Ignición por fusión: el fascinante experimento que logró producir energía infinita como el Sol

Científicos estadounidenses han anunciado lo que han llamado un gran avance en un objetivo largamente esquivo de crear energía a partir de la fusión nuclear.

El Departamento de Energía de EE.UU. dijo este martes que, por primera vez, y después de varias décadas de intentos, los científicos lograron obtener más energía del proceso de la que tenían que poner.

Pero, ¿qué tan significativo es el desarrollo? ¿Y qué tan lejos está el anhelado sueño de que la fusión proporcione energía abundante y limpia? Carolyn Kuranz, profesora asociada de ingeniería nuclear en la Universidad de Michigan que ha trabajado en la instalación que acaba de romper el récord de fusión, ayuda a explicar este nuevo resultado.

La fusión es una reacción nuclear que combina dos átomos para crear uno o más átomos nuevos con una masa total ligeramente menor. La diferencia de masa se libera como energía, como lo describe la famosa ecuación de Einstein, E = mc 2 , donde la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado. Dado que la velocidad de la luz es enorme, convertir solo una pequeña cantidad de masa en energía, como sucede en la fusión, produce una cantidad de energía igualmente enorme.

Investigadores de la Instalación Nacional de Ignición del Gobierno de EE. UU. en California han demostrado, por primera vez, lo que se conoce como “ignición por fusión”. La ignición es cuando una reacción de fusión produce más energía de la que se pone en la reacción desde una fuente externa y se vuelve autosuficiente.

La técnica utilizada en la Instalación Nacional de Ignición involucró disparar 192 láseres a una pastilla de combustible de 0,04 pulgadas (1 mm) hecha de deuterio y tritio, dos versiones del elemento hidrógeno con neutrones adicionales, colocada en un recipiente de oro. Cuando los láseres golpean el bote, producen rayos X que calientan y comprimen la pastilla de combustible a unas 20 veces la densidad del plomo y a más de 5 millones de grados Fahrenheit (3 millones de Celsius), unas 100 veces más caliente que la superficie del Sol. Si puede mantener estas condiciones durante un tiempo suficiente, el combustible se fusionará y liberará energía.

El combustible y el recipiente se vaporizan en unas pocas mil millonésimas de segundo durante el experimento. Luego, los investigadores esperan que su equipo sobreviva al calor y mida con precisión la energía liberada por la reacción de fusión.

Para evaluar el éxito de un experimento de fusión, los físicos observan la relación entre la energía liberada por el proceso de fusión y la cantidad de energía dentro de los láseres. Esta relación se llama ganancia.

Cualquier cosa por encima de una ganancia de 1 significa que el proceso de fusión liberó más energía que la que entregaron los láseres.

El 5 de diciembre de 2022, la Instalación Nacional de Ignición disparó una bolita de combustible con 2 millones de julios de energía láser, aproximadamente la cantidad de energía que se necesita para hacer funcionar un secador de pelo durante 15 minutos, todo contenido en unas pocas milmillonésimas de segundo. Esto desencadenó una reacción de fusión que liberó 3 millones de julios. Esa es una ganancia de aproximadamente 1,5, superando el récord anterior de una ganancia de 0,7 logrado por la instalación en agosto de 2021.

La energía de fusión ha sido el “santo grial” de la producción de energía durante casi medio siglo. Si bien creo que una ganancia de 1,5 es un avance científico verdaderamente histórico, todavía queda un largo camino por recorrer antes de que la fusión sea una fuente de energía viable.

Si bien la energía del láser de 2 millones de julios fue menor que el rendimiento de fusión de 3 millones de julios, la instalación necesitó casi 300 millones de julios para producir los láseres utilizados en este experimento. Este resultado ha demostrado que la ignición por fusión es posible, pero se necesitará mucho trabajo para mejorar la eficiencia hasta el punto en que la fusión pueda proporcionar un retorno de energía positivo neto si se tiene en cuenta todo el sistema de extremo a extremo, no solo un interacción única entre los láseres y el combustible.

Hay una serie de piezas del rompecabezas de fusión que los científicos han estado mejorando constantemente durante décadas para producir este resultado, y el trabajo adicional puede hacer que este proceso sea más eficiente.

Primero, los láseres solo se inventaron en 1960. Cuando el gobierno de EE.UU. completó la construcción de la Instalación Nacional de Ignición en 2009, era la instalación láser más poderosa del mundo, capaz de entregar 1 millón de julios de energía a un objetivo. Los 2 millones de julios que produce hoy en día son 50 veces más energéticos que el siguiente láser más potente de la Tierra . Los láseres más potentes y las formas menos intensivas en energía para producir esos láseres potentes podrían mejorar en gran medida la eficiencia general del sistema.

Las condiciones de fusión son muy difíciles de sostener y cualquier pequeña imperfección en la cápsula o el combustible puede aumentar el requerimiento de energía y disminuir la eficiencia. Los científicos han avanzado mucho para transferir de manera más eficiente la energía del láser al recipiente y la radiación de rayos X del recipiente a la cápsula de combustible, pero actualmente solo entre el 10 % y el 30 % de la energía láser total se transfiere al bote y al combustible.

Finalmente, mientras que una parte del combustible, el deuterio, es naturalmente abundante en el agua de mar, el tritio es mucho más raro. Fusion en sí mismo produce tritio, por lo que los investigadores esperan desarrollar formas de recolectar este tritio directamente. Mientras tanto, existen otros métodos disponibles para producir el combustible necesario.

Estos y otros obstáculos científicos, tecnológicos y de ingeniería deberán superarse antes de que la fusión produzca electricidad para su hogar. También será necesario trabajar para reducir considerablemente el costo de una planta de energía de fusión de los US$3.500 millones de la Instalación Nacional de Ignición. Estos pasos requerirán una inversión significativa tanto del gobierno federal como de la industria privada.

Vale la pena señalar que existe una carrera mundial en torno a la fusión, con muchos otros laboratorios en todo el mundo que buscan diferentes técnicas. Pero con el nuevo resultado del National Ignition Facility, el mundo, por primera vez, ha visto evidencia de que el sueño de la fusión es posible.

*Profesora asociada de Ingeniería Nuclear, Universidad de Michigan