Reciente informes Los científicos que buscan un nuevo tipo de tecnología de fusión nuclear son alentadores, pero todavía estamos a cierta distancia del "Santo Grial de la energía limpia".
La tecnología desarrollada por Heinrich Hora y sus colegas de la Universidad de Nueva Gales del Sur utiliza láseres potentes para fusionar átomos de hidrógeno y boro, liberando partículas de alta energía que pueden usarse para generar electricidad.
Sin embargo, al igual que con otros tipos de tecnología de fusión nuclear, la dificultad radica en construir una máquina que pueda iniciar la reacción de manera confiable y aprovechar la energía que produce.
¿Qué es la fusión?
Fusion es el proceso que alimenta el Sol y las estrellas. Ocurre cuando los núcleos de dos átomos son forzados tan cerca uno del otro que se combinan en uno, liberando energía en el proceso.
Si la reacción se puede domesticar en el laboratorio, tiene el potencial de entregar electricidad de carga base casi ilimitada con prácticamente cero emisiones de carbono.
La reacción más fácil de iniciar en el laboratorio es la fusión de dos isótopos diferentes de hidrógeno: deuterio y tritio. El producto de la reacción es un ion helio y un neutrón de rápido movimiento. La mayoría de las investigaciones sobre fusión hasta la fecha han perseguido esta reacción.
La fusión de deuterio-tritio funciona mejor a una temperatura de aproximadamente 100,000,000 ℃. Confinar un plasma, el nombre del estado de la materia con aspecto de flamel a tales temperaturas, ese calor no es una hazaña.
El enfoque principal para aprovechar el poder de fusión se llama confinamiento magnético toroidal. Las bobinas superconductoras se utilizan para crear un campo aproximadamente un millón de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra para contener el plasma.
Los científicos ya han logrado la fusión de deuterio-tritio en experimentos en los EE. UU. (El Reactor de prueba de fusión Tokamak) y el Reino Unido (el Toro europeo conjunto). De hecho, una campaña de fusión de deuterio-tritio sucederá en el experimento del Reino Unido este año.
Estos experimentos inician una reacción de fusión usando un calentamiento externo masivo, y se necesita más energía para sostener la reacción de la que la reacción produce.
La siguiente fase de la investigación de fusión convencional involucrará un experimento llamado ITER ("el camino" en latín) que se está construyendo en el sur de Francia. En ITER, los iones de helio confinados creados por la reacción producirán tanto calentamiento como las fuentes de calentamiento externas. Como el neutrón rápido transporta cuatro veces más energía que el ion helio, la ganancia de potencia es un factor de cinco.
ITER es una prueba de concepto antes de la construcción de una central eléctrica de demostración.
¿Qué tiene de diferente el uso de hidrógeno y boro?
La tecnología reportada por Hora y sus colegas sugiere usar un láser para crear un campo magnético de confinamiento muy fuerte, y un segundo láser para calentar una pastilla de combustible de boro de hidrógeno para alcanzar el punto de ignición de fusión.
Cuando un núcleo de hidrógeno (un solo protón) se fusiona con un núcleo de boro-11, produce tres núcleos energéticos de helio. En comparación con la reacción de deuterio-tritio, tiene la ventaja de no producir neutrones, que son difíciles de contener.
Sin embargo, la reacción hidrógeno-boro es mucho más difícil de desencadenar en primer lugar. La solución de Hora es usar un láser para calentar una pequeña pastilla de combustible a la temperatura de ignición, y otro láser para calentar bobinas de metal para crear un campo magnético que contendrá el plasma.
La tecnología utiliza pulsos láser muy breves, que duran solo nanosegundos. El campo magnético requerido sería extremadamente fuerte, aproximadamente 1,000 veces más fuerte que el utilizado en los experimentos de deuterio-tritio. Los investigadores en Japón ya han usado esta tecnología para crear un campo magnético más débil.
Hora y sus colegas afirman que su proceso creará un "efecto de avalancha" en la pastilla de combustible que significa que se producirá mucha más fusión de lo que se esperaría.
Si bien existe evidencia experimental para respaldar algún aumento en la velocidad de reacción de fusión al adaptar el rayo láser y el objetivo, para comparar con las reacciones de deuterio-tritio, el efecto de avalancha necesitaría aumentar la velocidad de reacción de fusión en más de 100,000 veces a 100,000,000 ℃. No hay evidencia experimental de un aumento de esta magnitud.
¿A dónde desde aquí?
Los experimentos con hidrógeno y boro ciertamente han producido resultados físicos fascinantes, pero las proyecciones de Hora y sus colegas de un camino de cinco años para lograr el poder de fusión parecen prematuras. Otros han intentado fusión por láser. La Instalación Nacional de Encendido en los EE. UU., Por ejemplo, ha intentado lograr la ignición por fusión de hidrógeno-deuterio utilizando 192 rayos láser enfocados en un objetivo pequeño.
Estos experimentos alcanzaron un tercio de las condiciones necesarias para la ignición de un solo experimento. Los desafíos incluyen la colocación precisa del objetivo, la falta de uniformidad del rayo láser y las inestabilidades que ocurren cuando el objetivo implosiona.
Estos experimentos se realizaron como máximo dos veces al día. Por el contrario, las estimaciones sugieren que una planta de energía requeriría el equivalente a 10 experimentos por segundo.
Es muy probable que el desarrollo de la energía de fusión sea realizado por el programa internacional principal, con el experimento ITER en su núcleo. Australia tiene un compromiso internacional con el proyecto ITER en campos de teoría y modelado, ciencia de materiales y desarrollo tecnológico.
Gran parte de esto se basa en la ANU en colaboración con la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear, que es signataria de un acuerdo de cooperación con el ITER. Dicho esto, siempre hay espacio para la innovación inteligente y los nuevos conceptos, y es maravilloso ver todo tipo de inversión en ciencia de la fusión.
Matthew Hole, Investigador Principal, Instituto de Ciencias Matemáticas, Universidad nacional australiana.
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