21 de Diciembre de 2022
Energía nuclear

Un laboratorio de fusión nuclear logra la «ignición»

El Centro Nacional de Ignición de EE.UU. ha llevado a cabo una reacción de fusión nuclear que liberó más energía que la necesaria para desencadenarla, pero eso no significa que estemos cerca de usar la fusión como fuente de energía.

Los resultados han renovado las esperanzas de un futuro alimentado por la energía limpia de la fusión, pero los expertos avisan de que ese objetivo aún queda muy lejos. [Lawrence Livermore National LaboratoryCC BY-NC-SA 4.0]

Los científicos del laboratorio de fusión nuclear más grande del mundo han conseguido producir el fenómeno conocido como ignición: crear una reacción nuclear que genera más energía de la que consume. Los expertos de todo el mundo se han entusiasmado con el logro del Centro Nacional de Ignición (NIF) de Estados Unidos, alcanzado el pasado 5 de diciembre. La investigación pretende aprovechar la fusión nuclear (el proceso que tiene lugar en el Sol) para proporcionar una fuente de energía limpia y casi ilimitada en la Tierra. Los científicos advierten de que, a pesar de este éxito, queda un largo camino por recorrer para conseguir ese objetivo.

«Es una hazaña increíble», comenta Mark Herrmann, subdirector del programa de física fundamental de armas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, donde se encuentra el NIF. Este hito llega tras años de trabajo de varios equipos en todos los campos, desde los láseres y la óptica hasta los blancos y los modelos informáticos, relata Herrmann. «Eso es lo que realmente estamos celebrando.»

El NIF es uno de los principales laboratorios del programa de armas nucleares del Departamento de Energía de EE.UU., y se creó para estudiar las explosiones termonucleares. El plan inicial era conseguir la ignición antes de 2012, y el centro ha recibido críticas a causa de los retrasos y los sobrecostes. En agosto de 2021, los científicos del NIF anunciaron que habían usado su láser de alta energía para producir una reacción muy próxima a la ignición, aunque no consiguieron recrear el experimento en los meses posteriores. Al final, abandonaron la idea de reproducirlo y reconsideraron el diseño experimental, una decisión que acaba de dar sus frutos.

«Mucha gente lo veía imposible, pero quienes no perdimos la fe nos sentimos validados da algún modo», comparte Michael Campbell, exdirector del laboratorio de fusión de la Universidad de Rochester y uno de los primeros defensores del NIF cuando trabajaba en el laboratorio Lawrence Livermore. «Me estoy tomando una copa para celebrarlo.»

A continuación, desgranamos el último experimento del NIF y sus repercusiones para el campo de la fusión nuclear.

¿Qué ha conseguido el NIF?

El centro usó su conjunto de 192 láseres para inyectar 2,05 megajulios de energía en un cilindro de oro del tamaño de un guisante que contenía un blanco esférico de deuterio y tritio, dos isótopos del hidrógeno. El pulso de energía calentó esa bola a temperaturas que solo se dan en las estrellas y las armas termonucleares, haciendo que implosionara. Como resultado, los isótopos de hidrógeno se fusionaron para crear helio, lo cual liberó más energía y creó reacciones de fusión en cadena. El análisis del laboratorio indica que la reacción generó 3,15 megajulios, un 54 por ciento más que la energía aportada para desencadenarla y más del doble del récord anterior del NIF, de 1,3 megajulios.

«La fusión se empezó a investigar a principios de los años 50, y este es el primer experimento de laboratorio donde la fusión produce más energía que la que consume», explica Campbell.

Sin embargo, aunque las reacciones de fusión produjeran más de 3 megajulios de energía (más de la que se había aportado al blanco), los 192 láseres consumieron 322 megajulios en el proceso. Así pues, el balance energético global es muy negativo. A pesar de ello, se considera una ignición, dado que este criterio de referencia solo tiene en cuenta la relación entre la energía que recibe el blanco y la que libera la reacción

«Es un gran avance, pero el NIF no es un instrumento que produzca energía de fusión», subraya Dave Hammer, ingeniero nuclear de la Universidad Cornell.

Herrmann también lo admite, al decir que todavía queda mucho por andar para la energía de fusión por láser. «El NIF no se diseñó para ser eficiente», apunta. «Queríamos construir el láser más grande posible para llevar a cabo un programa de investigación [nuclear] que obtuviera gran cantidad de datos.»

Los científicos del NIF hicieron muchos cambios antes del último disparo del láser, basados en parte en el análisis y los modelos informáticos de los experimentos del año pasado. Además de aumentar la intensidad del láser en torno a un 8 por ciento, crearon un blanco con menos imperfecciones y adaptado al modo en que se inyectaba la energía del láser, a fin de obtener una implosión más esférica. Los investigadores sabían que se hallaban al borde de la ignición y, según Herrmann, en esas condiciones «cualquier pequeño cambio puede suponer una gran diferencia».

¿Por qué son relevantes los resultados?

De entrada, los resultados demuestran que es posible lograr la ignición, y muchos científicos los consideran un hito en este campo. Aunque también tienen una importancia especial para el NIF. El centro se creó para ayudar a los expertos en armas nucleares a estudiar las enormes cantidades de calor y presión implicadas en las explosiones, algo que solo se puede conseguir si se generan reacciones de fusión de alto rendimiento.

Ha costado más de una década, «pero se merecen un aplauso por alcanzar su objetivo», valora Stephen Bodner, físico que antes dirigía el programa de fusión inducida por láser del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos. Para Bodner, la gran pregunta es cuál será el siguiente paso del Departamento de Energía, apostar con más fuerza por la investigación armamentista que lleva a cabo el NIF o pasar a centrarse en la investigación en energía de fusión.

¿Qué implica esto para la energía de fusión?

Los recientes resultados han renovado las esperanzas de un futuro alimentado por la energía limpia de la fusión, pero los expertos avisan de que todavía queda un largo camino por recorrer.

El NIF no se creó pensando en la producción comercial de energía de fusión, y muchos investigadores dudan de que la fusión por láser sea el método que acabe impulsándola. No obstante, Campbell piensa que este hito podría aumentar la confianza en el potencial de la técnica basada en láseres y abrir la puerta a un programa centrado en sus aplicaciones energéticas. «[Este resultado] es imprescindible para tener credibilidad a la hora de vender un programa energético», argumenta.

Kim Budil, directora del laboratorio Lawrence Livermore, se refirió a la hazaña como una prueba de concepto. «No quiero dar la impresión de que vamos a conectar el NIF a la red eléctrica: nada más lejos de la realidad», aclaró en una rueda de prensa. «Pero esta es la primera piedra para crear un programa de energía de fusión por confinamiento inercial.»

Hay muchos otros experimentos de fusión alrededor del mundo que intentan conseguir la fusión para aplicaciones energéticas usando diferentes enfoques. Sin embargo, aún existen retos técnicos, como diseñar y construir plantas que extraigan el calor producido por la reacción y lo usen para generar cantidades considerables de energía que pueda transformarse en electricidad útil.

«A pesar de ser una noticia positiva, estamos lejos de la ganancia de energía necesaria para producir electricidad», puntualizó Tony Roulstone, investigador de energía nuclear de la Universidad de Cambridge, en declaraciones a la agencia Science Media Centre.

Aun así, «los experimentos del NIF sin duda son valiosos en el camino hacia la producción comercial de energía de fusión», afirma Anne White, física de plasma del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

¿Cuáles son los siguientes objetivos?

Para demostrar que el tipo de fusión que se estudia en el NIF es una forma viable de producir energía, el rendimiento (la relación entre la energía liberada por la reacción y la empleada para generar los pulsos de láser) tiene que crecer, por lo menos, dos órdenes de magnitud.

También habrá que aumentar sobremanera la velocidad a la que se producen los pulsos láser y la rapidez a la que se puede vaciar la cámara donde se encuentra el blanco y dejarla lista para otra implosión, explica Tim Luce, director científico y de operaciones del reactor internacional de fusión nuclear ITER, que se encuentra en construcción en Francia.

«Conseguir producir suficientes eventos que generen energía de fusión con un rendimiento constante sería un hito fundamental», comenta White.

El proyecto ITER (una colaboración de más de 20.000 millones de euros entre China, la Unión Europea, la India, Japón, Corea, Rusia y Estados Unidos) pretende conseguir una fusión autosostenida, es decir, que la energía generada por la fusión produzca más fusión, con una técnica diferente al «confinamiento inercial» del NIF. El ITER mantendrá un plasma de deuterio y tritio confinado en una cámara de vacío toroidal (denominada «tokamak»), y lo calentará hasta que se fusionen los núcleos. Cuando el reactor comience a operar en 2035, se espera alcanzar una fase «ardiente», explica Luce, «en la que las reacciones de fusión constituyan la principal fuente de calor».

¿Qué implica para otros experimentos?

El NIF y el ITER utilizan dos técnicas de fusión de entre las muchas que se estudian en el mundo, que incluyen el confinamiento magnético del plasma (empleado en tokamaks y aceleradores estelares, o stellarators), el confinamiento inercial (usado por el NIF) y un enfoque híbrido.

La técnica requerida para producir electricidad a partir de la fusión es casi independiente del enfoque, apunta White, y este último hito no tiene por qué llevar a los investigadores a abandonar o combinar sus métodos.

Los retos técnicos del NIF son diferentes a los del ITER y otros centros. Sin embargo, esta hazaña simbólica podría tener efectos de largo alcance. «El resultado aumentará el interés por el avance de todos los tipos de fusión, por lo que, en general, debería tener un impacto positivo en la investigación de la fusión nuclear», afirma Luce.

Jeff Tollefson y Elizabeth Gibney/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

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