La ignición es un proceso clave que amplifica la producción de energía de la fusión nuclear y podría proporcionar energía limpia y responder algunas preguntas de física importantes.

Un nuevo experimento parece haber provocado la ignición por primera vez, en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en los EE. UU., recreando las temperaturas y presiones extremas que se encuentran en el corazón del Sol.

Esto ha producido más energía que cualquier experimento de fusión por confinamiento inercial anterior, y demuestra que la ignición es posible, allanando el camino para reacciones que producen más energía de la que necesitan para comenzar.

Los físicos del Imperial College de Londres ya están ayudando a analizar los datos del exitoso experimento. que se llevó a cabo el 8 de agosto de 2021. Imperial también ha producido más de 30 Ph.D. estudiantes que han pasado a trabajar en el NIF. El Colegio mantiene fuertes vínculos con la instalación, y otros en todo el mundo, a través del Centro de Estudios de Fusión Inercial (CIFS).

Un paso adelante momentáneo

Codirector del Centro de Estudios de Fusión Inercial de Imperial, Profesor Jeremy Chittenden, dijo que "la demostración de la ignición ha sido un gran desafío científico importante desde que la idea se publicó por primera vez hace casi 50 años. Fue la razón principal para la construcción de NIF y ha sido su objetivo principal durante más de una década".

"Después de diez años de progreso constante hacia la demostración de la ignición, los resultados de los experimentos del último año han sido más espectaculares, ya que las pequeñas mejoras en la producción de energía de fusión se amplifican fuertemente por el proceso de encendido. El ritmo de mejora de la producción de energía ha sido rápido, sugiriendo que pronto alcancemos más hitos energéticos, como exceder la entrada de energía de los láseres utilizados para poner en marcha el proceso ".

"Esto es crucial para abrir la promesa de la energía de fusión y permitir a los físicos sondear las condiciones en algunos de los estados más extremos del Universo," incluidos los que se encuentran pocos minutos después del Big Bang. La fusión controlada en el laboratorio es uno de los grandes desafíos científicos definitorios de esta era y este es un paso adelante trascendental ".

Codirector del Centro de Estudios de Fusión Inercial de Imperial, Profesor Steven Rose, dijo que "el equipo de NIF ha realizado un trabajo extraordinario. Este es el avance más significativo en la fusión inercial desde su inicio en 1972".

"Lo que se ha logrado ha alterado por completo el panorama de la fusión y ahora podemos esperar usar plasmas encendidos tanto para el descubrimiento científico como para la producción de energía".

Alcanzando la ignición

El tipo de reacción nuclear que alimenta las centrales eléctricas actuales es la fisión:la división de átomos para liberar energía. La fusión, en cambio, fuerza a los átomos de hidrógeno a unirse para ganar energía, produciendo una gran cantidad de energía, y, crucialmente, Residuos radiactivos limitados.

Por esta razón, Durante décadas se ha buscado una forma de crear reacciones de fusión eficientes para producir energía limpia utilizando pocos recursos. Sin embargo, Las reacciones de fusión han demostrado ser difíciles de controlar y, hasta la fecha, ningún experimento de fusión ha producido más energía de la que se ha invertido para que la reacción se ponga en marcha.

Si bien el último experimento aún requirió más energía de la que salió, es el primero en alcanzar la etapa crucial de 'encendido', lo que permitió producir considerablemente más energía que nunca, y allana el camino para el 'punto de equilibrio', donde la energía que entra es igualada por la energía que sale.

Hay dos formas principales en las que los investigadores de todo el mundo intentan actualmente producir energía de fusión. El NIF se centra en la fusión por confinamiento inercial, que utiliza un sistema de láseres para calentar pellets de combustible produciendo un plasma, una nube de iones cargados.

Los gránulos de combustible contienen versiones 'pesadas' de hidrógeno, deuterio y tritio, que son más fáciles de fusionar y producen más energía. Sin embargo, los pellets de combustible deben calentarse y presurizarse a las condiciones que se encuentran en el centro del Sol, que es un reactor de fusión natural.

Una vez que se logran estas condiciones, las reacciones de fusión liberan varias partículas, incluyendo partículas 'alfa', que interactúan con el plasma circundante y lo calientan aún más. El plasma calentado luego libera más partículas alfa y así sucesivamente, en una reacción autosostenida, un proceso denominado ignición.

Sin embargo, este proceso nunca se había realizado completamente antes, hasta ahora. Los resultados del experimento del 8 de agosto indican una producción de energía de más de un megajulio, que marca el umbral acordado para el inicio de la "ignición" y es seis veces la energía más alta alcanzada anteriormente.

Arthur Turrell, del Departamento de Física de Imperial, y autor del libro recién publicado Los constructores de estrellas:fusión nuclear y la carrera por impulsar el planeta , dijo que "Este avance fenomenal nos acerca tentadoramente a una demostración de 'ganancia neta de energía' de las reacciones de fusión, justo cuando el planeta lo necesita".

"El equipo de National Ignition Facility, y sus socios en todo el mundo, merecen todos los aplausos por superar algunos de los desafíos científicos y de ingeniería más temibles que la humanidad haya enfrentado. La extraordinaria liberación de energía lograda envalentonará los esfuerzos de fusión nuclear en todo el mundo, dando impulso a una tendencia que ya estaba en marcha ".

Territorio inexplorado

El profesor Chittenden dijo que "si bien el NIF es principalmente un experimento de física, y no tiene el objetivo principal de crear energía de fusión, este increíble resultado significa que este sueño está más cerca de ser una realidad. Ahora hemos probado que es posible alcanzar la ignición, inspirando a otros laboratorios y empresas emergentes de todo el mundo que trabajan en la producción de energía de fusión para tratar de lograr las mismas condiciones utilizando un método más simple, método más robusto y sobre todo más económico ".

El equipo imperial ahora está analizando los resultados del experimento, utilizando métodos de diagnóstico que han creado para comprender lo que está sucediendo en condiciones tan extremas. Dr. Brian Appelbe, Investigador asociado en el Centro de Estudios de Fusión Inercial de Imperial, dijo que "los láseres NIF ya crearon las condiciones más extremas en la Tierra, pero el nuevo experimento parece haber duplicado la temperatura anterior alcanzada. Hemos entrado en un régimen en el que nunca antes habíamos estado; este es un territorio inexplorado en nuestra comprensión del plasma ".

Dr. Aidan Crilly, Investigador asociado en el Centro de Estudios de Fusión Inercial de Imperial, agregó que "reproducir las condiciones en el centro del Sol nos permitirá estudiar estados de la materia que nunca antes habíamos podido crear en el laboratorio, incluidos los que se encuentran en estrellas y supernovas ".

"También podríamos obtener información sobre los estados cuánticos de la materia e incluso las condiciones cada vez más cercanas al comienzo del Big Bang:cuanto más nos calientamos, cuanto más nos acercamos al primer estado del Universo ".