La ignición de la fusión nuclear

Un laboratorio de fusión inducida por láser ha llevado a cabo la primera reacción que libera más energía que la necesaria para desencadenarla.

La energía ultravioleta de los láseres del Centro Nacional de Ignición de EE.UU. causa la implosión de una pequeña cápsula esférica situada en el interior de un cilindro de oro, lo que conduce a la fusión del hidrógeno contenido en la cápsula. [LABORATORIO NACIONAL LAWRENCE EN LIVERMORE]

En síntesis

Un laboratorio de EE.UU. ha alcanzado un hito en la fusión nuclear: una reacción que produjo más energía de la que se aportó al blanco.

Sin embargo, eso no significa que estemos cerca de generar energía limpia de fusión: los láseres empleados para provocar la reac­ción consumen mucha energía, así que el balance energético global fue muy negativo.

Otras dificultades técnicas ponen en duda que la fusión inducida por láser sea una forma viable de producir electricidad comercial, si bien el nuevo resultado podría impulsar ese método y otros enfoques basados en la fusión.

Los científicos del laboratorio de fusión nuclear más grande del mundo han logrado por primera vez el fenómeno conocido como ignición: inducir una reacción de fusión que genera más energía de la que consume. Los expertos de todo el mundo se han entusiasmado con este logro del Centro Nacional de Ignición (NIF) de Estados Unidos, alcanzado el pasado 5 de diciembre. No obstante, advierten de que el objetivo de aprovechar la fusión nuclear (el proceso que tiene lugar en el Sol) para obtener una fuente de energía limpia y casi ilimitada en la Tierra aún queda muy lejos.

«Se trata de una hazaña increíble», sentencia Mark Herrmann, subdirector del programa de física fundamental de armas del Laboratorio Nacional Lawrence en Livermore, donde se halla el NIF. El hito llega tras años de trabajo de diversos equipos en todo tipo de campos, desde los láseres y la óptica hasta los blancos y los modelos informáticos, detalla Herrmann. «Eso es, sin duda, lo que 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 empleado su láser de alta energía para provocar 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 de 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 en 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 se ha logrado?

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 con deuterio y tritio (dos isótopos del hidrógeno) congelados. El pulso de energía calentó esa cápsula 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.

Cámara del Centro Nacional de Ignición de EE.UU. donde se llevan a cabo los experimentos de fusión nuclear inducida por láser. El pasado 5 de diciembre, los 192 láseres del laboratorio inyectaron más de dos millones de julios de energía ultravioleta en una pequeña cápsula con combustible para lograr la ignición. [LABORATORIO NACIONAL LAWRENCE EN LIVERMORE]

«La fusión se empezó a investigar a principios de los años 50, y este es el primer experimento de laboratorio donde genera más energía de la que consume», explica Campbell. Sin embargo, aunque las reacciones de fusión produjeran más de 3 megajulios de energía (más de la que se aportó a la cápsula), los 192 láseres consumieron unos 322 megajulios en el proceso. Así pues, el balance energético global es muy negativo. A pesar de ello, se considera que hubo 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.

«Representa un gran avance, pero el NIF no es un instrumento centrado en la energía de fusión», subraya Dave Hammer, ingeniero nuclear de la Universidad Cornell. Herrmann lo admite, al señalar que todavía queda mucho por andar para la energía de fusión inducida 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. Aparte 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 eran conscientes de que se hallaban al borde de la ignición y, según Herrmann, en esas condiciones «cualquier pequeña modificación puede supo­ner una gran diferencia».

¿Por qué es relevante este resultado?

De entrada, el resultado demuestra que es posible lograr la ignición, y muchos científicos lo consideran un hito en este campo. Pero también tiene 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 EE.UU. Para Bodner, la gran pregunta es cuál será el siguien­te paso del Departamento de Energía, apostar con más fuerza por la investigación armamentística que se desarrolla en el NIF o pasar a centrarse en la energía de fusión.

¿Nos acerca a 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 alertan de que aún 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 inducida 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 Nacional Lawrence en Livermore, se refirió al hito 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 en el mundo que intentan conseguir la fusión para aplicaciones energéticas empleando distintos 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.

«Aunque es una noticia positiva, estamos le­jos de la ganancia energética necesaria para ge­nerar electricidad», puntualiza Tony Roulstone, experto en energía nuclear de la Universidad de Cambridge. Sin embargo, «los experimentos del NIF sin duda son valiosos en el camino hacia la producción comercial de energía de fusión», asegura Anne White, física de plasma del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

¿Cuáles son los siguientes pasos?

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 láser) tiene que crecer, por lo menos, en 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, con el fin de dejarla lista para otra implosión, explica Tim Luce, director científico y de operaciones del reactor de fusión nuclear ITER, que se halla en construcción en Francia. «Lograr producir suficientes eventos que generen energía de fusión con un rendi­miento constante sería un hito fundamental», opina 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, usando una técnica diferente al «confinamiento inercial» del NIF. 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».

¿Cómo afecta a otros experimentos?

ITER y el NIF utilizan dos técnicas de fusión de entre las muchas que se estudian en el mundo, las cuales 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 generar 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 a los que se enfrenta el NIF son diferentes a los del ITER y otros centros. Sin embargo, esta hazaña simbólica podría tener efectos de largo alcance. «Un resultado así hará que aumente el interés por el avance de todos los tipos de fusión, así que, en general, debería tener efectos positivos en la investigación de la fusión nuclear», concluye Luce.

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

Este artículo apareció publicado en línea en la sección de Actualidad Científica el 21 de diciembre de 2022.

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