Generan ‘plasma ardiente’, nuevo hito en la 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.
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.
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.
Dos nuevos hitos por delante
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 ya obtuvieron plasmas con un rendimiento de 1,35
megajulios, un avance del año para la revista Science.
“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.
Futuro
plasma ardiente en el ITER
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.
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”.
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