadero. El combustible es casi ilimitado en el sentido de que el deuterio es muy abundante (se puede obtener por simple destilación del agua de mar) y el tritio, aunque presente en la naturaleza en pequeñas cantidades, se puede producir durante la propia reacción de fusión.

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Investigadores de todo el mundo, como el equipo detrás del proyecto ITER, un reactor de fusión que se está construyendo en el sur de Francia, han estado trabajando en esta tecnología durante décadas, probando diferentes enfoques. Pero a pesar de los avances de los últimos años, la electricidad producida por fusión nuclear no está en la agenda. ” El resultado es científicamente muy emocionante para nosotros. Pero estamos lejos de la energía útil. dijo Omar Hurricane, científico jefe del programa de fusión en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y coautor del estudio. Según él, todavía llevará décadas alcanzar esa meta.