Nuevos Avances para la Tecnología de Fusión Nuclear

El pasado 5 de julio, científicos del National Ignition Facility (NIF) de Estados Unidos batieron el record  del láser más potente del mundo, consiguiendo crear un pulso de luz con una potencia de 500 Teravatios, lo que es equivalente a 1.000 veces la cantidad de energía que usa Estados Unidos en cualquier momento. Estos elevados niveles de energía y potencia son clave para el desarrollo de las tecnologías de fusión nuclear mediante confinamiento inercial. Entre las misiones del NIF está proporcionar a los científicos el conocimiento necesario para crear la ignición de fusión y la futura producción de energía.

Autora: Aida Ruiz – Grupo de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Rey Juan Carlos

El proceso de fusión nuclear es el que produce la energía en el sol y las estrellas. Es La reacción en la que dos núcleos de átomos ligeros se unen para formar otro núcleo más pesado, liberándose una gran cantidad de energía. Una central de fusión nuclear generaría energía mediante la fusión de átomos de deuterio y tritio, obteniéndose helio como producto. El deuterio puede ser extraído del agua de mar y el tritio se produciría por transmutación de litio, que es un elemento común en los suelos. Este tipo de central no produciría emisiones de gases de efecto invernadero, operaría en continuo para satisfacer la demanda y los subproductos producidos presentarían una menor peligrosidad radiactiva que en las plantas de fisión nuclear.

Para que la fusión ocurra se deben alcanzar temperaturas de unos 100 millones de grados centígrados con el fin de que los núcleos tengan la suficiente energía para unirse venciendo las repulsiones nucleares. A esas temperaturas la materia se encuentra en forma de plasma, constituido por núcleos y electrones libres. Además, es preciso que se produzcan una cantidad de reacciones suficiente para que, por lo menos, se recupere la energía invertida. Para obtener una cierta cantidad de energía generada por fusión es necesario mantener confinado el plasma durante el tiempo necesario para que ocurra un número suficiente de reacciones. Las altas temperaturas de reacción plantean la dificultad del confinamiento puesto que no existe ningún material capaz de resistir esas condiciones. Para obtener el confinamiento del plasma en un reactor de fusión se han propuesto dos sistemas. El confinamiento magnético y el confinamiento inercial.

En la fusión por confinamiento magnético se mantiene confinado el plasma mediante campos magnéticos muy intensos que tienen la capacidad para curvar las trayectorias de las partículas cargadas. El dispositivo diseñado para ello se denomina TOKAMAK y es una cámara toroidal provista de unas bovinas superconductoras que generan el campo magnético utilizado para confinar el plasma. En este caso el calentamiento se realiza mediante microondas u otras fuentes de energía. Esta es la tecnología utilizada en el ITER que se está construyendo en Francia.

En el confinamiento inercial una pequeña pastilla de combustible se comprime y se calienta mediante un rayo láser de elevada energía de tal forma que la fusión ocurre antes de que los átomos puedan separarse. El objetivo del NIF de estados Unidos es alcanzar la fusión por compresión y calentamiento de una pequeña cápsula de deuterio y tritio utilizando la energía de 192 rayos láser de elevada energía. En este proceso la cápsula de combustible se comprimirá alcanzando una densidad 100 veces mayor que la del plomo sólido y se calentara a más de 100 millones de grados centígrados. En la etapa de compresión los rayos X generados por la irradiación del láser ceden su energía a la parte exterior de la esfera que rápidamente se expande hacia el exterior. Esto produce que el resto del combustible se mueva hacia al interior formando una estructura densa uniforme. Para producir la ignición será necesario un segundo pulso que transfiera 20 kJ de energía en un punto de 35 micras de tamaño en unos pocos picosegundos, calentando el combustible hasta la temperatura de de ignición e iniciando la reacción termonuclear.

En cuanto al funcionamiento del láser del NIF, los rayos recorren un largo camino de 1500 m desde su generación en el oscilador principal hasta el centro de la cámara del combustible de combustible. El oscilador principal genera un pulso de rayo láser que se divide y conduce a los módulos de amplificación A continuación, los rayos láser pasan a través de una serie de amplificadores que aumentan su energía de forma exponencial desde 1 billonésima de Julio hasta 4 millones de Julios y esto ocurre en 5 millonésimas de segundo. Un complejo sistema de espejos alinean los 192 rayos en una configuración esférica de tal forma que éstos pueden ser enfocados en el centro exacto de la cámara que es una esfera de 10 m de diámetro.

En conclusión, el disparo de 500 TW conseguido por el NIF es un paso adelante para obtener más energía mediante fusión de la necesaria para iniciar el proceso. Aunque la ignición aun no se ha demostrado, los responsables del centro dicen haber recorrido el 75 % del camino para alcanzar esta proeza que prevén para los próximos 6-18 meses.