La física nuclear suele implicar altas energías, como lo ilustran los experimentos para dominar la fusión nuclear controlada. Uno de los problemas es cómo superar la fuerte repulsión eléctrica entre los núcleos atómicos que requiere altas energías para fusionarlos. Pero la fusión podría iniciarse a energías más bajas con campos electromagnéticos que se generan, por ejemplo, mediante láseres de electrones libres de última generación que emiten luz de rayos X. Investigadores de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) describen cómo se podría hacer esto en la revista Revisión física C .

Durante la fusión nuclear, dos núcleos atómicos se fusionan en un nuevo núcleo. En el laboratorio, esto se puede hacer mediante aceleradores de partículas, cuando los investigadores utilizan reacciones de fusión para crear neutrones libres rápidos para otros experimentos. En una escala mucho mayor, la idea es implementar la fusión controlada de núcleos de luz para generar energía, con el sol actuando como modelo:su energía es producto de una serie de reacciones de fusión que tienen lugar en su interior.

Durante muchos años, Los científicos han estado trabajando en estrategias para generar energía a partir de la energía de fusión. "Por un lado, estamos ante una fuente de energía prácticamente ilimitada. Por otro lado, existen todos los muchos obstáculos tecnológicos que queremos ayudar a superar a través de nuestro trabajo, "dice el profesor Ralf Schützhold, Director del Departamento de Física Teórica de HZDR, describiendo la motivación de su investigación.

Túneles a alto nivel, para ser accesible pronto

Para desencadenar la fusión nuclear, primero tiene que superar la fuerte repulsión eléctrica entre los núcleos atómicos cargados de manera idéntica. Esto generalmente requiere altas energías. Pero hay una forma diferente explica el coautor del estudio, Dr. Friedemann Queißer:"Si no hay suficiente energía disponible, la fusión se puede lograr mediante túneles. Ese es un proceso de mecánica cuántica. Significa que puede aprobar (es decir, túnel) a través de la barrera de energía causada por la repulsión nuclear a energías más bajas ".

Esta no es una construcción teórica; Realmente sucede:las condiciones de temperatura y presión en el núcleo del sol no son suficientes para superar la barrera energética directamente y permitir que los núcleos de hidrógeno se fusionen. Pero la fusión ocurre, no obstante, porque las condiciones imperantes permiten que la reacción de fusión se mantenga gracias a un número suficientemente elevado de procesos de tunelización.

En su trabajo actual, Los científicos del HZDR están investigando si la fusión controlada podría facilitarse con la ayuda de procesos de tunelización que utilizan radiación. Pero eso también es una cuestión de energía:cuanto más bajo es, menor es la probabilidad de que se formen túneles. Hasta ahora, La intensidad de la radiación láser convencional era demasiado baja para desencadenar los procesos.

XFEL y haces de electrones para ayudar a las reacciones de fusión

Todo esto podría cambiar en un futuro próximo:con los láseres de rayos X de electrones libres (XFEL) ya es posible lograr densidades de potencia de 10 ^ 20 vatios por centímetro cuadrado. Este es el equivalente a aproximadamente mil veces la energía del sol que golpea la tierra, concentrado en la superficie de una moneda de un centavo. "Ahora estamos avanzando hacia áreas que sugieren la posibilidad de ayudar a estos procesos de tunelización con potentes láseres de rayos X". "dice Schützhold.

La idea es que el campo eléctrico fuerte que causa la repulsión de los núcleos se superpone con un campo eléctrico más débil, pero cambiando rápidamente, campo electromagnético que se puede producir con la ayuda de un XFEL. Los investigadores de Dresde investigaron teóricamente el proceso de fusión de los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio. Esta reacción se considera actualmente uno de los candidatos más prometedores para futuras plantas de energía de fusión. Los resultados muestran que debería ser posible aumentar la tasa de tunelización de esta manera; un número suficientemente alto de procesos de tunelización podría eventualmente facilitar un éxito, reacción de fusión controlada.

Hoy dia, solo un puñado de sistemas láser en todo el mundo con el potencial necesario son los buques insignia de las instalaciones de investigación a gran escala, como los de Japón y los Estados Unidos, y en Alemania, donde el láser de este tipo más potente del mundo, el XFEL europeo, se encuentra en la zona de Hamburgo. En Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) ubicado allí, Están previstos experimentos con destellos de rayos X únicos ultracortos y extremadamente brillantes. HZDR se encuentra actualmente en el proceso de construcción de HIBEF.

El siguiente paso de los físicos de campo fuerte de Dresde es profundizar aún más en la teoría para comprender mejor otras reacciones de fusión y poder evaluar su potencial para ayudar a los procesos de tunelización con radiación. Ya se han observado procesos análogos en sistemas de laboratorio, como los puntos cuánticos en la física del estado sólido o los condensados ​​de Bose-Einstein, pero en fusión nuclear aún está pendiente la prueba experimental. Pensando aún más en el futuro, los autores del estudio creen que otras fuentes de radiación posiblemente podrían ayudar a los procesos de construcción de túneles. Ya se han obtenido los primeros resultados teóricos sobre haces de electrones.