Se ha superado un importante hito en la búsqueda de la energía de fusión
Por primera vez, una reacción de fusión ha alcanzado una producción de energía récord de 1,3 megajulios, y por primera vez supera la energía absorbida por el combustible utilizado para desencadenarla.
Aunque aún queda camino por recorrer, el resultado representa una mejora significativa respecto a los rendimientos anteriores sobre experimentación con energía de fusión: ocho veces mayor que los experimentos realizados apenas unos meses antes, y 25 veces mayor que los realizados en 2018.
Un logro enorme en fusión nuclear
Los físicos de la National Ignition Facility del Lawrence Livermore National Laboratory presentarán un artículo para su revisión por pares.
«Este resultado es un paso histórico para la investigación de la fusión por confinamiento inercial, abriendo un régimen fundamentalmente nuevo para la exploración y el avance de nuestras misiones críticas de seguridad nacional. También es un testimonio de la innovación, el ingenio, el compromiso y la valentía de este equipo y de los muchos investigadores de este campo que durante décadas han perseguido firmemente este objetivo», explica Kim Budil, director del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
«Para mí, demuestra una de las funciones más importantes de los laboratorios nacionales: nuestro incesante compromiso de abordar los mayores y más importantes grandes retos científicos y encontrar soluciones donde otros podrían ser disuadidos por los obstáculos».
Fusión por confinamiento inercial
La fusión por confinamiento inercial consiste en crear algo parecido a una pequeña estrella. Se parte de una cápsula de combustible, compuesta por deuterio y tritio, isótopos más pesados del hidrógeno. Esta cápsula de combustible se coloca en una cámara de oro hueca del tamaño de la goma de un lápiz llamada hohlraum.
A continuación, se lanzan 192 rayos láser de alta potencia sobre el hohlraum, donde se convierten en rayos X.
Estos rayos X implosionan la cápsula de combustible, calentándola y comprimiéndola hasta alcanzar unas condiciones comparables a las del centro de una estrella -temperaturas superiores a los 100 millones de grados Celsius (180 millones de Fahrenheit) y presiones superiores a 100.000 millones de atmósferas terrestres-, convirtiendo la cápsula de combustible en una diminuta mancha de plasma.
Y, al igual que el hidrógeno se fusiona en elementos más pesados en el corazón de una estrella de la secuencia principal, lo mismo ocurre con el deuterio y el tritio en la cápsula de combustible. Todo el proceso tiene lugar en apenas unas milmillonésimas de segundo.
El objetivo es lograr la ignición, un punto en el que la energía generada por el proceso de fusión supera el aporte total de energía.
El experimento, realizado el 8 de agosto, no llegó a ese punto: el aporte de los láseres fue de 1,9 megajulios. Pero sigue siendo tremendamente emocionante, porque según las mediciones del equipo, la cápsula de combustible absorbió más de cinco veces menos energía de la que generó en el proceso de fusión.
Uno de los factores que contribuyeron a que la National Ignition Facility (NIF) batiera el récord de rendimiento energético de 1,3 megajulios (MJ) el 8 de agosto -junto con un diseño experimental innovador y los avances en el diagnóstico, la modelización y la precisión del láser- fue la calidad de la cápsula de carbono de alta densidad (HDC), o de diamante, utilizada en el experimento.
La cápsula tenía 10 veces menos agujeros en la superficie y vacíos en el subsuelo, así como menos inclusiones contaminantes de alto número atómico, que la cápsula utilizada en el anterior experimento de energía récord del NIF en febrero de 2021, que produjo sólo una octava parte de la energía del disparo de agosto.
Se cree que los defectos de la cápsula contribuyen sustancialmente a la cantidad de material de la cápsula que se mezcla con el combustible en implosión, impidiendo que se comprima adecuadamente y reduciendo la tasa de fusión del punto caliente por debajo de la necesaria para la ignición.
La mezcla ha sido uno de los factores más importantes que han impedido alcanzar el objetivo de ignición de la NIF; los investigadores del ICF estiman que la mezcla de puntos calientes puede reducir el rendimiento energético en un 40%, y a veces mucho más, en muchos disparos.
Esto, según el equipo, es el resultado de un minucioso trabajo de perfeccionamiento del experimento, que incluye el diseño del hohlraum y la cápsula, la mejora de la precisión del láser, nuevas herramientas de diagnóstico y cambios de diseño para aumentar la velocidad de implosión de la cápsula, que transfiere más energía al punto caliente de plasma en el que se produce la fusión.
«Conseguir el acceso experimental a la combustión termonuclear en el laboratorio es la culminación de décadas de trabajo científico y tecnológico que se extiende a lo largo de casi 50 años», explicó Thomas Mason, director del Laboratorio Nacional de Los Álamos y añadió:
«Esto permite realizar experimentos que comprobarán la teoría y la simulación en el régimen de alta densidad de energía de forma más rigurosa que nunca antes y permitirá alcanzar logros fundamentales en la ciencia y la ingeniería aplicadas».
Continúan los experimentos de fusión
El equipo tiene previsto realizar experimentos de seguimiento para ver si pueden replicar su resultado y estudiar el proceso con mayor detalle. El resultado también abre nuevas vías de investigación experimental.
Los físicos también esperan averiguar cómo aumentar aún más la eficiencia energética. Se pierde mucha energía cuando la luz láser se convierte en rayos X dentro del hohlraum; una gran proporción de la luz láser se destina a calentar las paredes del hohlraum. Si se resuelve este problema, se dará otro paso importante hacia la energía de fusión superando a otros experimentos como el reactor de fusión de China.
Sin embargo, mientras tanto, los investigadores están tremendamente entusiasmados:
«Conseguir la ignición en un laboratorio sigue siendo uno de los grandes retos científicos de esta época y este resultado es un paso trascendental hacia la consecución de ese objetivo», explica el físico Johan Frenje, del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT.
«También permite la exploración de un régimen fundamentalmente nuevo al que es extremadamente difícil acceder experimentalmente, ampliando nuestra comprensión de los procesos de ignición y combustión de la fusión, lo que es crítico para validar y mejorar nuestras herramientas de simulación en apoyo de la administración de las reservas».
«Además, el resultado es histórico, ya que representa la culminación de muchas décadas de duro trabajo, innovación e ingenio, trabajo en equipo a gran escala y concentración incesante en el objetivo final».
El equipo presentó sus resultados en la 63ª reunión anual de la División de Física del Plasma de la APS.
