Agosto 1, 2023.
Al fin es posible emular de manera controlada, el proceso que le da vida a las estrellas, este es, la Fusión Nuclear con Alta Ganancia. Desde la década de los años 50 del s. 20, la humanidad conoce de la fusión nuclear y la produce (armas nucleares), pero no de manera controlada y con alta ganancia.
Luego de muchos años de trabajo, los físicos e ingenieros lo hicieron, el pasado Diciembre 13, 2023, el Departamento de Energía de los EUA (U.S. Department of Energy) y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear de EUA (National Nuclear Security Administration), anunciaron el logro de una exitosa reacción de Fusión Nuclear con Alta Ganancia de Energía. El evento tuvo lugar en las instalaciones del NIF (National Ignition Facility), una sofisticada instalación en el Lawrence Livermore National Laboratory en California, EUA.
Los físicos del NIF lograron emular exitosamente el proceso estelar de fusión nuclear, al obtener más energía que la invertida en la producción del complejo proceso subatómico. En el proceso invirtieron 2,05 MJ (Mega Joule), y obtuvieron 3,15 MJ (Mega Joule), casi un 70% de ganancia de energía.
El Sofisticado Proceso para Emular al Sol
El extremadamente complejo proceso de fusión nuclear tiene una base muy simple, dos átomos deben juntarse lo suficiente para lograr que surja entre sus nucleones la Fuerza Nuclear Fuerte, que los mantendrá juntos como un núcleo atómico nuevo (más pesado que sus núcleos progenitores). El nuevo núcleo captará sus respectivos electrones, emergiendo como un flamante átomo nuevo, diferente a sus progenitores. La reacción nuclear de fusión es exotérmica, esto es, se libera energía en forma de luz y calor, en particular una gran cantidad de energía; además de obtenerse neutrones muy rápidos.
Para lograr que la Fuerza Nuclear Fuerte actúe y produzca la “magia” de la fusión nuclear, los núcleos atómicos progenitores deben estar muy cerca, esto es, distancias del orden de los fermis (m). Pero para lograr este acercamiento deben vencer la fuerza electrostática que los repele entre sí, es un obstáculo electromagnético llamado Barrera de Coulomb, que requiere mucha energía para ser superada. Una vez trascendido el umbral electrostático al vencer la Barrera de Coulomb, la fuerza nuclear fuerte produce la intensa atracción de los nucleones, conformando un núcleo estable capaz de atraer electrones, creándose así un átomo más pesado, además de liberarse neutrones y una gran cantidad de energía.
La Fusión por Confinamiento Inercial (FCI), es la técnica que usaron en el NIF para vencer la Barrera de Coulomb y lograr fundir átomos de Deuterio y de Tritio. Es simple, se comprime la muestra del material a fusionar para que sus átomos estén muy cerca, y al mismo tiempo se les golpea con fotones muy energéticos. Los fotones incrementan el momentum lineal de los nucleones, logrando velocidades tan altas, que vencen la Barrera de Coulomb, iniciando la fusión nuclear. En el NIF usan Deuterio (D) y Tritio (T), los dos átomos se fusionan, generando una inmensa cantidad de energía, más Helio (He), y muchos neutrones muy rápidos:
2H1 + 3H1 -> 4He2 + 1n0 + E
La Creación de una Diminuta Estrella. (Ver Imagen).
La reacción de fusión nuclear controlada se logra en una diminuta esfera (d <1mm) fotoablasiva, llena con el material fusionable (10 mg de D-T), en condiciones criogénicas. La esfera es de poliestireno, recubierta con una aleación de Berilio (Be) y Cobre (Cu), capaz de absorber eficientemente Rayos X. La esfera criogénica del tamaño de la cabeza de un alfiler, es contenida en un dispositivo hueco hecho de oro (Au) llamado Hohlraum, el cual es montado dentro de la cámara de vacío, lugar en donde será alcanzado por medio millar de TeraWatts de energía, suministrados por 192 láseres de luz UV.
Cuando el Hohlraum recibe el poderoso disparo láser UV, lo absorbe y emite intensos Rayos X; los fotones muy energéticos de los RX son absorbidos por la capa plástica fotoablasiva que cubre al D-T, la cual se convierte en plasma y es expulsada violentamente. La acción de expulsión de la capa plástica crea una reacción de compresión de la gota de D-T, es una implosión que aumenta centenares de veces la densidad del D-T. Durante la implosión, poderosas ondas de choque recorren la super densa gota de D-T, que además recibe todo el calor láser.
Con la extremadamente alta densidad, los átomos de Deuterio y Tritio se acercan muchísimo, y además obtienen altísimas velocidades por los fotones RX e IR. En estas condiciones los nucleones logran la energía suficiente para vencer la Barrera de Coulomb y fusionarse, es la ignición nuclear. Todo el D –T y el Hohlraum se consumen, quedando sólo mucha energía, helio y neutrones.
Todavía falta.
Obtener, controlar y sostener el proceso de Fusión Nuclear de Alta Ganancia es una de las metas de la civilización, ya que este proceso nuclear es limpio, genera mucha energía y no deja residuos dañinos o tóxicos. El exitoso experimento del NIF nos acerca más a entender los detalles del funcionamiento de la fusión nuclear con alta ganancia, es un paso en la dirección correcta para obtener un Reactor Nuclear de Fusión funcional de alta ganancia, pero todavía falta mucho. Esperamos por los resultados del proyecto de fusión nuclear europeo, el ITER – DEMO; y por el proyecto de fusión nuclear japonés, el JT-60; ambos proyectos usan la técnica de Confinamiento Magnético, con sus sofisticados Tokamak.
Es una carrera contra el tiempo, la humanidad necesita fuentes de energía abundante y limpia, y por los momentos parece que ese tesoro se encuentra en el micro mundo de los átomos.
Por OAGE
Física 1643
Referencias: Lawrence Livermore National Laboratory; National Ignition Facility (NIF).