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Los científicos anuncian un gran avance en la búsqueda del poder de fusión

Energía

David Szondy

14 de febrero de 2014

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Un estuche metálico llamado hohlraum contiene la cápsula de combustible para los experimentos NIF (Foto: Eduard Dewald / LLNL)

En un ejemplo perfecto de golpear espadas en arados, un equipo de científicos de la Instalación de Ignición Nacional (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California alcanzó un hito en la búsqueda de poder de fusión práctica utilizando un proceso diseñado para el Desarrollo y ensayo de armas nucleares. El anuncio en la edición del 12 de febrero de Nature afirma que el equipo usó la barrera láser más poderosa del mundo para producir una reacción de fusión controlada donde se extrajo más energía del combustible de la que se puso.

Si hay un sueño de ingeniería definitivo, entonces la fusión nuclear es lo más cerca que se puede conseguir. Al aprovechar literalmente el poder de las estrellas, mantiene la promesa de lo que es, para todos los propósitos prácticos, energía limpia ilimitada. Desde que la fusión hecha por el hombre se demostró por primera vez en 1951 con un arma de fisión reforzada, los científicos e ingenieros han trabajado de alguna manera para producir un reactor de fusión práctico en lugar de una bomba de hidrógeno.

La historia del reactor de fusión es uno de los dos grandes avances, pero también la frustración constante. Cuando comenzaron los trabajos, se predijo que el primer reactor estaría a 25 años de distancia. Desde entonces y hasta hoy, todavía faltan 25 años. Eso es porque aunque la fusión nuclear es relativamente simple en teoría, comenzar una reacción controlada fuera del corazón de una estrella es extremadamente difícil. El truco consiste en alcanzar el punto de "ignición", donde la energía liberada por el reactor es mayor que la que se pone en él y la reacción se vuelve autosuficiente.

Un reactor de fusión funciona simulando las condiciones dentro del sol. En pocas palabras, los átomos de hidrógeno se fusionan en el Sol porque su enorme masa aplasta a los átomos para formar helio, liberando enormes cantidades de energía a medida que la fuerza nuclear fuerte que los mantiene separados es superada. Una bomba de hidrógeno hace lo mismo, solo que una bomba de fisión crea las condiciones necesarias por una millonésima de segundo.

Un reactor de fusión crea las presiones y temperaturas correctas al tomar un plasma ionizado de los isótopos de hidrógeno deuterio o tritio y exprimirlo utilizando campos magnéticos o láseres para desencadenar la reacción. No es sorprendente que esto requiera enormes cantidades de energía, lo que desencadena diversos procesos que calientan el plasma a temperaturas increíbles.

El avance de NIF no es encendido, pero es un punto de referencia significativo. El equipo de NIF logró lo que se llama "ganancia de combustible". Usando una serie de 192 láseres de alta energía destinados a una pequeña esfera de plástico llena de una mezcla de deuterio y tritio, los científicos sometieron la gota de combustible criogénico a 1, 9 megajulios de luz para producir temperaturas similares al sol durante una pequeña fracción de segundo . El resultado fue una reacción de fusión en la que la energía que entraba en el combustible fue superada por la energía que regresó, algo que hasta ahora nunca se ha logrado en ningún lugar fuera de una estrella o una bomba de hidrógeno, y es diez veces mayor que lo que se había visto anteriormente. . La clave para esto es algo que se llama "boot-strapping ".

El atado de botas funciona utilizando partículas alfa, que son átomos de helio despojados de sus electrones. Normalmente, cuando una reacción de fusión produce tales partículas, se disparan, llevando energía con ellas. En el arranque, la mezcla deuterio / tritio está hecha para capturar las partículas alfa, que calientan más el plasma y liberan más partículas alfa para aumentar la reacción.

De acuerdo con el equipo, la clave para el ajuste de arranque fue evitar que la cubierta de plástico que contiene el combustible se desintegre durante la compresión bajo un pulso de láser de alta energía al alterar la sincronización del pulso para "esponjar" el plástico ablativo, haciéndolo más resistente. El equipo cree que esta desintegración en pruebas previas dificultó la reacción y al modificar el láser pudieron evitarlo.

"Lo que es realmente emocionante es que estamos viendo una contribución cada vez mayor al rendimiento proveniente del proceso de arranque que llamamos autocalentamiento de partículas alfa cuando presionamos la implosión un poco más cada vez", dice Omar Hurricane, líder. autor del informe del equipo.

Irónicamente, la generación de energía no era el objetivo principal del equipo. El NIF está diseñado para proporcionar datos duros para modelos informáticos que simulan la explosión de una ojiva nuclear como parte del programa de los EE. UU. Para producir ojivas y asegurar que las reservas existentes sigan siendo seguras y confiables. Hasta el tratado de prohibición completa de las pruebas nucleares, esto se habría hecho utilizando explosiones subterráneas de prueba, pero el gobierno de los Estados Unidos ahora se basa en láseres y supercomputadoras para el Programa de Administración de Reservas de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear.

Eventualmente, los científicos esperan que el proceso de ajuste de la bota conduzca a la ignición, pero eso queda en el futuro, al igual que la aplicación práctica en un reactor comercial en funcionamiento. Actualmente, el experimento solo puede producir una ganancia neta de alrededor del uno por ciento. "Hay más trabajo que hacer y los problemas físicos que deben abordarse antes de que lleguemos al final", dijo Hurricane, "pero nuestro equipo está trabajando para enfrentar todos los desafíos, y eso es lo que un equipo científico prospera en ".

Los resultados del equipo fueron publicados en la revista Nature .

Fuente: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore

Un estuche metálico llamado hohlraum contiene la cápsula de combustible para los experimentos NIF (Foto: Eduard Dewald / LLNL)

Mock up de un hohlraum usado para sostener la cápsula de plástico (Imagen: Lawrence livermore)

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