Resumen:
Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. han propuesto una nueva idea para lograr la fusión nuclear. Sus últimos cálculos muestran que si se cambia la secuencia de calentamiento y compresión del plasma, la energía necesaria para lograr la "ignición" en futuros reactores de fusión puede reducirse significativamente, abriendo así un camino más eficiente para el desarrollo de una fusión nuclear controlable.
La fusión nuclear se considera una de las tecnologías de energía limpia más prometedoras del futuro. Su principio es el mismo que el proceso de generación de energía dentro del sol. Al permitir que los núcleos de elementos ligeros experimenten reacciones de fusión, se pueden liberar enormes cantidades de energía casi sin emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, es extremadamente difícil replicar el ambiente extremo dentro del sol en la Tierra, y los científicos han estado buscando la mejor manera de lograr reacciones de fusión estables durante décadas.
Desde la década de 1950, el campo de la investigación de la fusión se ha basado principalmente en el "criterio de Lawson" para evaluar las condiciones de ignición de la fusión. Esta teoría se utiliza para determinar si un plasma puede mantener una temperatura y densidad lo suficientemente altas durante un tiempo suficiente para continuar la reacción de fusión con su propia energía generada sin necesidad de calentamiento externo.
Sin embargo, el criterio de Lawson solo puede describir qué condiciones deben cumplirse, pero no indica claramente cómo lograr estas condiciones con la mayor eficiencia. Para ello, el equipo de investigación del PPPL añadió cuatro factores adicionales al marco tradicional, incluidas las cenizas de helio producidas durante el proceso de fusión, las impurezas de la pared del reactor, la pérdida de energía por radiación de sincrotrón y la pérdida de calor del plasma, estableciendo así un nuevo modelo más cercano a la situación real.
Los resultados de la investigación se publicaron en la revista Physical Review Letters. Los investigadores dijeron que cuando estos factores realistas se incluyen en los cálculos, muchas soluciones de diseño que originalmente parecían factibles cambiarán significativamente y, por lo tanto, tendrán un valor de referencia importante para el diseño futuro de reactores.
A menudo se le llama al plasma el cuarto estado de la materia. Cuando un gas se calienta a temperaturas extremadamente altas, las partículas que contiene se cargan y se forma un plasma. En un dispositivo de reacción de fusión, los científicos necesitan calentar el plasma a temperaturas extremas para que los núcleos puedan superar la repulsión eléctrica entre sí y sufrir una reacción de fusión.
El equipo de investigación comparó el proceso de lograr la ignición por fusión con cruzar un terreno bloqueado por montañas. Según las ideas de muchas soluciones existentes, los investigadores suelen aumentar primero la densidad del plasma y luego continuar aumentando la temperatura, lo que equivale a escalar directamente las montañas para llegar al destino. Pero los nuevos modelos sugieren que en realidad puede haber una ruta menos laboriosa.
Los resultados del cálculo muestran que calentar el plasma a una temperatura más alta y luego aumentar gradualmente su densidad puede lograr el mismo objetivo con un menor consumo total de energía. Este enfoque equivale a evitar la montaña y entrar al destino desde un lado, en lugar de subir directamente por la ruta más empinada.
Los investigadores utilizaron modelos matemáticos para encontrar el llamado "punto de silla de Cordey", el camino con la menor energía necesaria para lograr la ignición por fusión. Los resultados muestran que la estrategia de "calentar primero y luego aumentar la densidad" se encuentra en esta área óptima y se espera que se convierta en una dirección de diseño importante para futuros dispositivos de fusión.
Además de descubrir nuevas vías de ignición, el equipo de investigación también obtuvo otras conclusiones importantes. Los modelos muestran que incluso pequeñas cantidades de impurezas de tungsteno que ingresan al plasma pueden tener un impacto significativo en la reacción de fusión o incluso hacer que falle. Dado que el tungsteno tiene una resistencia a temperaturas extremadamente altas, actualmente está previsto utilizarlo como material de pared interior de muchos futuros reactores de fusión. Por lo tanto, cómo evitar que el tungsteno entre en el plasma se convertirá en uno de los principales desafíos técnicos.
Los investigadores también descubrieron que existen ciertos "mecanismos de frenado" naturales dentro del plasma de fusión que limitan una mayor mejora de la reacción. Estos efectos no se han tenido plenamente en cuenta en los cálculos generales del pasado, pero el nuevo modelo puede reflejar más plenamente estos factores que influyen.
Aunque esta investigación aún se encuentra en la etapa teórica y computacional y no logra directamente un nuevo avance experimental de fusión, los científicos creen que proporciona una hoja de ruta más eficiente para el diseño futuro de reactores. Si las conclusiones relevantes pueden verificarse en dispositivos reales, el costo y la inversión de energía necesarios para comercializar la energía de fusión en el futuro pueden reducirse significativamente, acelerando el objetivo de la humanidad de obtener energía limpia casi ilimitada.
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