Este martes 13 de diciembre se anunció uno de los avances científicos más importantes para la humanidad: científicos de Estados Unidos realizaron un experimento de fusión nuclear, pero ¿qué es la fusión nuclear y qué tiene que ver con la energía?

El experimento fue llevado a cabo por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), situado en California y dependiente del Departamento de Energía de Estados Unidos, quienes detallaron que este logro se realizó la semana pasada.

Este experimento significó décadas enteras de trabajo de científicos especializados, ya que es muy difícil de conseguir. Pero el pasado 5 de diciembre la historia cambió ya que un equipo de la Instalación Nacional de Encendido de LLNL(NIF por sus siglas en inglés) se realizó el primer experimento de fusión controlada en la historia.

Actualmente las centrales nucleares utilizan la fisión, que es la división del núcleo de un átomo pesado para producir energía.

Pero en la fusión nuclear, al contrario, combina dos átomos de hidrógeno para formar un átomo de helio más pesado, con lo que se libera una gran cantidad de energía en el proceso.

Esto ocurre dentro de las estrellas, incluido el Sol.

También puedes leer

En la Tierra, este proceso se puede conseguir con la ayuda de láseres ultrapotentes.

En el NIF, que depende del laboratorio californiano, 192 láseres apuntan a un cilindro del tamaño de un dedal, donde se colocan los átomos de hidrógeno ligero que se fusionarán.

Los científicos produjeron así unos 3,5 megajulios de energía usando 2,05 megajulios a través de los láseres.

[object Object]
Con un experimento Estados Unidos logra los primeros hilos de la fusión nuclear (AFP / cortesía)

¿Desde cuándo se trabaja en la fusión nuclear?

Este experimento se trabaja al menos desde la década de los años 60, bajo el principio de la hipótesis de que los láseres podrían usarse para inducir la fusión en un entorno de laboratorio, según un grupo de científicos pioneros en LLNL.

Esta hipótesis fue dirigida por el físico John Nuckolls, quien luego se desempeñó como director de LLNL de 1988 a 1994.

Esta idea se convirtió en fusión por confinamiento inercial, dando inicio a más de 60 años de investigación y desarrollo en láseres, óptica, diagnóstico, fabricación de objetivos, modelado y simulación por computadora y diseño experimental.

Para seguir este concepto, LLNL construyó una serie de sistemas láser cada vez más potentes, lo que condujo a la creación de NIF, el sistema láser más grande y energético del mundo.

El sistema de láseres NIF, está ubicado en LLNL en Livermore, California, y es del tamaño de un estadio deportivo.

Ya que utiliza potentes rayos láser para crear temperaturas y presiones como las que se encuentran en:

  • Núcleos de estrellas
  • Planetas gigantes
  • Dentro de las armas nucleares que explotan

¿Qué es la fusión nuclear?

De acuerdo con el Consejo de Seguridad Nuclear de España, la fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado.

Lo que generalmente hacen liberando partículas en el proceso.

Estas reacciones pueden absorber o liberar energía, según si la masa de los núcleos es mayor o menor que la del hierro, respectivamente.

El objetivo de la fusión nuclear es producir energía como la del Sol, ya que en esta estrella se produce la fusión de núcleos de hidrógeno para formar helio, liberando en el proceso una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética.

Esta energía es producida en la Tierra como luz y calor.

Sol y la fusión nuclear
Sol y la fusión nuclear (Pixabay)

¿Cómo se produce la fusión nuclear?

Para alcanzar una fusión nuclear que logre producir energía limpia es necesario alcanzar altas cuotas de energía que permitan que los núcleos se aproximen a distancias muy cortas, en las que la fuerza de atracción nuclear supere las fuerzas de repulsión electrostática.

Para ello, se deben cumplir con una serie de condiciones especiales que involucran la aceleración de partículas; así como otras formas de manejar los átomos y sus núcleos y por supuesto los láseres con la ignición.

Aceleradores de partículas y confinamiento

Para lograr la energía necesaria de una fusión nuclear se pueden utilizar aceleradores de partículas o recurrir al calentamiento a temperaturas muy elevadas.

Esta última solución se denomina fusión térmica y consiste en calentar los átomos hasta lograr una masa gaseosa denominada plasma, compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados.

Asimismo, es necesario garantizar el confinamiento y control del plasma a altas temperaturas en la cavidad de un reactor de fusión el tiempo necesario para que se produzca la reacción.

También es necesario lograr una densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan dar lugar a las reacciones de fusión.

Sin embargo, los confinamientos convencionales, como las paredes de una vasija, no son factibles debido a las altas temperaturas.

Por este motivo, se encuentran en desarrollo dos métodos de confinamiento:

  • Fusión por Confinamiento Inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí.

Para ello se impacta una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio por un haz de láser provocando su implosión.

Así, se hace cientos de veces más densa que en su estado sólido normal permitiendo que se produzca la reacción de fusión.

Actualmente hay reactores de investigación con el objetivo de producir energía a través de este proceso.

  • Fusión por Confinamiento Magnético (FCM): Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético.

El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina Tokamak.

El proceso en sí para lograr la fusión nuclear se llama ignición y esta ocurre cuando el objetivo de fusión produce más energía que la energía del láser requerida para iniciar la reacción de fusión nuclear, es decir, que sale más energía de la que proporciona el láser.

Los experimentos de ignición comenzaron en 2010.

Durante los experimentos de ignición a gran escala, NIF comenzó dirigiendo hasta 1,8 megajulios (MJ) de energía láser ultravioleta en pulsos de mil millonésimas de segundo al centro de la cámara objetivo.

Pero en este 2022, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California anuncia que el NIF ha conseguido la ignición produciendo 2,5 megajulios de energía, un 120% de los 2,1 megajulios empleados para lograr la fusión de un pequeño objetivo con hidrógeno.

¿Por qué para los científicos es importante la fusión nuclear?

Entre las ventajas que tiene la ignición para lograr la fusión nuclear es que no genera, en comparación con las centrales eléctricas de carbón o gas, lo que provoca los gases de efecto invernadero y generaría una energía limpia y segura para combatir el cambio climático.

Además, produce menos desechos radiactivos que la energía nuclear conocida hasta ahora.

Tampoco generaría un desastre nuclear ya que las probabilidades de que este ocurra son muy bajas ya que cuando se agota el combustible del objetivo, en unas pocas mil millonésimas de segundo. se detiene la reacción nuclear sin riesgos.

Sin embargo, todavía queda un largo camino por recorrer antes de que la fusión sea viable a escala industrial y comercial.

Probablemente “décadas”, declaró este martes Kim Budil, la directora del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Los desafíos son tecnológicos, puesto que hay que poder repetir el experimento muchas veces por minuto, explicó.

[object Object]
Con un experimento Estados Unidos logra los primeros hilos de la fusión nuclear (AFP / cortesía)

Hay otros proyectos de fusión nuclear en el mundo, como el llamado ITER, que actualmente se está desarrollando en Francia.

En lugar de láseres, ITER utilizará una técnica conocida como confinamiento magnético en la que los átomos de hidrógeno se calientan en un inmenso reactor, donde permanecerán confinados con la ayuda de un campo magnético.