Un equipo internacional de científicos ha descubierto un nuevo método para avanzar en el desarrollo de la energía de fusión a través de una mayor comprensión de las propiedades de la materia densa y cálida, un estado extremo de la materia similar al que se encuentra en el corazón de planetas gigantes como Júpiter.

Los hallazgos, dirigidos por Sophia Malko del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), detallan una nueva técnica para medir el "poder de frenado" de las partículas nucleares en el plasma utilizando láseres ultraintensos de alta tasa de repetición. La comprensión del poder de frenado de los protones es particularmente importante para la fusión por confinamiento inercial (ICF).

Alimentando el sol y las estrellas

Este proceso contrasta con la creación de la fusión en PPPL, que calienta el plasma a temperaturas de millones de grados en instalaciones de confinamiento magnético. El plasma, el estado cargado y caliente de la materia compuesto de electrones libres y núcleos atómicos, o iones, alimenta las reacciones de fusión en ambos tipos de investigación, cuyo objetivo es reproducir en la Tierra la fusión que impulsa al sol y las estrellas como fuente de energía segura y limpia. y energía prácticamente ilimitada para generar la electricidad del mundo.

El "poder de frenado" es una fuerza que actúa sobre partículas cargadas debido a colisiones con electrones en la materia que resultan en pérdida de energía. "Por ejemplo, si no conoce el poder de frenado de protones, no puede calcular la cantidad de energía depositada en el plasma y, por lo tanto, diseñar láseres con el nivel de energía adecuado para crear una ignición por fusión", dijo Malko, autor principal de un artículo que describe los hallazgos en Nature Communications . "Las descripciones teóricas del poder de frenado en la materia de alta densidad de energía y, en particular, en la materia densa cálida son difíciles, y en gran medida faltan mediciones", dijo. "Nuestro artículo compara datos experimentales de la pérdida de energía de protones en materia densa y cálida con modelos teóricos de poder de frenado".

Las Comunicaciones de la Naturaleza La investigación investigó el poder de frenado de protones en un régimen en gran parte inexplorado mediante el uso de haces de iones de baja energía y plasmas densos calientes producidos por láser. Para producir los iones de baja energía, los investigadores utilizaron un dispositivo especial basado en un imán que selecciona el sistema de energía fija de baja energía de un amplio espectro de protones generado por la interacción de los láseres y el plasma. El haz seleccionado luego pasa a través de materia densa cálida impulsada por láser y se mide su pérdida de energía. La comparación teórica con los datos experimentales mostró que la coincidencia más cercana discrepaba marcadamente con los modelos clásicos.

En cambio, el acuerdo más cercano provino de simulaciones de primer principio desarrolladas recientemente basadas en un enfoque mecánico cuántico de muchos cuerpos o interactuando, dijo Malko.

Mediciones de parada precisas

Las mediciones de parada precisas también pueden avanzar en la comprensión de cómo los protones producen lo que se conoce como encendido rápido, un esquema avanzado de fusión por confinamiento inercial. "En la ignición rápida impulsada por protones, donde los protones deben calentar el combustible comprimido desde estados de muy baja temperatura a alta temperatura, el poder de frenado de los protones y el estado del material están estrechamente acoplados", dijo Malko.

“El poder de frenado depende de la densidad y la temperatura del estado material”, explicó, y ambos se ven afectados a su vez por la energía depositada por el haz de protones. "Por lo tanto, las incertidumbres en el poder de frenado conducen directamente a las incertidumbres en la energía total de protones y la energía láser necesarias para la ignición", dijo.

Malko y su equipo están realizando nuevos experimentos en las instalaciones del DOE LaserNetUS en la Universidad Estatal de Colorado para extender sus mediciones a la llamada región del pico de Bragg, donde ocurre la máxima pérdida de energía y donde las predicciones teóricas son más inciertas.

Los coautores de este artículo incluyeron a 27 investigadores de EE. UU., España, Francia, Alemania, Canadá e Italia. + Explora más

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