Científicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto nuevos detalles críticos sobre las instalaciones de fusión que utilizan láseres para comprimir el combustible que produce la energía de fusión. Los nuevos datos podrían ayudar a mejorar el diseño de futuras instalaciones láser que aprovechen el proceso de fusión que impulsa al sol y las estrellas.

La fusión combina elementos ligeros en forma de plasma, el estado cargado y caliente de la materia compuesto de electrones libres y núcleos atómicos, que genera cantidades masivas de energía. Los científicos buscan replicar la fusión en la Tierra para obtener un suministro de energía virtualmente inagotable para generar electricidad.

Las principales instalaciones experimentales incluyen tokamaks, los dispositivos de fusión magnética que estudia PPPL; stellarators, las máquinas de fusión magnética que PPPL también estudia y que recientemente se han extendido por todo el mundo; y dispositivos láser utilizados en lo que se denominan experimentos de confinamiento inercial.

Los investigadores exploraron el impacto de agregar metal de tungsteno, que se utiliza para fabricar herramientas de corte y filamentos de lámparas, a la capa exterior de los gránulos de combustible de plasma en la investigación de confinamiento inercial. Descubrieron que el tungsteno aumenta el rendimiento de las implosiones que provocan reacciones de fusión en los gránulos. El tungsteno ayuda a bloquear el calor que elevaría prematuramente la temperatura en el centro del gránulo.

El equipo de investigación confirmó los hallazgos al realizar mediciones con gas criptón, que a veces se usa en lámparas fluorescentes. Una vez agregado al combustible, el gas emitía una luz de alta energía conocida como rayos X que era capturada por un instrumento llamado espectrómetro de rayos X de alta resolución. Los rayos X transmitieron pistas sobre lo que estaba sucediendo dentro de la cápsula.

"Me entusiasmó ver que podíamos realizar estas mediciones sin precedentes utilizando la técnica que hemos estado desarrollando en los últimos años. Esta información nos ayuda a evaluar la implosión de la bolita y ayuda a los investigadores a calibrar sus simulaciones por computadora", dijo el físico de PPPL Lan Gao, autor principal. del artículo que informa los resultados en Cartas de revisión física . "Mejores simulaciones y comprensión teórica en general pueden ayudar a los investigadores a diseñar mejores experimentos futuros".

Los científicos realizaron los experimentos en la Instalación Nacional de Ignición (NIF), una instalación para usuarios del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. La instalación hace brillar 192 láseres en un cilindro de oro, o hohlraum, que mide un centímetro de alto y encierra el combustible. Los rayos láser calientan el hohlraum, que irradia rayos X uniformemente sobre la pastilla de combustible que se encuentra dentro.

"Es como un baño de rayos X", dijo el físico de PPPL Brian Kraus, quien contribuyó a la investigación. "Es por eso que es bueno usar un hohlraum. Podrías hacer brillar los láseres directamente sobre la pastilla de combustible, pero es difícil obtener una cobertura uniforme".

Los investigadores quieren entender cómo se comprime el pellet para poder diseñar futuras instalaciones para hacer que la calefacción sea más eficiente. Pero obtener información sobre el interior de la pastilla es difícil. "Dado que el material es muy denso, casi nada puede salir", dijo Kraus. "Queremos medir el interior, pero es difícil encontrar algo que pueda atravesar la cubierta de la pastilla de combustible".

"Los resultados presentados en el artículo de Lan son de gran importancia para la fusión inercial y proporcionaron un nuevo método para caracterizar los plasmas en llamas", dijo Phil Efthimion, jefe del Departamento de Ciencia y Tecnología de Plasma de PPPL y líder de la colaboración con NIF.

Los investigadores utilizaron un espectrómetro de rayos X de alta resolución diseñado por PPPL para recopilar y medir los rayos X radiados con más detalle de lo que se había medido antes. Al analizar cómo cambiaban los rayos X cada 25 billones de segundos, el equipo pudo rastrear cómo cambiaba el plasma con el tiempo.

"Con base en esa información, pudimos estimar el tamaño y la densidad del núcleo de la pastilla con mayor precisión que antes, lo que nos ayudó a determinar la eficiencia del proceso de fusión", dijo Gao. "Proporcionamos evidencia directa de que agregar tungsteno aumenta tanto la densidad como la temperatura y, por lo tanto, la presión en el gránulo comprimido. Como resultado, aumenta el rendimiento de la fusión".

"Esperamos colaborar con equipos teóricos, computacionales y experimentales para llevar esta investigación más allá", dijo. + Explora más

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