Proyecto de EE. UU. alcanza un hito importante hacia la energía de fusión práctica

La fusión nuclear podría potencialmente proporcionar energía abundante y segura sin la producción significativa de emisiones de gases de efecto invernadero o desechos nucleares. Pero se ha mantenido frustrantemente esquivo como tecnología práctica durante décadas. Ahora se ha superado un hito importante hacia ese objetivo: una reacción de fusión que deriva la mayor parte de su calor de sus propias reacciones nucleares en lugar de la energía bombeada al combustible desde el exterior.

Un equipo de la Instalación Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL, por sus siglas en inglés) en California ha informado sobre esta llamada condición de plasma ardiente utilizando un enfoque llamado fusión por confinamiento inercial, donde las temperaturas y presiones ferozmente altas necesarias para iniciar la fusión en un combustible de isótopos de hidrógeno son producidos por intensos pulsos de luz láser. Los hallazgos de los investigadores aparecen en Naturalezacon artículos complementarios publicados en Física de la naturaleza y en el repositorio de preprints arXiv.org. “Los datos muestran claramente que han llegado a esa condición”, dice el físico de fusión George Tynan de la Universidad de California en San Diego, quien no participó en el trabajo.

“Los resultados del NIF son realmente importantes”, dice el físico de fusión Peter Norreys de la Universidad de Oxford, que no formó parte de los estudios. «Muestran que la búsqueda de un reactor de fusión inercial es una posibilidad realista para el futuro y no se basa en una física difícil e insuperable». La física de plasma Kate Lancaster de la Universidad de York en Inglaterra, que tampoco participó en la investigación, está de acuerdo. “Este es un logro increíble, que es la culminación de una década de investigación cuidadosa e incremental”, dice.

La fusión nuclear, el proceso que alimenta las estrellas y que se activa de forma explosiva en las bombas de hidrógeno, requiere calor y presión extremos para dar a los átomos suficiente energía para superar la repulsión electrostática entre sus núcleos cargados positivamente para que puedan fusionarse y liberar energía. El combustible habitual para producir fusión controlada en reactores consiste en una mezcla de los isótopos pesados ​​de hidrógeno deuterio y tritio, que pueden unirse para formar helio. La energía que esto libera se puede aprovechar para la generación de electricidad, por ejemplo, mediante el uso del calor para impulsar turbinas de energía convencionales. A diferencia de la fisión nuclear, el proceso utilizado en todas las plantas de energía nuclear en la actualidad, la fusión no utiliza ni genera grandes cantidades de materiales radiactivos de vida prolongada. Y a diferencia de la fisión, la fusión no implica una reacción en cadena, lo que la hace inherentemente más segura: cualquier cambio en las condiciones de trabajo de un reactor de fusión hará que se apague automáticamente en un instante.

La ventaja de la fisión es que generalmente ocurre en reactores a temperaturas de poco más de 1000 kelvin, mientras que la fusión de deuterio-tritio (DT) comienza a temperaturas de alrededor de 100 millones de kelvin, más caliente que el corazón del sol. Manejar un plasma tan hirviente es, por decirlo suavemente, inmensamente desafiante. Un enfoque es confinarlo con campos magnéticos en forma de dona dentro de una cámara llamada tokamak. Este es el método de elección para muchos proyectos de fusión, incluido el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER). para el cual una colaboración global está construyendo un reactor experimental masivo en Francia que está programado para lograr una fusión sostenida no antes de 2035.

La fusión por inercia no trata de atrapar el plasma, sino que se basa únicamente en la inercia para mantenerlo unido durante un breve instante después de que se desencadena la fusión por una compresión ultrarrápida del combustible. Eso crea un estallido muy breve de energía, una pequeña explosión termonuclear, antes de que el combustible en llamas se expanda y disipe su calor. “Los esquemas de energía de fusión basados ​​en el confinamiento inercial implican repetir el proceso pulsado una y otra vez, al igual que los pistones en un motor de combustión interna, disparando varias veces por segundo para generar una potencia casi continua”, dice Omar Hurricane de LLNL, científico jefe de la del programa de fusión de confinamiento inercial de NIF, que fue líder de equipo en los últimos experimentos.

Aunque la fusión por confinamiento inercial no tiene por qué resolver el problema de mantener un plasma caliente y tambaleante dentro de un tokamak, requiere enormes aportes de energía para desencadenar el proceso de fusión. El equipo de NIF usó 192 láseres de alta potencia, todos enfocados en una cámara llamada hohlraum que tiene aproximadamente el tamaño y la forma de la goma de borrar de un lápiz y contiene la cápsula de combustible de deuterio y tritio. La energía del láser calienta y vaporiza la capa exterior de la cápsula, la expulsa y crea un retroceso que comprime y calienta el combustible en el centro. En el método NIF, los rayos láser no provocan la detonación directamente, sino que golpean la superficie interna del hohlraum, desatando un furioso baño de rayos X que comprimen la cápsula dentro de la diminuta cámara.

Los investigadores demostraron la viabilidad de iniciar la fusión de esta manera en la década de 1970. Pero llegar al punto de combustión del plasma ha sido un proceso lento, lleno de obstáculos técnicos y contratiempos. “Durante muchas décadas, los investigadores han podido lograr que se produzcan reacciones mediante el uso de una gran cantidad de calor externo para calentar el plasma”, dice Alex Zylstra de LLNL, miembro del equipo de NIF. «En un plasma en llamas, que ahora hemos creado por primera vez, las reacciones de fusión en sí mismas proporcionan la mayor parte del calentamiento». Esas condiciones duran solo alrededor de 100 billonésimas de segundo antes de que se disipe la energía del plasma.

“No había un secreto que les permitiera hacer este gran avance, sino un montón de avances más pequeños”, dice Tynan. Para tener alguna esperanza de que el proceso de fusión se sostenga, la energía que produce debe depositarse principalmente en capas de combustible adyacentes en lugar de filtrarse de la cápsula para calentar los alrededores. Esto significa que la cápsula tiene que ser lo suficientemente grande y densa para mantener la energía dentro mientras se colapsa simétricamente, que es uno de los problemas que el equipo de NIF ha resuelto. Los investigadores también modificaron el diseño del hohlraum para garantizar que su interior se llene uniformemente con rayos X, lo que en última instancia crea una implosión más suave, más fuerte y más eficiente de la cápsula de combustible. “Tuvimos que aprender a controlar mejor la simetría mientras hacíamos la implosión más grande”, dice Hurricane. Tales mejoras han requerido décadas de esfuerzo. “Ha sido un proceso muy largo de prueba y error, guiado por cálculos”, dice Tynan.

De las ejecuciones experimentales que informaron los investigadores del NIF, cuatro realizadas en 2023 y principios de 2023 superaron el umbral de salida de fusión para un plasma en llamas. El más reciente de estos fue en febrero de 2023, por lo que «claramente les llevó algo de tiempo convencer a sus colegas de la validez de sus resultados», dice Vladimir Tikhonchuk, físico de plasma de la Universidad de Burdeos en Francia, que no participó en la obra. Pero evidentemente lo han hecho. “Realmente creo que la publicación de estos artículos es un evento científico importante”, agrega Tikhonchuk.

Sin embargo, hacer que la fusión sea viable requiere más que simplemente quemar plasma. Por un lado, aunque el plasma se autocalienta, aún podría irradiar más calor del que genera, incluida la energía perdida cuando la implosión se deshace después de alcanzar el pico de compresión. “Incluso si se quema, la reacción se desvanece si las pérdidas por radiación son demasiado altas”, dice Tynan. Pero el equipo del NIF apunta que, en una de sus corridas, el calentamiento superó tales pérdidas.

Eso acerca a los científicos al próximo gran objetivo: la ignición, donde la energía neta liberada de la reacción de fusión excede la energía inyectada para producirla. En promedio, pueden producir alrededor de 0,17 megajulios de energía de fusión para una energía láser de entrada de 1,9 megajulios. En otras palabras, estos disparos NIF canalizan el equivalente energético de medio kilogramo de TNT explosivo en el diminuto hohlraum solo para obtener unas 10 veces menos energía. Pero eso todavía está lo suficientemente cerca del punto de equilibrio como para entusiasmar a los investigadores de fusión. “Están justo en el umbral de lograr una quemadura de ignición que se propaga”, dice Tynan.

Lancaster es optimista al respecto. “Ahora estamos en un régimen donde las mejoras modestas pueden generar ganancias masivas en la producción de energía”, dice ella. «Definitivamente hemos pasado de un ‘si’ a un ‘cuándo’ para la ignición».

Incluso lograr la ignición sería solo el final del comienzo de la fusión. Por un lado, la ganancia neta de energía no solo debe demostrarse sino también mejorarse para compensar las ineficiencias en la conversión del calor en electricidad. También se deben desarrollar mejores métodos para la producción y el manejo in situ del tritio para su uso como combustible. Y en el caso específico de la fusión por confinamiento inercial, las cápsulas de combustible exquisitamente diseñadas deben fabricarse de alguna manera en abundancia y a bajo precio. “En este momento cuestan $ 1 millón y son piezas personalizadas del kit hechas en el laboratorio”, dice Tynan. Pero para que cualquier planta de energía de fusión inercial genere ganancias, “tienes que poder hacer cientos de miles de ellas al día a 10 centavos la pieza”. Y estos resultados espectaculares para quemar plasma en confinamiento inercial “no se traducen realmente en tokamaks”, advierte Hurricane.

“Las personas que trabajan en este campo entienden muy bien que existe una gran brecha entre el [eventual] demostración de ignición y un reactor de fusión comercial”, dice Tikhonchuk. Esa brecha ciertamente no se cerrará en NIF, que está orientado a explorar la física básica de la fusión, especialmente en el contexto de la gestión de reservas nucleares y la seguridad nacional. “Todavía no tenemos láseres de la energía y potencia necesarias que operen con una tasa de repetición de unos pocos disparos por segundo”, agrega Tikhonchuk, aunque Lancaster dice que estos “van por buen camino, con grandes programas en el Reino Unido, EE. UU. , Francia y Alemania, por ejemplo.”

“Ahora que NIF ha demostrado que [burning plasma conditions] se puede hacer en un entorno de laboratorio controlado”, dice Norreys, las soluciones a los desafíos restantes “deben estudiarse en los próximos años con renovado vigor”.

“El reto es [pivoting] de ‘¿Es posible la física?’ a ‘¿Podemos diseñar un sistema viable que tenga suficiente vida útil y que sea lo suficientemente seguro y hacer todas esas cosas a un precio asequible?’”, dice Tynan. «Esa sigue siendo la gran pregunta abierta frente a la comunidad de investigación».