Fusion Ignition se convierte en una realidad; Punto de equilibrio energético alcanzado en Lawrence Laboratory

CIENCIASFÍSICAFusion Ignition se convierte en una realidad; Punto de equilibrio energético alcanzado en Lawrence Laboratory

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han logrado la ignición por fusión y el equilibrio energético. el 5th En diciembre de 2022, el equipo de investigación llevó a cabo un experimento de fusión controlada utilizando láseres cuando 192 rayos láser emitieron más de 2 millones de julios de energía ultravioleta a una diminuta pastilla de combustible en la cámara objetivo criogénica y lograron un equilibrio energético, lo que significa que el experimento de fusión produjo más energía que proporcionado por el láser para impulsarlo. Este avance se logró por primera vez en la historia después de décadas de arduo trabajo. Este es un hito en la ciencia y tiene implicaciones significativas para la perspectiva de la energía de fusión limpia en el futuro hacia una economía de carbono cero neto, para combatir el cambio climático y para mantener la disuasión nuclear sin recurrir a pruebas nucleares para la defensa nacional. Más temprano, el 8thAgosto de 2021, el equipo de investigación había alcanzado el umbral de la ignición por fusión. El experimento había producido más energía que cualquier otro experimento de fusión anterior, pero no se logró el equilibrio energético. El último experimento realizado el 5th Diciembre de 2022 ha logrado la hazaña del punto de equilibrio energético, proporcionando así una prueba de concepto de que la fusión nuclear controlada puede explotarse para satisfacer las necesidades energéticas, aunque la aplicación comercial práctica de la energía de fusión puede estar todavía muy lejana.

Las reacciones nucleares producen grandes cantidades de energía equivalente a la cantidad de masa perdida, según la ecuación de simetría masa-energía E=MCde Einstein. Las reacciones de fisión que implican la ruptura de núcleos de combustible nuclear (elementos radiactivos como el uranio-235) se emplean actualmente en los reactores nucleares para la generación de energía. Sin embargo, los reactores basados ​​en la fisión nuclear entrañan grandes riesgos para las personas y el medio ambiente, como es evidente en el caso de Chernobyl, y son conocidos por generar desechos radiactivos peligrosos con vidas medias muy largas que son extremadamente difíciles de eliminar.

En la naturaleza, estrellas como nuestro sol, la fusión nuclear que implica la fusión de núcleos más pequeños de hidrógeno es el mecanismo de generación de energía. La fusión nuclear, a diferencia de la fisión nuclear, requiere una temperatura y presión extremadamente altas para permitir que los núcleos se fusionen. Este requisito de temperatura y presión extremadamente altas se cumple en el núcleo del sol, donde la fusión de los núcleos de hidrógeno es el mecanismo clave de la generación de energía, pero hasta ahora no ha sido posible recrear estas condiciones extremas en la Tierra en condiciones controladas de laboratorio y, como resultado, Los reactores de fusión nuclear aún no son una realidad. (La fusión termonuclear descontrolada a temperatura y presión extremas creada por la activación de un dispositivo de fisión es el principio detrás del arma de hidrógeno).

Fue Arthur Eddington quien sugirió por primera vez, allá por 1926, que las estrellas extraen su energía de la fusión de hidrógeno en helio. La primera demostración directa de fusión nuclear fue en laboratorio en 1934 cuando Rutherford mostró la fusión de deuterio en helio y observó que “se producía un efecto enorme” durante el proceso. En vista de su enorme potencial para proporcionar energía limpia ilimitada, científicos e ingenieros de todo el mundo han realizado esfuerzos concertados para replicar la fusión nuclear en la Tierra, pero ha sido una tarea ardua.

A temperaturas extremas, los electrones se separan de los núcleos y los átomos se convierten en gas ionizado formado por núcleos positivos y electrones negativos, lo que llamamos plasma, que es una millonésima de veces menos denso que el aire. Esto hace que el entorno de fusión sea muy tenue. Para que la fusión nuclear tenga lugar en un entorno de este tipo (que podría producir una cantidad apreciable de energía), deben cumplirse tres condiciones; debe haber una temperatura muy alta (que podría provocar colisiones de alta energía), debe haber suficiente densidad de plasma (para aumentar la probabilidad de colisiones) y el plasma (que tiene propensión a expandirse) debe estar confinado durante un tiempo suficiente para permitir la fusión. Esto hace que el desarrollo de infraestructura y tecnología para contener y controlar el plasma caliente sea el enfoque clave. Se podrían utilizar fuertes campos magnéticos para tratar con plasma como en el caso de Tokamak de ITER. El confinamiento inercial del plasma es otro enfoque en el que las cápsulas llenas de isótopos pesados ​​de hidrógeno implosionan utilizando rayos láser de alta energía.

Los estudios de fusión realizados en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) del NIF emplearon técnicas de implosión impulsadas por láser (fusión por confinamiento inercial). Básicamente, las cápsulas de tamaño milimétrico llenas de deuterio y tritio se implosionaron con láseres de alta potencia que generan rayos X. La cápsula se calienta y se convierte en plasma. El plasma se acelera hacia adentro creando condiciones extremas de presión y temperatura cuando los combustibles en la cápsula (átomos de deuterio y tritio) se fusionan, liberando energía y varias partículas, incluidas las partículas alfa. Las partículas liberadas interactúan con el plasma circundante y lo calientan aún más, lo que lleva a más reacciones de fusión y liberación de más "energía y partículas", estableciendo así una cadena autosostenida de reacciones de fusión (llamada "encendido por fusión").

La comunidad de investigación de la fusión ha estado intentando durante varias décadas lograr el "encendido de la fusión"; una reacción de fusión autosostenida. el 8th Agosto de 2021, el equipo del Laboratorio Lawrence llegó al umbral de 'encendido por fusión' que lograron el 5th Diciembre de 2022. En este día, la ignición de fusión controlada en la Tierra se hizo realidad: ¡un hito en la ciencia alcanzado!

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Editor, Científico Europeo

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