Cápsula en el interior del dispositivo de fusión nuclear. Imagen: Eddie Dewald. Fuente: LLNL.
Desde la década de los años 50 del siglo pasado, los científicos investigan en una fuente de energía ilimitada que podría acabar con los problemas energéticos del mundo: la fusión nuclear.
Básicamente, se trata de un proceso –el mismo que activa a las estrellas- por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado, liberando una cantidad enorme de energía.
Sin embargo, conseguir energía a partir de la fusión nuclear presenta una gran dificultad: se debe lograr que los reactores de este tipo (distintos a los actuales de fisión nuclear) generen más energía de la que consumen.
Ahora, científicos del Livermore National Laboratory (LLNL), en Estados Unidos, han conseguido al menos una parte de este objetivo: por primera vez, han logrado en una reacción de fusión liberar más energía que la que absorbe el combustible utilizado en el proceso, informa Sinc.
Según detalla el LLNL, esto ha supuesto obtener unas “ganancias de combustible" mayor que la unidad en el proceso, esto es, que la energía generada a través de las reacciones de fusión sea superior a la cantidad de energía depositada en el combustible de fusión.
En un artículo publicado en la revista Nature, los autores del avance detallan una serie de experimentos realizados en el National Ignition Facility (NIF), en los que se ha constatado una mejora en el rendimiento alrededor de 10 veces superior al conseguido en experimentos anteriores.
"Realmente es emocionante ver cómo de forma sostenida aumenta la contribución a la producción del proceso, aunque queda trabajo por hacer y problemas de física que necesitan ser abordados antes de que lleguemos al final", comenta el primer autor del trabajo, Omar Hurricane.
El reto pendiente, por tanto, sería obtener una “ganancia” en todo el sistema, de tal forma que la energía total empleada para controlar la reacción en el proceso de fusión nuclear (conocida como “ignición termonuclear”) sea superada por la energía producida.
Básicamente, se trata de un proceso –el mismo que activa a las estrellas- por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado, liberando una cantidad enorme de energía.
Sin embargo, conseguir energía a partir de la fusión nuclear presenta una gran dificultad: se debe lograr que los reactores de este tipo (distintos a los actuales de fisión nuclear) generen más energía de la que consumen.
Ahora, científicos del Livermore National Laboratory (LLNL), en Estados Unidos, han conseguido al menos una parte de este objetivo: por primera vez, han logrado en una reacción de fusión liberar más energía que la que absorbe el combustible utilizado en el proceso, informa Sinc.
Según detalla el LLNL, esto ha supuesto obtener unas “ganancias de combustible" mayor que la unidad en el proceso, esto es, que la energía generada a través de las reacciones de fusión sea superior a la cantidad de energía depositada en el combustible de fusión.
En un artículo publicado en la revista Nature, los autores del avance detallan una serie de experimentos realizados en el National Ignition Facility (NIF), en los que se ha constatado una mejora en el rendimiento alrededor de 10 veces superior al conseguido en experimentos anteriores.
"Realmente es emocionante ver cómo de forma sostenida aumenta la contribución a la producción del proceso, aunque queda trabajo por hacer y problemas de física que necesitan ser abordados antes de que lleguemos al final", comenta el primer autor del trabajo, Omar Hurricane.
El reto pendiente, por tanto, sería obtener una “ganancia” en todo el sistema, de tal forma que la energía total empleada para controlar la reacción en el proceso de fusión nuclear (conocida como “ignición termonuclear”) sea superada por la energía producida.
Confinamiento y láser
Los experimentos desarrollados en el NIF se hicieron con un tipo de confinamiento del combustible conocido como confinamiento inercial (FCI).
Éste consiste en una esfera que contiene un combustible (deuterio y tritio o DT), y que es tan densa que de ella no puede escapar prácticamente ninguna partícula.
La esfera se introduce en una cavidad, donde se desarrolla la reacción. Una vez dentro, sobre ella se hace incidir un haz de láser que aumenta la energía de su capa externa. Esta energía transcurre hacia el interior de la esfera en forma de partículas alfa, y provoca la implosión del combustible, lo que a su vez produce más partículas alfa.
Este proceso de retroalimentación es el mecanismo que propicia la ignición. La radiación emitida se va depositando en las paredes de la cavidad y luego es transferida a un líquido refrigerante. Así se consigue la energía.
Los experimentos de los científicos del LLNL fueron cuidadosamente diseñados para evitar la desintegración del armazón plástico que rodea y confina el combustible DT, a medida que es comprimido por la energía vertida sobre él. Los investigadores habían teorizado que dicha desintegración podría ser la causa del rendimiento degradado de los procesos de fusión, observado en experimentos previos.
Lo consiguieron modificando el haz de láser utilizado, hasta suprimir la inestabilidad que causa la desintegración del armazón. Señalan que el alto rendimiento conseguido como consecuencia podría confirmar su hipótesis.
Por otra parte, según Hurricane, los resultados experimentales encajaron con simulaciones computacionales previas mucho mejor que otros experimentos, lo que establece un importante estándar de comparación para los modelos usados para predecir el comportamiento de la materia bajo condiciones similares a las generadas durante una explosión nuclear.
Ventajas y dificultades
El inmenso potencial energético de la fusión nuclear incentiva su continuo desarrollo tecnológico y las investigaciones sobre el proceso. Para hacernos una idea, se calcula que con el deuterio existente en la Tierra se podría generar energía para más de 1.000 años.
En lo que al tritio se refiere, este combustible genera un residuo con una vida media de 13 años –frente a los más de cuatro millones de años del uranio usado en las centrales nucleares actuales-, por lo que presenta menos problemas para el medio ambiente. Además, los especialistas señalan que la energía de fusión no presenta riesgo de reacciones en cadena como las que ocurrieron en los desastres de Japón y Chernobyl.
Sin embargo, las dificultades para su concreción aún son muchas. El primer paso adelante se realizó en 1997, año en que el experimento Joint European Torus (Jet), desarrollado en el Reino Unido, logró la fusión. Pero en este proceso se necesitó más energía de la que se produjo.
Adelante en las investigaciones sigue el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), un proyecto en el que participan Europa, Rusia, India, Estados Unidos, Japón, China y Corea, y que tiene por objetivo construir en el sur de Francia un reactor de fusión que produzca diez veces la cantidad de energía que precisa. Pero, por problemas económicos y técnicos, este proyecto se encuentra retrasado y podría empezar a operar en 2020. El objetivo de ITER es lograr que la energía de fusión llegue al mercado comercial.
Los experimentos desarrollados en el NIF se hicieron con un tipo de confinamiento del combustible conocido como confinamiento inercial (FCI).
Éste consiste en una esfera que contiene un combustible (deuterio y tritio o DT), y que es tan densa que de ella no puede escapar prácticamente ninguna partícula.
La esfera se introduce en una cavidad, donde se desarrolla la reacción. Una vez dentro, sobre ella se hace incidir un haz de láser que aumenta la energía de su capa externa. Esta energía transcurre hacia el interior de la esfera en forma de partículas alfa, y provoca la implosión del combustible, lo que a su vez produce más partículas alfa.
Este proceso de retroalimentación es el mecanismo que propicia la ignición. La radiación emitida se va depositando en las paredes de la cavidad y luego es transferida a un líquido refrigerante. Así se consigue la energía.
Los experimentos de los científicos del LLNL fueron cuidadosamente diseñados para evitar la desintegración del armazón plástico que rodea y confina el combustible DT, a medida que es comprimido por la energía vertida sobre él. Los investigadores habían teorizado que dicha desintegración podría ser la causa del rendimiento degradado de los procesos de fusión, observado en experimentos previos.
Lo consiguieron modificando el haz de láser utilizado, hasta suprimir la inestabilidad que causa la desintegración del armazón. Señalan que el alto rendimiento conseguido como consecuencia podría confirmar su hipótesis.
Por otra parte, según Hurricane, los resultados experimentales encajaron con simulaciones computacionales previas mucho mejor que otros experimentos, lo que establece un importante estándar de comparación para los modelos usados para predecir el comportamiento de la materia bajo condiciones similares a las generadas durante una explosión nuclear.
Ventajas y dificultades
El inmenso potencial energético de la fusión nuclear incentiva su continuo desarrollo tecnológico y las investigaciones sobre el proceso. Para hacernos una idea, se calcula que con el deuterio existente en la Tierra se podría generar energía para más de 1.000 años.
En lo que al tritio se refiere, este combustible genera un residuo con una vida media de 13 años –frente a los más de cuatro millones de años del uranio usado en las centrales nucleares actuales-, por lo que presenta menos problemas para el medio ambiente. Además, los especialistas señalan que la energía de fusión no presenta riesgo de reacciones en cadena como las que ocurrieron en los desastres de Japón y Chernobyl.
Sin embargo, las dificultades para su concreción aún son muchas. El primer paso adelante se realizó en 1997, año en que el experimento Joint European Torus (Jet), desarrollado en el Reino Unido, logró la fusión. Pero en este proceso se necesitó más energía de la que se produjo.
Adelante en las investigaciones sigue el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), un proyecto en el que participan Europa, Rusia, India, Estados Unidos, Japón, China y Corea, y que tiene por objetivo construir en el sur de Francia un reactor de fusión que produzca diez veces la cantidad de energía que precisa. Pero, por problemas económicos y técnicos, este proyecto se encuentra retrasado y podría empezar a operar en 2020. El objetivo de ITER es lograr que la energía de fusión llegue al mercado comercial.
Referencia bibliográfica:
O. A. Hurricane et al. Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion. Nature (2014). DOI:10.1038/nature13008.
O. A. Hurricane et al. Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion. Nature (2014). DOI:10.1038/nature13008.