Ciencia y Tecnología

Un plasma autocalentable acerca el sueño de la fusión nuclear

Interior de una estructura de soporte de preamplificador de la Instalación Nacional de Ignición (NIF)

Interior de una estructura de soporte de preamplificador de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) Damien Jemison

Energía, limpia, segura e ilimitada. Esta es la promesa de la fusión nuclear, una promesa en la que muchos ven la respuesta a la crisis energética que atravesamos. Recientes experimentos creados en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California en EEUU, han validado una forma de producir energía nuclear de fusión impulsada por láser, en la que un plasma se calienta y comprime. Este hito, que es la portada de la revista Nature de esta semana, ofrece una evidencia crucial de que el plasma puede suministrar su propio calor.

La fusión nuclear imita la energía de las estrellas y eso es lo que están intentando hacer los ingenieros y físicos involucrados en los proyectos que hay en marcha en todo el mundo, intentan imitar lo que sucede en el interior de las estrellas. Pero recrear este proceso en el laboratorio ha demostrado ser un desafío y utiliza mucha más energía de la que produce. 

Portada de 'Nature'.
Portada de ‘Nature’.

Un paso crítico hacia la fusión es disponer de un generador neto de energía, un plasma ardiente en el que la fusión nuclear sea la principal fuente de calor para mantener el combustible en un estado de plasma lo suficientemente caliente como para permitir más reacciones de fusión. El investigador de este centro estadounidense Alex Zylstra y su equipo han conseguido dar ese paso en el laboratorio.

El equipo de científicos estadounidense ha creado un plasma ardiente utilizando deuterio y tritio, dos isótopos de hidrógeno.  El deuterio se puede extraer del agua de mar y el tritio se puede producir en un reactor. En un plasma ardiente, las partículas producidas cuando los núcleos se fusionan se convierten en la principal fuente de calentamiento del plasma. Los investigadores han demostrado en cuatro experimentos que generaron más de 100 kilojulios de energía. En un caso, los autores pudieron extraer 170 kJ de energía de una esfera de tamaño milimétrico que contenía menos de un miligramo de isótopos de hidrógeno.

Los 192 rayos láser de NIF convergen en el centro de esta esfera gigante para hacer implosionar la diminuta pastilla de combustible de hidrógeno. Crédito: Damien Jemison
Los 192 rayos láser de NIF convergen en el centro de esta esfera gigante para hacer implosionar la diminuta pastilla de combustible de hidrógeno. Damien Jemison

El experimento detallado en Nature utiliza la energía de 192 rayos láser para calentar rápidamente el interior de un cilindro hueco, generando rayos X. El cilindro contiene una cápsula esférica con el combustible de deuterio-tritio. Los rayos X calientan uniformemente las regiones exteriores de la cápsula, haciendo que se expanda rápidamente y haciendo que el combustible se acelere hacia el interior. En diez mil millonésimas de segundo, el combustible y la cápsula se comprimen a muchas milésimas de su volumen, y las temperaturas alcanzan los 50 millones de kelvin en el centro. 

Estos efectos combinados hacen que los isótopos de hidrógeno se fusionen, produciendo un neutrón y una partícula alfa, que es el núcleo de un átomo de helio. Las partículas alfa chocan con el plasma, autocalentando el combustible. 

Fisión y fusión 

Las dos son reacciones nucleares que tienen como objetivo liberar la energía del núcleo de un átomo que se libera en forma de calor. Esto es lo que hace una central nuclear convertir la energía nuclear de los átomos en energía térmica. Pero la diferencia estriba en que la fisión nuclear parte el átomo y la fusión lo que hace es unir dos núcleos más ligeros para formar uno más pesado. Otra diferencia importante es que la energía nuclear de fusión produce muy pocos residuos radioactivos.

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