¿Qué es la fusión y por qué es tan difícil?
Fusion podría resolver el cambio climático y alimentar nuestro planeta de la noche a la mañana. En diciembre de 2023, Estados Unidos dio un pequeño paso. Todavía no hemos llegado, pero la clave es no dejar de intentarlo.
La fusión es una reacción nuclear hipotética que ocurre a temperatura ambiente o cerca de ella. Esto está en marcado contraste con la fusión «caliente», que se sabe que ocurre naturalmente dentro de las estrellas, y artificialmente en las bombas de hidrógeno, que deja atrás la radiación. Durante los últimos 40 años, la perspectiva de la fusión de hidrógeno ha estado intermitente, una vez más en los titulares de la comunidad científica. Si podemos resolver el problema de la fusión, habremos resuelto el problema del cambio climático y las emisiones de gases de efecto invernadero para siempre. El hidrógeno está disponible y es abundante, y todos podemos tener reactores tipo narguile en casa para cargar todo en nuestros autos eléctricos personales, pero la fusión, bueno, no es tan fácil. Exploraremos el cómo, por qué y cuándo de la convergencia.
Según el Financial Times (23 de marzo, pp. 1, 26 y 22) y el Wall Street Journal (23 de marzo, b1 y b8), dos científicos anunciarán que el deuterio (deuterio) es Signos de fusión: El anuncio apareció en grupo de noticias de ciencia física 23 de marzo de 1989: solo diez días después de que Alt.hypertext anunciara una nueva tecnología para la World Wide Web. La web está llena de entusiasmo por la posibilidad de obtener energía limpia y barata de un país. dispositivo de fusión de escritorio algo similar a Narguile Una pipa de Oriente Medio o una cafetera de sifón belga.
SPAWAR – la primera generación de baterías de fusión fría. Crédito de la foto: Steven B. Krivit
El precio es paladio El paladio utilizado en sus equipos aumentó un 30% y la URSS acuñó monedas de paladio. Los equipos de investigación de todo el mundo están compitiendo para recrear esta «fusión fría», con diversos grados de éxito. El padre de la bomba de hidrógeno, Edward Teller, se mostró escéptico sobre el avance de la fusión de Pons y Fleischmann, pero luego se asoció con los investigadores. Él espera que la fusión que hace que su arma sea tan devastadora eventualmente pueda ser domesticada para servir a la humanidad. ¡Esto parece demasiado bueno para ser verdad! Siempre energía limpia y barata. En efecto.
The Green Prophet discutió uno de los errores cometidos por Pons, Fleischmann y otros en nuestro artículo reciente. Artículos sobre hidrógeno geológico. Asumieron una eficiencia de electrólisis del 100 %, pero en realidad al menos el 30 % de la entrada de energía se convirtió en calor. Confundieron este calentamiento resistivo con energía de fusión. La buena noticia es que no funcionó y golpeó a Pons y Fleischmann con dosis letales de radiación de neutrones. Fusion retrocedió gradualmente hacia los márgenes y perdió impulso a medida que sus defensores recurrieron a la ciencia basura más lucrativa. Pero la investigación sobre fusión térmica continúa a un ritmo lento y errático.
Fusión, ¿otra vez?
Dispositivo de fusión, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
Cuando el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en los EE. UU. anuncie un gran avance en la fusión en su Instalación Nacional de Ignición (NIF) en diciembre de 2023, cualquiera que tenga la edad suficiente para recordar un desastre de fusión debe ser perdonado. fusión térmica La configuración es bastante diferente a la de Pons y Fleischmann.
Se parece más a algo que el Doctor Evil le dispara a un superhéroe de cómic. Los científicos del LLNL utilizaron 192 láseres, cada uno con un ancho de haz de aproximadamente un metro. Juntos pueden generar hasta 500 teravatios de electricidad. Su luz está enfocada y cronometrada de modo que cada pulso de luz de nanosegundos (0,1 nanosegundos), de aproximadamente una pulgada de largo, golpea un cilindro que contiene una esfera más pequeña que un grano de pimienta al mismo tiempo. La esfera contiene dos isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio. Este experimento de fusión térmica fue un éxito.
El láser bombea 2 megajulios (MJ) de energía a un cilindro que produce rayos X, que comprimen y calientan el deuterio y el tritio lo suficiente como para derretir algunos de ellos y generar 3 MJ de energía. La ganancia neta de energía es 1,5 veces.
La energía de fusión es suficiente para organizar una fiesta de té
Los megajulios adicionales de energía producidos por el experimento de fusión NIF son suficientes para hervir varias tazas de agua. Aproximadamente el equivalente a tres tazas de té. No suena mucho cuando lo decimos así, ¿verdad? El experimento nunca tuvo la intención de ser un reactor de fusión comercial, pero muestra que el confinamiento por láser se puede usar para liberar más energía de fusión de la que ingresa al sistema.
LLNL, para láseres que usan fusión para generar energía
Este avance es comparable al vuelo de 12 segundos de los hermanos Wright en 1903. No podemos imaginar volar alrededor del mundo en un salto de 36 metros y 12 segundos, pero los experimentos Kitty Hawk de los hermanos Wright con cometas y partes de bicicletas demostraron que es posible volar más pesado que el aire.
Del mismo modo, el Laboratorio Nacional Lawrence demostró que la energía de fusión por confinamiento láser es posible, incluso si no es práctica, hasta que puede apuntar un láser a múltiples granos de pimienta durante más de un nanosegundo.
La foto compuesta muestra los tres pisos de la bahía de destino y muchos de los diagnósticos y ensamblajes ópticos finales alrededor de la sala de destino central. Crédito de la imagen: Jacqueline McBride LLNL.
Una breve historia de la convergencia y por qué es tan difícil
este La primera reacción en cadena de fisión nuclear ocurrió bajo las gradas del Stagg Field en desuso de la Universidad de Chicago. Enrico Fermi y su equipo construyeron la pila atómica Chicago Pile-1 (CP-1) de grafito, uranio, madera y otros materiales debajo del campo de fútbol de la Universidad de Chicago. A las 3:25 pm del 2 de diciembre de 1942, el científico del Proyecto Manhattan, George Weil, extrajo una barra de control del CP-1. Después de retirar las barras de control que absorben neutrones, cada neutrón liberado por un átomo de uranio desencadena la liberación de múltiples neutrones.
imagen de Reserva forestal del condado de Cook
Chicago One se convirtió en el primer reactor de fisión nuclear autosuficiente del mundo.este El video de LEGO explica la historia de la fisión atómica del CP-1″
Antes de que LLNL hiciera su propio video de LEGO Fusion, teníamos este El avance de la fusión por confinamiento láser NIF de diciembre explicó:
Espadas, rejas de arado, bombas y tazas de té
El experimento de fisión CP-1 de diciembre de 1942 duró 28 minutos, aproximadamente 16 cuatrillones de veces más que el avance de fusión láser de NIF, pero CP-1 produjo solo alrededor de 1/2 vatio. Ni siquiera es energía suficiente para hacer una buena taza de té, pero poco después, Leo Szilard, el inventor de la reacción nuclear en cadena, le dijo a Enrico Fermi que sería «un día negro en la historia de la humanidad». Szilard tenía razón: Chicago One allanó el camino para el lanzamiento de las bombas atómicas sobre Hiroshima y Nagasaki, Japón, menos de tres años después.
primer núcleo fusión Solo seis años después, se probó la bomba y el primer reactor de fisión nuclear comenzó a generar electricidad en Windscale, Inglaterra, en 1950, solo ocho años después del CP-1. Hoy, al menos nueve países tienen más de 10.000 bombas atómicas y al menos 30 países tienen 400 reactores de fisión nuclear. Pero a partir de diciembre de 2023, 80 años después del reactor nuclear de la Unidad 1 de Chicago, no tendremos un reactor de fusión autosuficiente.
¿Por qué es mejor la fusión que la fisión?
En la fisión nuclear, los protones y los neutrones se separan de los núcleos atómicos pesados, produciendo energía, radiación y elementos más ligeros. En la fusión nuclear, los núcleos atómicos de elementos ligeros se fusionan, liberando energía, radiación y elementos más pesados. Una de las mejores cosas de la fusión es también una de las razones por las que es tan difícil. En el experimento NIF de diciembre, la luz láser cuidadosamente cronometrada y una cápsula de deuterio perfectamente esférica solo mantuvieron la reacción durante aproximadamente una milmillonésima de segundo. Los experimentos alternativos de fusión de tokamak que utilizan confinamiento magnético anular en lugar de láser también se han mostrado prometedores, pero la reacción de fusión sostenida más prolongada hasta ahora ha sido de solo 17 minutos.
Pero una vez que comienza la reacción en cadena de la fisión nuclear, se desarrollará por sí sola a menos que algo la detenga. Chicago Pile One no tenía sistema de enfriamiento y su sistema de control se basaba en poleas, tendederos, motores eléctricos, cubos de emergencia de sales de cadmio y un operador de palanca manual llamado George Weil. En retrospectiva, tuvieron suerte. Construir una pila atómica debajo de un estadio de fútbol de la ciudad suena como algo del tipo «espera mi cerveza». Si esos científicos hubieran quitado las barras de control y abandonado el proyecto, la reacción nuclear todavía podría estar ocurriendo hoy después de que un agujero radiactivo en la tierra se derritiera cerca del centro de Chicago.
CP-1, CP-2 y CP-3 finalmente fueron desmantelados y enterrados debajo de un área de picnic arbolada. En las décadas de 1970 y 1980, se descubrió que estaban filtrando material radiactivo en el suelo y las aguas subterráneas. Esto nos brinda otra gran ventaja de la fusión: el combustible y las reacciones de fusión están diseñados para minimizar los desechos radiactivos.
En NIF y otros reactores de fusión de deuterio-tritio, dos isótopos de hidrógeno (el tritio es radiactivo y tiene una vida media de 12,33 años) se fusionan en helio. La mayor parte del helio es el mismo isótopo no radiactivo que los niños usan en los globos de fiesta.Los neutrones liberados durante la reacción pueden hacer que partes del reactor sean radiactivas, pero esto es más fácil de manejar que una mezcla desordenada de uranio gastado, cesio-137 (vida media 30 años), estroncio-90 (vida media 29 años), plutonio -239 (vida media 2400 años), tecnecio-99 (vida media 211 100 años) liberado en el agua, la tierra y el aire por la planta de energía de fisión de Windscale en 1957 y 1979, Chernóbil en 1986, Fukushima en 2011…
Hay muchas razones por las que deberíamos seguir estudiando la energía de fusión. Una de las razones de nuestra impaciencia con la lentitud del progreso de la tecnología verde puede ser que los mitos de nuestra cultura pop distorsionan la verdadera historia de la tecnología.He escrito antes sobre Una larga historia de iluminación eficiente. Lo mismo puede decirse de muchas otras cosas. Trece años antes de que Carl Benz patentara su primer automóvil, el reverendo Dr. JW Carhart conducía un automóvil a vapor al que llamó Spark.
El sacerdote católico romano Ányos Jedlik inventó la patineta eléctrica en 1828, 180 años antes de que Elon Musk fuera nombrado director general de Tesla. En lugar de obsesionarte con la pregunta «¿Ya llegamos?». Deberíamos preguntarnos si todavía estamos progresando. El experimento NIF de diciembre mostró que, sí, todavía estamos progresando hacia nuestro objetivo de energía de fusión.
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