Uno de los mayores avances de la fusión nuclear no habría ocurrido sin un arte científico impecable.

En diciembre de 2022, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California crearon reacciones de fusión que produjeron un exceso de energía, por primera vez. En el experimento, 192 láseres explotaron una pequeña cámara, desencadenando reacciones de fusión, en las que núcleos atómicos más pequeños se fusionan para formar otros más grandes, que liberaron más energía de la que inicialmente los inició (SN: 12/12/22). Es un hito conocido como “encendido” y han tardado décadas en realizarse.

Ahora, los investigadores han publicado detalles de ese experimento en cinco artículos revisados ​​por pares publicados en línea el 5 de febrero en Physical Review Letters y Physical Review E. La hazaña exigió un nivel extraordinario de delicadeza, ajustando las condiciones para obtener más energía de los láseres y crear las condiciones ideales para la fusión.

La obra es “exquisitamente bella”, afirma el físico Peter Norreys de la Universidad de Oxford. Norreys, que no participó en la investigación, compara el logro con dirigir una orquesta de talla mundial: los diferentes elementos del experimento tuvieron que coordinarse meticulosamente y sincronizarse con precisión.

Los científicos también descubrieron un efecto de calentamiento previsto desde hace mucho tiempo que podría exponer la física de otros entornos violentos, como las estrellas en explosión llamadas supernovas. "La gente dice que [la física es] un tema árido", dice Norreys. "Pero siempre pienso que la física está a la vanguardia de la creatividad".

El camino hacia el gran avance de la fusión nuclear

La fusión, el mismo proceso que tiene lugar en el sol, es una fuente de energía atractiva. Las centrales eléctricas de fusión no emitirían gases de efecto invernadero. Y a diferencia de las actuales plantas de energía de fisión nuclear, que dividen los núcleos atómicos para producir energía, las plantas de fusión nuclear no producirían desechos radiactivos peligrosos y de larga duración. El encendido es el primer paso para aprovechar ese poder.

Generar fusión requiere presiones y temperaturas extremas. En el experimento, los láseres de la Instalación Nacional de Ignición de LLNL impactaron el interior de un cilindro hueco, llamado hohlraum, que es aproximadamente del tamaño de la goma de un lápiz. La explosión calentó el hohlraum a unos candentes 3 millones de grados Celsius, tan caliente que emitió rayos X. Dentro de este horno de rayos X, una cápsula de diamante contenía el combustible: dos variedades pesadas de hidrógeno llamadas deuterio y tritio. La radiación vaporizó la cubierta de diamante de la cápsula, provocando que el combustible implosionara a velocidades de alrededor de 400 kilómetros por segundo, formando las condiciones densas y calientes que provocan la fusión.

Los láseres golpearon un pequeño cilindro llamado hohlraum (en la imagen) en experimentos destinados a generar fusión nuclear. El hohlraum actúa como un horno de rayos X, calentando una cápsula en su interior que contiene los tipos pesados ​​de hidrógeno que actúan como combustible. JASON LAUREA/LLNL

Experimentos anteriores se habían acercado tentadoramente a la ignición (SN: 18/8/21). Para ir más allá, los investigadores aumentaron la energía del pulso láser de 1,92 millones de julios a 2,05 millones de julios. Esto lo lograron alargando ligeramente el pulso del láser, que ataca al objetivo durante sólo unos pocos nanosegundos, extendiéndolo en una mera fracción de nanosegundo. (Aumentar la potencia del láser directamente, en lugar de alargar el pulso, corría el riesgo de dañar la instalación).

El equipo también engrosó la cubierta de diamante de la cápsula en aproximadamente un 7 por ciento (una diferencia de sólo unos pocos micrómetros), lo que ralentizó la implosión de la cápsula, permitiendo a los científicos aprovechar plenamente el pulso láser más largo. "Ese fue un logro bastante notable", dice Norreys.

Pero estos ajustes alteraron la simetría de la implosión, lo que significó que se necesitaban otros ajustes. Es como tratar de reducir una pelota de baloncesto al tamaño de un guisante, dice la física Annie Kritcher de LLNL, "y estamos tratando de hacerlo esféricamente simétrico con una precisión del 1 por ciento".

Esto es particularmente desafiante debido a la mezcla de partículas cargadas eléctricamente, o plasma, que llena el hohlraum durante la explosión del láser. Este plasma puede absorber los rayos láser antes de que lleguen a las paredes del hohlraum, alterando la simetría de la implosión.

Para equilibrar las cosas, Kritcher y sus colegas alteraron ligeramente las longitudes de onda de los rayos láser de manera que les permitiera transferir energía de un rayo a otro. La solución requirió ajustar las longitudes de onda de los haces en meros angstroms: décimas de milmillonésima de metro.

"Desde el punto de vista de la ingeniería, es sorprendente que pudieran hacer eso", dice la física Carolyn Kuranz de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, que no participó en el trabajo. Es más, "estos pequeños ajustes marcan una diferencia fenomenal".

Después de todos los ajustes, las reacciones de fusión resultantes produjeron 3,15 millones de julios de energía, aproximadamente 1,5 veces la energía de entrada, informaron Kritcher y sus colegas en Physical Review E. La energía total necesaria para alimentar los láseres del NIF es mucho mayor, alrededor de 350 millones de julios. Si bien los láseres del NIF no están diseñados para ser energéticamente eficientes, esto significa que la fusión aún está lejos de ser una fuente de energía práctica.

Otro experimento realizado en julio de 2023 utilizó una cápsula de diamante de mayor calidad y obtuvo una ganancia de energía aún mayor de 1,9, lo que significa que liberó casi el doble de energía que la que se utilizó en las reacciones ( SN: 2/10/23 ). En el futuro, los investigadores del NIF esperan poder aumentar la energía del láser desde alrededor de 2 millones de julios hasta 3 millones, lo que podría iniciar reacciones de fusión con una ganancia de hasta 10.

¿Qué sigue para la fusión?

Los investigadores también descubrieron un fenómeno predicho desde hace mucho tiempo que podría ser útil para futuros experimentos: después de que los láseres calentaron el hohlraum, éste se calentó aún más por los efectos de las reacciones de fusión, informan el físico Mordy Rosen y sus colegas en Physical Review Letters.

Después de la implosión, el combustible encendido se expandió hacia afuera, chocando contra los restos del caparazón de diamante. Esto calentó el material, que luego irradió su calor al hohlraum. Es una reminiscencia de una supernova, en la que la onda de choque de una estrella en explosión atraviesa los escombros que la estrella expulsó antes de su explosión (SN: 8/2/17).

"Esta es exactamente la colisión que está ocurriendo en este hohlraum", dice Rosen, de LLNL, coautor del estudio. Además de explicar las supernovas, el efecto podría ayudar a los científicos a estudiar la física de las armas nucleares y otras situaciones extremas.

NIF no es el único juego de fusión que existe. Otros investigadores pretenden iniciar la fusión confinando el plasma en forma de toro o rosquilla, utilizando un dispositivo llamado tokamak. En un nuevo récord, el Toro Europeo Conjunto en Abingdon, Inglaterra, generó 69 millones de julios, un récord para la producción total de energía de fusión, informaron los investigadores el 8 de febrero.

Después de décadas de lento progreso en la fusión, los científicos están comenzando a sincronizar sus orquestas atómicas.

CITAS

H. Abu-Shawareb et al. El logro de la ganancia objetivo es mayor que la unidad en un experimento de fusión inercial. Cartas de revisión física. vol. 132, 9 de febrero de 2024, 065102. doi: 10.1103/PhysRevLett.132.065102.

OA Huracán et al. Principios energéticos del equilibrio científico en un experimento de fusión inercial. Cartas de revisión física.  vol. 132, 9 de febrero de 2024, 065103. doi: 10.1103/PhysRevLett.132.065103.

MS Rubery et al. Hohlraum recalentándose por implosiones NIF en llamas. Cartas de revisión física. vol. 132, 9 de febrero de 2024, 065104. doi: 10.1103/PhysRevLett.132.065104.

A. Pak y col. "Observaciones y propiedades del primer experimento de fusión de laboratorio que superó la ganancia objetivo de 1". Revisión física E. vol. 109, febrero de 2024, 025203. doi: 10.1103/PhysRevE.109.025203.

AL Kritcher y col. Diseño del primer experimento de fusión para lograr una ganancia de energía objetivo > 1. Revisión física E. vol. 109, febrero de 2024, 025204. doi: 10.1103/PhysRevE.109.025204.

Acerca de Emily Conover

La escritora de física Emily Conover tiene un doctorado. en física de la Universidad de Chicago. Ha ganado dos veces el premio Newsbrief de la Asociación de Escritores Científicos de DC.

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