En el camino hacia una fuente de energía limpia e ilimitada, científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de EE UU han logrado un paso clave: el ‘autocalentamiento’ de la materia en estado de plasma mediante procesos de fusión nuclear.
La fusión nuclear genera la luz y el calor de las estrellas, y en la Tierra también podría ser nuestra fuente de energía sostenible en el futuro. A diferencia de lo que ocurre en las reacciones de fisión de las centrales nucleares actuales, donde un núcleo atómico se divide en dos más ligeros, en las de fusión se unen dos núcleos ligeros (generalmente deuterio y tritio, dos isótopos del hidrogeno) para formar otro más pesado y producir energía.
Pero recrear este proceso en el laboratorio resulta todo un reto, ya que se consume mucha más energía de la que se obtiene, y hay que ir superando varios pasos críticos. Uno de ellos es lograr el autocalentamiento de la materia en un estado de plasma (no es ni sólido, ni líquido ni gas) mediante la fusión nuclear, y esta semana investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), en California (EE UU), informan de que lo han conseguido.
Según el estudio que publican en la revista Nature, han obtenido un ‘plasma ardiente’, en el que la fusión nuclear es la principal fuente de calor para mantener el combustible de deuterio-tritio en un estado de plasma lo suficientemente caliente como para permitir más reacciones de fusión.
“Por primera vez en una instalación de investigación de fusión, el combustible se ha autocalentado en su mayor parte”, declara a SINC uno de los autores, el físico Chris Young, que explica: “Para que se produzcan las reacciones de fusión es necesario calentar mucho el combustible con algún tipo de fuente de calor externa, pero en un plasma ardiente (cuyo núcleo está a unos 58 millones de grados Celsius) son las propias reacciones de fusión las que calientan el plasma más que ese calentamiento externo”.
“Por tanto, la creación de un plasma ardiente es un claro hito en el camino para demostrar que se puede generar energía a partir de la fusión, lo que sería relevante para la producción de electricidad”, subraya Young.
La combustión del plasma se ha realizado en la instalación National Ignition Facility (NIF) del laboratorio californiano utilizando 192 rayos láser, con los que se ha calentado y comprimido rápidamente una cápsula que contenía 200 microgramos de combustible termonuclear de deuterio-tritio, alcanzando temperaturas y presiones lo suficientemente altas como para desencadenar las reacciones de fusión del autocalentamiento.
En la ‘bahía de objetivos’ del NIF, que también fue la sala de máquinas de la nave Enterprise en la película ‘Star Trek: Into Darkness’, 192 rayos láser convergen en el centro de esta esfera gigante para hacer implosionar la diminuta cápsula de combustible con isótopos de hidrógeno. / Damien Jemison
El procedimiento empleado ha sido la fusión por confinamiento inercial (ICF, por sus siglas en inglés), “donde se utiliza la ‘inercia’ de una cáscara de material que implosiona mediante los láseres, para así confinar y calentar el combustible de fusión en su interior”, apunta el físico, quien confirma que el proceso dura muy poco: “En la fusión por confinamiento inercial, el plasma arde hasta un par de cientos de picosegundos (billonésima parte de un segundo, 10-12 segundos)”.
Los anteriores intentos para conseguir el plasma ardiente estaban limitados por problemas a la hora de controlar su forma y evitar que se alterara el modo en que los rayos láser depositan la energía sobre él, pero el diseño experimental mejorado que han conseguido los científicos del LLNL ha permitido utilizar cápsulas que pueden contener más combustible y absorber más energía mientras mantienen el plasma. Los detalles de la optimización del sistema los publican también esta semana en la revista Nature Physics.
Diseño del experimento antes (izquierda) y después de ser mejorado (derecha). / Nigel Woolsey adaptado de Zylstra et al.
El rendimiento generado en estos experimentos, donde se ha alcanzado un valor máximo de hasta 170 kilojulios de energía, triplica el obtenido en ensayos anteriores.
Los autores consideran que esto supone un hito en fusión nuclear, pero reconocen que queda un largo camino por delante hasta que se consiga producir electricidad a escala comercial mediante este procedimiento.
“La construcción de un reactor conlleva un enorme número de retos técnicos adicionales, y nuestra atención actual se centra en la ciencia subyacente”, señala Young, quien adelanta que los próximos hitos incluyen la demostración de la ‘ignición’ de la fusión y después la "ganancia de energía”. En 2021, los científicos del LLNL obtuvieron plasmas con un rendimiento de 1,35 megajulios, un avance del año para la revista Science pendiente de confirmación.
“En un plasma ardiente –explica– sus condiciones son tales que el autocalentamiento de las partículas alfa (protones y neutrones generados del deuterio tritio) en el plasma supera el calentamiento procedente de fuentes externas; pero en un plasma en ignición o encendido, el autocalentamiento de esas partículas alfa es ya tan grande que supera con creces todas las pérdidas de energía en el plasma de fusión, produciéndose una inestabilidad termodinámica”.
El siguiente paso será la ganancia de energía, “que se produce cuando se obtiene más energía de la fusión de la que se ha introducido para crear el plasma. Es necesario llegar a este punto antes de que la energía de fusión nuclear sea comercialmente viable. Básicamente, los pasos de dificultad creciente son el plasma ardiente, la ignición y la ganancia de energía”, resume Young.
El físico aclara que el concepto de plasma ardiente es aplicable a todos los enfoques de fusión nuclear, aunque el modo de llegar a él pueda ser por vías muy diferentes. En su caso, han utilizado el confinamiento inercial con láseres, pero también existe la opción de la energía de fusión magnética (MFE), donde se utilizan campos electromagnéticos para confinar y calentar el plasma.
Este último enfoque es el que se sigue en el ITER, la enorme instalación experimental que se está construyendo, de forma lenta pero segura, en el sur de Francia. Su objetivo también es demostrar que la fusión nuclear puede ayudar a resolver el problema energético en la Tierra y para ello sus promotores generarán un plasma que circulará a 150 millones de grados centígrados, enjaulado dentro de una gran cámara de vacío con forma de dónut mediante potentísimos campos magnéticos.
ITER (que significa ‘camino’ en latín) será un proyecto experimental y no volcará energía a la red eléctrica, pero sí lo hará su sucesor: DEMO, un reactor de demostración que permita producir electricidad a partir de procesos de fusión. En ambos casos los componentes del plasma serán también el deuterio y el tritio, que reaccionaran para generar helio y neutrones. Estos son los que transferirán su energía para la generación eléctrica.
En la instalación IFMIF-DONES de Granada se recrearán las condiciones de irradiación que se produzcan en las reacciones de fusión, con el objetivo de validar los materiales que se encuentren cerca de ellas, ya sea en un reactor como ITER o DEMO o en instalaciones similares a NIF
Pero para que esto sea posible y rentable es necesario desarrollar materiales capaces de resistir los neutrones de alta energía y el elevado flujo de calor. El proyecto con el que se va a abordar este reto es IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility). Su misión será generar una base de datos de materiales irradiados que sirvan para el reactor DEMO desarrollando varias fases, y una de ellas incluye una instalación en España: IFMIF-DONES.
“En esta instalación se recrearán las condiciones de irradiación por neutrones que se producirán tras las reacciones de fusión, con el objetivo de validar los materiales que se encuentren cerca de ellas, ya sea en un reactor de fusión como ITER o DEMO o en instalaciones similares a NIF, ya que el problema es similar para los distintos procedimientos”, comenta a SINC José Aguilar, coordinador de la Oficina Técnica de IFMIF-DONES.
Aguilar recuerda que en 2017 la Unión Europea decidió que la ubicación de IFMIF-DONES en territorio europeo se llevaría a cabo en Escúzar (Granada), “y actualmente estamos realizando trabajos de ingeniería para prepararnos para el inicio de la fase de construcción, tan solo a falta de la confirmación oficial a nivel europeo en los próximos meses”.
Aunque de momento no se ha publicado en ninguna revista científica, investigadores de China han informado que su reactor Tokamak Experimental Superconductor Avanzado (EAST, por sus siglas en inglés), también conocido como el ‘sol artificial’ chino, ha logrado una “operación continua de plasma” a altas temperaturas durante un poco más de 17 minutos, lo que supondría el mayor tiempo de funcionamiento de su tipo en el mundo.
El avance fue anunciado el 31 de diciembre de 2021, a través de la agencia oficial de noticias china Xinhua, por el investigador Gong Xianzu del Instituto de Física del Plasma de la Academia China de Ciencias (ASIPP), quien está a cargo del experimento en la ciudad de Hefei. Como combustible se ha utilizado “deuterio, que abunda en el mar”.
“Ya logramos una temperatura de plasma de 120 millones de grados Celsius durante 101 segundos en un experimento realizado en el primer semestre de 2021”, indicó Gong, “y esta vez el funcionamiento del plasma en estado estable se mantuvo durante 1.056 segundos a una temperatura cercana a los 70 millones de grados Celsius, sentando una sólida base científica y experimental hacia el funcionamiento de un reactor de fusión”.
El objetivo final del reactor EAST, al igual que el de otras instalaciones de fusión nuclear en todo el mundo, como las del LLNL en Estados Unidos o las futuras del ITER y DEMO, es proporcionar energía limpia y definitiva para el futuro de la humanidad.
Investigadores en el centro de control del reactor de fusión nuclear chino EAST. / Xinhua/Zhou Mu
Referencias:
Alex B. Zylstra, C. V. Young et al. “Burning plasma achieved in inertial fusión”. Nature, 2022.
A. L. Kritcher, C. V. Young et al. “Design of inertial fusion implosions reaching the burning plasma regime”. Nature Physics, 2022.
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