La fusión es un fenómeno natural que proporciona a nuestro planeta gran parte de su energía, generada a millones de kilómetros de distancia en el centro de nuestro sol.
Aquí en la Tierra, los científicos están intentando replicar las condiciones cálidas y densas que conducen a la fusión. En el centro de una estrella, las presiones gravitacionales y las altas temperaturas (alrededor de 200 millones de grados Fahrenheit) energizan y aprietan los átomos lo suficientemente cerca como para fusionar sus núcleos y generar un exceso de energía.
"El objetivo final de la investigación de la fusión es reproducir un proceso que ocurre en las estrellas todo el tiempo", dice Arianna Gleason, científica del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía. "Dos átomos ligeros se unen y se fusionan para formar un único núcleo más pesado y estable. Como resultado, el exceso de masa (un núcleo tiene menos masa que los dos que lo formaron) se convierte en energía y se lleva".
Esa masa sobrante (m) se convierte en energía (E) gracias a la famosa ecuación de Einstein E=mc 2 ecuación. Lograr que se produzca la fusión en la Tierra es sorprendentemente sencillo y se ha logrado muchas veces durante las últimas décadas utilizando una amplia gama de dispositivos. La parte difícil es hacer que el proceso sea autosostenible, de modo que un evento de fusión impulse al siguiente para crear un "plasma ardiente" sostenido que, en última instancia, podría generar energía limpia, segura y abundante para alimentar la red eléctrica.
"Puedes pensar en esto como si se encendiera una cerilla", explica Alan Fry. director de proyecto para Matter in Extreme Conditions Petawatt Upgrade (MEC-U) de SLAC. "Una vez encendida, la llama sigue ardiendo. En la Tierra tenemos que crear las condiciones adecuadas (densidad y temperatura muy altas) para que se lleve a cabo el proceso, y una de las formas de hacerlo es con láseres".
Ingrese la energía de fusión inercial, o IFE, un enfoque potencial para construir una planta de energía de fusión comercial utilizando combustible de fusión y láseres. IFE ha obtenido un mayor apoyo nacional desde que los científicos de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han demostrado repetidamente reacciones de fusión que produjeron una ganancia neta de energía por primera vez en cualquier parte del mundo.
"Con intensos rayos láser logramos la ignición, lo que significa que obtuvimos más energía de un objetivo de fusión que la energía del láser puesta en él", explicó Siegfried Glenzer, profesor de ciencia fotónica y director de la división científica de Alta Densidad de Energía de SLAC. /P>
Fusión por confinamiento inercial:cómo funciona
La técnica utilizada en el NIF, conocida como fusión por confinamiento inercial, es una de las dos ideas principales que se están explorando para la creación de una fuente de energía de fusión. El otro, conocido como fusión por confinamiento magnético, utiliza campos magnéticos para contener el combustible de fusión en forma de plasma.
En la fusión por confinamiento inercial, el plasma se crea utilizando láseres intensos y una pequeña bolita llena de hidrógeno, normalmente deuterio y tritio, isótopos con uno y dos neutrones en el núcleo, respectivamente. La bolita está rodeada de un material ligero que se vaporiza hacia el exterior cuando se calienta con los láseres. Y cuando lo hace, hay una reacción neta hacia adentro, provocando una implosión.
"Se trata básicamente de un cohete esférico", explica Fry. "Al expulsar los gases de escape hacia afuera, impulsa el cohete en la dirección opuesta. En este caso, el material vaporizado en el exterior de la pastilla empuja los isótopos de hidrógeno hacia el centro."
Los láseres deben aplicarse con precisión para lograr que una onda de choque simétrica se mueva hacia el centro de la mezcla de hidrógeno, creando la temperatura y la densidad necesarias para iniciar la reacción de fusión. Los eventos de ignición NIF utilizan 192 rayos láser para crear esta implosión y hacer que los isótopos se fusionen.
"La tecnología láser y nuestra comprensión del proceso de fusión han avanzado tan rápidamente que ahora podemos utilizar el confinamiento láser para crear un plasma ardiente a partir de cada evento de fusión", afirmó Gleason.
Pero aún queda un largo camino por recorrer. Los expertos afirman que los láseres utilizados para la energía de fusión inercial deben poder dispararse más rápidamente y ser más eficientes eléctricamente.
Los láseres del NIF son tan grandes y complejos que sólo pueden disparar unas tres veces al día. Para alcanzar una fuente de energía de fusión inercial, dijo Glenzer, "necesitamos láseres que puedan funcionar 10 veces por segundo. Por lo tanto, debemos fusionar los resultados de la fusión NIF con tecnologías eficientes de láser y objetivos de combustible".
Fry utiliza la analogía de un pistón en el cilindro de un automóvil para describir cómo las reacciones de fusión individuales se suman para generar energía sostenida. "Cada vez que inyectas combustible y lo enciendes, se expande y empuja el pistón del motor", dijo. "Para hacer que tu auto se mueva tienes que hacerlo una y otra vez a miles de revoluciones por minuto, o decenas de veces por segundo, y eso es exactamente lo que necesitamos hacer con la energía de fusión inercial para convertirla en una energía viable y continua. , fuente de energía sostenible."
"Para alcanzar la ganancia de energía necesaria para una planta piloto de fusión, necesitamos pasar de aproximadamente dos veces más energía de salida que de entrada (la ganancia actual de los experimentos del NIF) a una ganancia de energía de 10 a 20 veces la energía del láser que introducimos. " dijo Glenzer. "Tenemos simulaciones que nos muestran que no es un objetivo irrazonable, pero se necesitará mucho trabajo para lograrlo".
Es más, esas estimaciones actuales de ganancia de energía por ignición no incluyen toda la energía o electricidad que se necesitó para realizar ese disparo láser. Para hacer de IFE una solución energética, es necesario que todo el sistema, o la eficiencia del enchufe de pared, aumente, lo que requerirá avances en ambas direcciones:más energía de la reacción de fusión y menos energía en el láser, afirma Fry.
Los centros de ciencia y tecnología de energía de fusión inercial patrocinados por el DOE recientemente anunciados reúnen la experiencia de múltiples instituciones para enfrentar estos desafíos.
SLAC es socio en dos de los tres centros y aporta la experiencia y las capacidades del laboratorio en experimentos láser de alta tasa de repetición, sistemas láser y todas las tecnologías que lo acompañan.
"Un avance interesante son las nuevas instalaciones láser planificadas en la Universidad Estatal de Colorado y SLAC", dice Glenzer, subdirector del centro RISE dirigido por CSU. La instalación de láser de alta potencia en CSU y el proyecto MEC-U en Linac Coherent Light Source de SLAC se basarán en la última arquitectura láser y emitirán pulsos láser a 10 disparos por segundo.
"LCLS ha estado operando láseres durante los últimos diez años a más de 100 disparos por segundo, y eso significa que tenemos una experiencia tecnológica muy sólida en la realización de experimentos con una alta tasa de repetición", dijo Glenzer. "Hemos desarrollado nuevos objetivos, diagnósticos y detectores que pueden aprovechar las altas tasas de repetición y que son bastante únicos en este campo y se ajustan bien a lo que queremos lograr con IFE".
Pero todavía hay mucho que aprender sobre cómo golpear con precisión un objetivo en el centro de una cámara 10 veces por segundo de manera que los restos del objetivo y el poder de fusión no afecten ni dañen los láseres ni la inserción del objetivo.
Como socio del centro STARFIRE liderado por LLNL, SLAC contribuirá a la creación de requisitos técnicos detallados para sistemas láser para IFE que están estrechamente relacionados con los que se construirán para el proyecto MEC-U que se está llevando a cabo en SLAC, dice Fry. P>
"Los láseres avanzados en MEC-U utilizarán una forma más eficiente de conducir energía al láser y un esquema de enfriamiento avanzado para funcionar a una mayor tasa de repetición. Las tecnologías que estamos desarrollando y las preguntas científicas que podemos responder con ellas son convincente para IFE."
Además, los rayos X ultrabrillantes del LCLS pueden ayudar a los científicos a comprender qué sucede en el combustible de hidrógeno mientras se fusiona, o qué sucede en el material que se desprende de la pastilla para causar la implosión.
De hecho, los materiales desempeñan un papel clave en el desarrollo de IFE, afirma Gleason. "Usar láseres para implosionar un objetivo de manera uniforme y esférica es muy difícil porque los materiales siempre tienen fallas:hay una dislocación, un defecto, una falta de homogeneidad química, una rugosidad de la superficie, una porosidad en la mesoescala. En resumen, siempre hay variaciones y defectos en materiales."
Una de las cosas que le entusiasma es comprender mejor los materiales involucrados con IFE a nivel atómico para probar y refinar modelos físicos para diseños de IFE específicos, dijo.
"En SLAC tenemos herramientas fenomenales para observar profundamente los materiales. Al comprender la física de las imperfecciones, podemos convertir sus 'defectos' en características que pueden considerarse en su diseño; podemos tener muchas perillas para ajustar la compresión. en el proceso de fusión."
Otro gran desafío que los tres investigadores están interesados en abordar es crear la fuerza laboral necesaria para investigar y operar las instalaciones de energía de fusión del futuro.
Los centros incluyen financiación para la participación de los estudiantes, dijo Glenzer. "Formaremos a la próxima generación de científicos y técnicos para que aprovechen estas nuevas capacidades".
Fry y Gleason también creen firmemente en atraer gente al campo para que la energía de fusión, a medida que se desarrolla, sea una empresa inclusiva.
"Vamos a necesitar ingenieros, técnicos, operadores, recursos humanos y profesionales de adquisiciones, etc.", dijo Gleason. "Creo que muchos jóvenes pueden apoyar la fusión y sentirse empoderados haciendo algo que frene la crisis climática:quieren ver un cambio en sus vidas".
Glenzer está convencido de que así será. "La gente había estado especulando que se necesitarían 30 años para construir una planta de energía de fusión, pero el reciente avance en la ignición acercó esa perspectiva a la realidad. Ya hemos aumentado la ganancia de fusión en 1.000 en los últimos 10 años de trabajo en NIF". dijo.
"El potencial de una fuente de energía limpia, equitativa y abundante, y toda la ciencia y tecnología que conlleva el desarrollo de la energía de fusión, es muy emocionante".
LCLS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Los centros de energía de fusión fueron formados por el programa de Investigación del Acelerador de Ciencia y Tecnología de Energía de Fusión Inercial (IFE-STAR) del DOE.
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
