Fusión nuclear: un hito científico que esperó 70 años para hacerse realidad

Más energía de salida que de entrada. Con ese resultado, saltaron todos los pronósticos y se desataron los festejos. Con este hito se terminó una búsqueda científica que llevó 70 años. Por primera vez el hombre logró la fusión nuclear.

Es que durante 7 décadas, los científicos han perseguido este elusivo objetivo, conocido como ganancia de energía mediante la utilización de la fusión nuclear, un combustible que promete revolucionar el mundo y enterrar definitivamente los combustibles fósiles, tan contaminantes.

A la 1 a. m. del 5 de diciembre, los investigadores de la Instalación Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés) en California, EEUU, finalmente lograron la fusión nuclear, enfocando 2,05 megajulios de luz láser en una pequeña cápsula de combustible de fusión y provocando una explosión que produjo 3,15 MJ de energía, el equivalente a aproximadamente tres cartuchos de dinamita. La ganancia de energía fue de un 50% más. Un éxito impensado años atrás.

“Esto es extremadamente emocionante, es un gran avance”, relató emocionada la doctora en Física de plasma Anne White, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, que no participó en el trabajo. Mark Herrmann, quien dirige NIF como director del programa de física y diseño de armas en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, indicó que todo el momento fue “maravilloso”: “Estoy muy orgulloso del equipo”.

El resultado, anunciado ayer por funcionarios del Departamento de Energía de EEUU (DOE), representa una inyección de energía para los investigadores de fusión, que durante mucho tiempo han sido criticados por prometer demasiado y no cumplir. La fusión nuclear tiene la tentadora promesa de abundante energía libre de carbono, sin muchos de los dolores de cabeza radiactivos que trae aparejada la energía nuclear impulsada por fisión.

Pero para haber logrado este higo, lo científicos debieron hacer que los iones de hidrógeno se fusionen en helio y liberen energía, lo que requiere temperaturas de millones de grados centígrados, condiciones que son difíciles de lograr y mantener. El resultado de NIF muestra que es posible, al menos por una fracción de segundo. “Tres MJ es un infierno de mucha energía. Muestra que algo está funcionando”, indicó el físico de plasma Steven Rose del Imperial College London.

A pesar de la fanfarria, las centrales eléctricas de fusión siguen siendo un sueño lejano. Es que el proyecto NIF nunca fue diseñado para producir energía comercialmente. Su función principal es crear explosiones termonucleares en miniatura y proporcionar datos para garantizar que el arsenal de armas nucleares de EEUU sea seguro y confiable

Otro experimento avanzado de fusión nuclear es el desarrollado en el reactor ITER en construcción en Francia, que concretamente está muy retrasado. Está muy por encima del presupuesto, se ha retrasado mucho y no alcanzará el punto de equilibrio hasta finales de la década de 2030 como muy pronto. Con el nuevo éxito de NIF, los defensores de tal “energía de fusión inercial” basada en láser promete avanzar hacia la etapa comercial en los próximos años.

El NIF de $3.500 millones inició su campaña de “encendido” en 2010 . Su láser, alojado en un edificio del tamaño de tres campos de fútbol estadounidenses, emite un potente pulso infrarrojo de nanosegundos de duración dividido en 192 haces que se convierten en luz ultravioleta. Los rayos se enfocan en el objetivo: una lata de oro del tamaño de un borrador de lápiz que contiene una cápsula de combustible del tamaño de un grano de pimienta. Calentado a millones de grados, el oro emite rayos X que vaporizan la cubierta de diamante de la cápsula. El diamante explotado implosiona el combustible, comprimiéndolo y calentándolo.

Si la compresión del combustible es lo suficientemente simétrica, las reacciones de fusión comienzan en un punto caliente central y se propagan suavemente hacia el exterior, con el calor de la fusión provocando más combustión. Esa quemadura autosostenida es lo que define la ignición, y después de más de una década de esfuerzo en este proyecto, los científicos del NIF declararon ayer haber logrado logrado ese hito después de que un disparo produjera el 50% de la energía láser de entrada.

Antes de este histórico experimento hubo otros importantes que lo precedieron, como el ocurrido en agosto de 2021, donde usaron una cápsula de diamante suave resultó ser clave. “Tuvimos que aprender a mejorar las cápsulas”, indicó Herrmann, que contó que hicieron la nueva cápsula en 2022 un poco más gruesa, lo que proporcionó más impulso para la implosión pero requirió un pulso láser más largo y potente. Así que ajustaron el láser para sacar más jugo, aumentando la energía de 1,9 MJ a 2,05 MJ.

Un disparo en septiembre produjo 1,2 MJ, lo que mostró a los investigadores del NIF que estaban en el camino correcto, pero la simetría era mala: el combustible se aplastó en un panqueque en lugar de una bola apretada. Al ajustar la energía entre los 192 rayos del láser, pudieron obtener una implosión más esférica, y la semana pasada finalmente ganaron el premio gordo. “El fenómeno físico ha sido demostrado”, dice Riccardo Betti del Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester.

Sin embargo, si ganancia significaba producir más energía de salida que electricidad de entrada, NIF se quedó corto. Sus láseres son ineficientes y requieren cientos de megajulios de electricidad para producir 2 MJ de luz láser y 3 MJ de energía de fusión. Además, una planta de energía basada en NIF necesitaría aumentar la tasa de repetición de un disparo por día a alrededor de 10 por segundo. Se necesitaría fabricar, llenar, posicionar, volar y limpiar un millón de cápsulas al día, un gran desafío de ingeniería.

El esquema NIF tiene otra ineficiencia, dice Betti. Se basa en el “impulso indirecto”, en el que el láser dispara la lata de oro para generar los rayos X que realmente provocan la fusión. Solo alrededor del 1% de la energía del láser llega al combustible, dice. Prefiere la “impulsión directa”, un enfoque seguido por su laboratorio, donde los rayos láser se disparan directamente sobre una cápsula de combustible y depositan el 5% de su energía. Pero el DOE nunca ha financiado un programa para desarrollar la fusión por inercia para la generación de energía. En 2020, el Comité Asesor de Ciencias de la Energía de Fusión de la agencia lo recomendó, en un informe en coautoría de Betti y White. “Necesitamos un nuevo paradigma”, dice Betti, pero “no hay un camino claro sobre cómo hacerlo”.

Ahora que NIF ha descifrado el acertijo y los investigadores esperan que la fusión láser gane credibilidad y fluya más financiación a partir del anuncio. Después del largo trabajo para llegar hasta aquí, Betti bromea sobre pasar la batuta. “Este es un primer paso muy importante”, dice. “Lo hemos hecho ahora, así que puedo retirarme”.

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