Importante avance energético: hito logrado en el experimento de fusión de EE. UU.

Fue promocionado como un «gran avance científico» y, al parecer, los rumores eran ciertos: el martes, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore anunciaron que, por primera vez, lograron una ganancia neta de energía en un experimento de fusión controlada.

«Hemos dado los primeros pasos tentativos hacia una fuente de energía limpia que podría revolucionar el mundo», dijo Jill Hruby, administradora de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear, en una conferencia de prensa el martes.

El triunfo viene por cortesía de la Instalación Nacional de Ignición en LLNL en San Francisco. Esta instalación ha tratado durante mucho tiempo de dominar la fusión nuclear, un proceso que alimenta al sol y otras estrellas, en un esfuerzo por aprovechar las enormes cantidades de energía liberadas durante la reacción porque, como señala Hruby, toda esa energía es «limpia». energía.

Sin embargo, a pesar de décadas de esfuerzo, hubo un problema importante en estos experimentos de fusión: la cantidad de energía utilizada para lograr la fusión ha superado con creces la energía que sale. Como parte de la misión NIF, los científicos habían esperado durante mucho tiempo lograr el «encendido», donde la salida de energía es «mayor o igual a la energía del impulsor láser».

Algunos expertos se han mostrado escépticos de que tal hazaña fuera incluso posible con reactores de fusión actualmente en operación. Pero lentamente, NIF siguió adelante. En agosto del año pasado, LLNL reveló que se había acercado a este umbral al generar alrededor de 1,3 megajulios (una medida de energía) contra una unidad láser que usa 1,9 megajulios.

Pero el 5 de diciembre, dicen los científicos del LLNL, lograron cruzar el umbral.

Consiguieron la ignición.

Con todo, este logro es motivo de celebración. Es la culminación de décadas de investigación científica y progreso incremental. Es un paso adelante crítico, aunque pequeño, para demostrar que este tipo de reactor puedenDe hecho, generar energía.

«Alcanzar la ignición en un experimento de fusión controlada es un logro que se ha producido después de más de 60 años de investigación, desarrollo, ingeniería y experimentación a nivel mundial», dijo Hruby.

«Es un hito científico», dijo Arati Prabhakar, directora de políticas de la Oficina de Ciencia y Tecnología de la Casa Blanca, durante la conferencia, «pero también es una maravilla de la ingeniería».

Aún así, una plataforma completamente operativa, conectada a la red y utilizada para alimentar hogares y negocios, probablemente aún falten algunas décadas.

«Esta es una cápsula de encendido a la vez», dijo Kim Budil, director de LLNL. «Para obtener energía de fusión comercial, debe hacer muchas cosas. Debe poder producir muchos, muchos eventos de ignición de fusión por minuto, y debe tener un sistema robusto de controladores para permitir eso».

Entonces … ¿cómo fue que llegamos aquí? ¿Y qué depara el futuro para la energía de fusión?

Simulando estrellas

La física subyacente de la fusión nuclear ha sido bien comprendida durante casi un siglo.

La fusión es una reacción entre los núcleos de los átomos que se produce en condiciones extremas, como las presentes en las estrellas. El sol, por ejemplo, tiene aproximadamente un 75 % de hidrógeno y, debido al calor y la presión que todo lo abarcan en su núcleo, estos átomos de hidrógeno se comprimen entre sí, fusionando para formar átomos de helio.

Si los átomos tuvieran sentimientos, sería fácil decir que no los tienen particularmente. me gusta siendo aplastados juntos. Se necesita mucha energía para hacerlo. Las estrellas son potencias de fusión; su gravedad crea las condiciones perfectas para una reacción de fusión autosostenida y siguen ardiendo hasta que todo su combustible, esos átomos, se agotan.

Esta idea forma la base de los reactores de fusión.

Construir una unidad que pueda recrear artificialmente las condiciones dentro del sol permitiría una fuente de energía extremadamente verde. Fusion no produce directamente gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono y el metano, que contribuyen al calentamiento global.

Y, lo que es más importante, un reactor de fusión tampoco tiene las desventajas de la energía nuclear. fisión, la división de los átomos utilizados en las bombas y reactores nucleares en la actualidad.

En otras palabras, una planta de energía de fusión no produciría los desechos radiactivos asociados con la fisión nuclear.

El gran experimento de fusión

El NIF, que ocupa el espacio de alrededor de tres campos de fútbol en LLNL, es el experimento de «fusión de confinamiento inercial» más poderoso del mundo.

En el centro de la cámara se encuentra un objetivo: un «hohlraum», o dispositivo en forma de cilindro que alberga una pequeña cápsula. La cápsula, del tamaño de un grano de pimienta, está llena de isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio, o combustible DT, para abreviar. El NIF enfoca los 192 láseres en el objetivo, creando un calor extremo que produce plasma y provoca una implosión. Como resultado, el combustible DT está sujeto a temperaturas y presiones extremas, fusionando los isótopos de hidrógeno en helio, y una consecuencia de la reacción es una tonelada de energía adicional y la liberación de neutrones.

Puede pensar en este experimento como una simulación breve de las condiciones de una estrella.

Sin embargo, la parte complicada es que la reacción también requiere una tonelada de energía para comenzar. Alimentar todo el sistema láser utilizado por el NIF requiere más de 400 megajulios, pero solo un pequeño porcentaje en realidad golpea el hohlraum con cada disparo de los rayos. Anteriormente, el NIF había sido capaz de alcanzar el objetivo de manera bastante consistente con alrededor de 2 megajulios de sus láseres.

Pero el 5 de diciembre, durante una carrera, algo cambió.

«La semana pasada, por primera vez, diseñaron este experimento para que el combustible de fusión permaneciera lo suficientemente caliente, lo suficientemente denso y redondo durante el tiempo suficiente para que se encendiera», dijo Marv Adams, administrador adjunto de la NNSA, durante la conferencia. «Y produjo más energía que la que habían depositado los láseres».

Más específicamente, los científicos del NIF iniciaron una reacción de fusión utilizando alrededor de 2 megajulios de energía para alimentar los láseres y pudieron obtener alrededor de 3 megajulios. Basado en la definición de ignición utilizada por NIF, el punto de referencia se ha superado durante este breve pulso.

También puede ver que la ganancia de energía en una reacción de fusión se indica mediante una variable, Q.

Al igual que la ignición, el valor Q puede referirse a diferentes cosas para diferentes experimentos. Pero aquí, se refiere a la entrada de energía de los láseres frente a la salida de energía de la cápsula. Si Q = 1, los científicos dicen que han alcanzado el «punto de equilibrio», donde la energía que entra es igual a la energía que sale.

El valor Q para esta ejecución, por contexto, fue de alrededor de 1,5.

En el gran esquema de las cosas, la energía creada con este valor Q es solo suficiente para hervir agua en una tetera.

«El cálculo de la ganancia de energía solo considera la energía que golpeó el objetivo, y no la [very large] consumo de energía que se dedica a respaldar la infraestructura», dijo Patrick Burr, ingeniero nuclear de la Universidad de Nueva Gales del Sur.

El NIF no es la única instalación que persigue la fusión, y el confinamiento inercial no es la única forma de impulsar el proceso. «El enfoque más común es la fusión confinada magnéticamente», dijo Richard Garrett, asesor principal en proyectos estratégicos de la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear. Estos reactores usan campos magnéticos para controlar la reacción de fusión en un gas, generalmente en un reactor de dona gigante y hueco conocido como tokamak.

Esos dispositivos tienen una densidad mucho más baja que los gránulos de NIF, por lo que las temperaturas deben aumentarse a más de 100 millones de grados. Garrett dijo que no espera que el resultado de NIF acelere los programas de fusión de tokamak porque, fundamentalmente, los dos procesos funcionan de manera bastante diferente.

Sin embargo, también se está logrando un progreso significativo con la fusión confinada magnéticamente. Por ejemplo, el experimento ITER, en construcción en Francia, utiliza un tokamak y se espera que comience a probarse en la próxima década. Tiene objetivos elevados, con el objetivo de lograr una Q mayor que 10 y desarrollar la fusión comercial para 2050.

El futuro de la fusión

El experimento en NIF podría ser transformador para la investigación, pero no se traducirá de inmediato en una revolución de la energía de fusión. Este no es un experimento para generar energía. Es una prueba de concepto.

Este es un punto al que vale la pena prestar atención hoy, especialmente porque la fusión a menudo se ha promocionado como una forma de combatir la crisis climática y reducir la dependencia de los combustibles fósiles o como un remedio para los problemas energéticos del mundo. La construcción y la utilización de la energía de fusión para alimentar hogares y negocios todavía está lejos (décadas, de manera conservadora) y depende inherentemente de las mejoras tecnológicas y la inversión en fuentes de energía alternativas.

Generando alrededor de 2,5 megajulios de energía cuando el total la entrada del sistema láser está muy por encima de los 400 megajulios, por supuesto, no es eficiente. Y en el caso del experimento NIF, fue un pulso corto.

Mirando más adelante, se requerirán pulsos largos, constantes y confiables si se quiere que esto sea lo suficientemente sostenible como para alimentar teteras, hogares o ciudades enteras.

«Es poco probable que la energía de fusión… nos salve del cambio climático», dijo Ken Baldwin, físico de la Universidad Nacional de Australia. Si queremos evitar los mayores aumentos en la temperatura promedio global, es probable que la energía de fusión llegue un poco tarde.

Otra inversión provendrá de empresas privadas, que buscan operar reactores de fusión tokamak en los próximos años. Por ejemplo, Tokamak Energy en el Reino Unido está construyendo un reactor tokamak esférico y busca alcanzar el punto de equilibrio a mediados de esta década.

Luego está Commonwealth Fusion Systems, derivado del MIT, que espera generar alrededor de 400 megavatios de energía, suficiente para decenas de miles de hogares, para la década de 2030. Las plantas de energía nuclear modernas pueden producir casi tres veces más.

Y como señaló el editor de CNET, Stephen Shankland, en un artículo reciente, los reactores de fusión también deberán competir con la energía solar y eólica, por lo que incluso con los hallazgos reveladores de hoy, la energía de fusión permanece arraigada en la fase experimental de su existencia.

Pero ahora podemos mirar hacia el futuro.

Puede que no prevenga lo peor del cambio climático, pero, aprovechando todo su potencial, podría producir un suministro de energía casi ilimitado para las generaciones venideras. Una cosa es pensar en el futuro de la energía en la Tierra y cómo se utilizará, pero nuestros ojos pueden caer en horizontes aún más lejanos: los viajes al espacio profundo podrían utilizar reactores de fusión que nos llevarán mucho más allá de los alcances de la gravedad de nuestro sol. lo mismo que ayudó a enseñarnos sobre las reacciones de fusión y el espacio interestelar.

Quizás entonces, recordaríamos el 5 de diciembre de 2022, como el primer pequeño paso hacia lugares con los que una vez solo nos atrevimos a soñar.

Corrección, 8:44 am PT: Este artículo inicialmente expresó erróneamente la cantidad de energía en la reacción de fusión. NIF activó los láseres con aproximadamente 2 megajulios y produjo como resultado 3 megajulios.