El laboratorio que está en el umbral de lograr un hito en fusión nuclear

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Un instituto científico en Estados Unidos está a punto de lograr un “avance enorme” en la investigación de la fusión nuclear.

La Instalación Nacional de Ignición (NIF, por su sigla en inglés), en Livermore, California -que usa un potente láser para calentar y comprimir combustible de hidrógeno- está a un paso de alcanzar una gigantesca fusión nuclear.

Según un experimento llevado a cabo este mes, el laboratorio logrará pronto el objetivo de la “ignición”, donde la energía liberada por la fusión excederá a la liberada por el láser.

Aprovechar la fusión nuclear, el proceso que da energía al Sol, podría proporcionarnos una fuente de energía limpia e ilimitada.

¿En qué consiste la fusión?

En un proceso llamado fusión nuclear por confinamiento inercial, 192 rayos láser de la instalación NIF -la mayor concentración de energía del mundo- se dirigen hacia una cápsula del tamaño de un grano de pimienta.

Esa cápsula contiene deuterio y tritio, que son diferentes formas de hidrógeno, isótopos naturales.

Este procedimiento comprime el combustible a 100 veces la densidad del plomo y lo calienta a 100 millones de grados Celsius, más caliente que el centro del Sol. Son condiciones que ayudan a impulsar la fusión termonuclear.

“Un avance enorme”

Un experimento que se llevó a cabo el 8 de agosto produjo 1,35 megajulios (MJ) de energía, alrededor del 70% de la energía láser entregada a la cápsula de combustible.

Alcanzar la ignición significará obtener un rendimiento de fusión mayor que los 1,9 MJ introducidos por el láser.

“Este es un avance enorme para la fusión nuclear y para toda la comunidad (científica)”, le dijo a la BBC Debbie Callahan, física del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, que alberga el NIF.

Como parámetro del progreso, el rendimiento del experimento de este mes es ocho veces el récord anterior de la NIF, establecido en la primavera de 2021, y 25 veces el rendimiento de los experimentos llevados a cabo en 2018.

“El ritmo de mejora en la producción de energía ha sido rápido, lo cual sugiere que pronto podremos alcanzar más hitos de energía, como exceder la entrada de energía de los láseres usados para poner en marcha el proceso”, dijo el profesor Jeremy Chittenden, codirector del Centro de Estudios de Fusión Inercial del Imperial College de Londres, Reino Unido.

fusión nuclear

Fuente de la imagen, LLNL

Pie de foto, Esta ilustración muestra una pastilla de combustible de hidrógeno dentro de un contenedor llamado hohlraum.

Además, los científicos del NIF también creen que ahora han logrado algo llamado “plasma ardiente”, que ocurre cuando las propias reacciones de la fusión proporcionan el calor para una fusión mayor.

Esto es vital para que el proceso sea autosostenible.

“La quema [del combustible] autosostenida es esencial para obtener un alto rendimiento”, explicó Callahan. “La onda de combustión tiene que propagarse hacia el combustible de alta densidad para extraer mucha energía de fusión”.

“Creemos que este experimento está en ese punto, aunque todavía estamos haciendo análisis y simulaciones para asegurarnos de que comprendemos bien el resultado”.

En cuanto al siguiente paso, Callahan dijo que los experimentos se repetirán. “Es fundamental para la ciencia experimental; necesitamos entender cuán reproducibles y cuán sensibles son los resultados a los pequeños cambios”, dijo la científica.

“Después de eso, generaremos ideas sobre cómo mejorar el diseño, y comenzaremos a trabajar en ellas el próximo año”.

“El megajulio de energía liberado en el experimento es realmente impresionante en términos de fusión, pero en la práctica esto es equivalente a la energía necesaria para hervir una tetera”, explicó el profesor Chittenden.

Y añadió: “Se pueden lograr energías de fusión mucho más altas mediante la ignición si logramos averiguar cómo mantener el combustible unido durante más tiempo, para permitir que se queme más. Este será el próximo horizonte para la fusión por confinamiento inercial”.

Fusión, fisión y armas nucleares

La energía nuclear existente se fundamenta en un proceso llamado fisión, en el que un elemento químico pesado se divide para producir otros más ligeros.

La fusión funciona combinando dos elementos ligeros para hacer uno más grande y pesado.

Interior de la cámara donde tiene lugar la fusión.

Fuente de la imagen, Philip Saltonstall

Pie de foto, Así es el interior de la cámara donde tiene lugar la fusión. 

La construcción del NIF comenzó en 1997 y se completó en 2009. Los primeros experimentos para probar la potencia del láser comenzaron en octubre de 2010.

La otra función del NIF es ayudar a garantizar la seguridad y confiabilidad del arsenal de armas nucleares de Estados Unidos.

En ocasiones, los científicos que quieren utilizar el enorme láser para la fusión se han visto exprimidos por experimentos orientados a la seguridad nacional.

En 2013, la BBC informó que durante los experimentos en el NIF, la cantidad de energía liberada a través de la fusión había excedido la cantidad de energía absorbida por el combustible, un avance y una novedad para cualquier instalación de fusión en el mundo.

Los resultados de estas pruebas se publicaron más tarde en la revista científica Nature.

NIF es uno de los varios proyectos en distintas partes del mundo orientados a promover la investigación de la fusión nuclear. Entre ellos se incluye la instalación Iter, con una inversión de miles de millones de euros, actualmente en construcción en Cadarache, Francia.

Iter adoptará un enfoque diferente para la fusión impulsada por láser en NIF; la instalación en el sur de Francia utilizará campos magnéticos para contener plasma caliente, gas cargado eléctricamente. Este concepto se conoce como fusión por confinamiento magnético (MCF).

Pero construir instalaciones de fusión comercialmente viables que puedan proporcionar energía a la red requerirá otro gran salto.

“Convertir este concepto en una fuente renovable de energía eléctrica probablemente será un proceso largo e implicará superar desafíos técnicos sustanciales, como poder recrear este experimento varias veces por segundo para producir una fuente de energía constante”, resumió Chittenden.

(Con información de BBC)

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