Artículo publicado por Daniel Clery el 18 de septiembre de 2012 en Science Now
En la carrera por hacer realidad la energía de fusión, un pequeño laboratorio puede estar poniendo en aprietos a los chicos mayores. Los esfuerzos a nivel mundial por aprovechar la fusión – la fuente de energía del Sol y las estrellas – como fuente de energía en la Tierra, actualmente se centran en dos instalaciones con costes multimillonarios: el reactor de fusión ITER en Francia, y la Instalación Nacional de Ignición (National Ignition Facility – NIF) en California. Pero existen otras aproximaciones más baratas – y una de ellas puede tener una posibilidad de alcanzar el “punto de inflexión”, un hito clave en el que un proceso produce más energía de la necesaria para disparar la reacción de fusión. Los investigadores del Laboratorio Nacional Sandia en Albuquerque, Nuevo México, anunciarán en un artículo aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters(PRL) que su proceso, conocido como fusión inercial de funda magnetizada (MagLIF) propuesto por primera vez hace 2 años, ha superado la primera de las tres pruebas, colocándolo en el camino de lograr el codiciado “punto de inflexión”. Las pruebas del resto de componentes del proceso continuarán el próximo año, y el equipo espera abordar su primer intento de fusión a finales de 2013.
Prototipo de fusión nuclear de Sandia © by NNSANews
Los reactores de fusión calientan y comprimen el plasma – un gas ionizado – compuesto de tritio y deuterio, isótopos del hidrógeno, compactando los mismos hasta que sus núcleos superan la repulsión mutua y se fusionan. A partir de esta olla a presión surgen núcleos de helio, neutrones y una gran cantidad de energía. La temperatura requerida para la fusión es de más de 100 millones de grados C — por lo que tienes que usar una gran cantidad de energía antes de empezar a obtener alguna. ITER y NIF están planificando cómo atacar este problema de distintas formas. El ITER, que tiene planificada su puesta en marcha para 2019 o 2020 intentará la fusión conteniendo un plasma con enormes campos magnéticos y calentándolo con haces de partículas y ondas de radio. NIF, por su parte, toma una minúscula cápsula llena de combustible de hidrógeno y la aplasta con un potente pulso láser. NIF ha estado funcionando durante unos pocos años, pero aún tiene que superar el punto de inflexión.
La técnica MagLIF de Sandia es similar a la del NIF ya que aplasta rápidamente su combustible – un proceso conocido como fusión por confinamiento inercial. Pero para lograrlo, MagLIF usa un pulso magnético en lugar de láseres. La diana en MagLIF es un diminuto cilindro de unos 7 milímetros de diámetro; está hecho de berilio y lleno de deuterio y tritio. El cilindro, conocido como funda, está conectado al enorme generador de pulsos electros de Sandia (conocido como máquina Z), que puede proporcionar 26 millones de amperios en un pulso de un milisegundo de duración o menos. Tal corriente pasando a través de las paredes del cilindro crea un campo magnético que ejerce una fuerza hacia el interior de las paredes de la funda, destrozándolo instantáneamente – y comprimiendo y calentando el combustible de fusión.
Los investigadores conocen desde hace algún tiempo esta técnica de aplastar una funda para calentar el combustible de fusión. Pero la propia configuración de la máquina MagLIF-Z no produjo suficiente calor; se necesitó algo de calor extra para hacer que el proceso fuese capaz de alcanzar el punto de inflexión. El investigador de Sandia Steve Slutz dirigió un equipo que investigó varias mejoras mediante simulaciones por ordenador del proceso. En un artículo publicado en Physics of Plasmas en 2010, el equipo predijo que podría alcanzarse el punto de inflexión con tres mejoras.
Primero, tenían que aplicar el pulso de corriente mucho más rápidamente, en apenas 100 nanosegundos, para aumentar la velocidad de implosión. También precalentaron el combustible de hidrógeno dentro de la funda con un pulso láser antes de que la máquina Z entrase en acción. Y finalmente colocaron dos bobinas eléctricas alrededor de la funda, una en cada extremo. Estas bobinas producen un campo magnético que une ambas, envolviendo la funda en un aislamiento magnético. Este aislamiento evita que las partículas cargadas, como los electrones y los núcleos de helio, escapen y enfríen el plasma – por lo que la temperatura se mantiene caliente.
El físico de plasma de Sandia Ryan McBride lidera un proyecto para ver si las simulaciones son correctas. El primer elemento en la lista es poner a prueba la rápida compresión de la funda. Un parámetro crítico es el espesor de la pared de la misma: Cuanto más fina sea, más rápidamente se acelerará mediante el pulso magnético. Pero el material de la pared también empieza a evaporarse durante el pulso, y si se rompe demasiado pronto, destruirá la compresión. Por otra parte, si la pared es demasiado gruesa no alcanzará una velocidad lo bastante alta. “Hay un punto dulce en el medio donde permanece intacta y puedes seguir logrando una velocidad de implosión bastante buena”, dice McBride.
Para poner a prueba el punto dulce predicho, McBride y su equipo configuraron un elaborado sistema de imagen que implicaba el hacer impactar un láser de alta potencia sobre una muestra de manganeso (en realidad un prototipo del NIF trasladado a Sandia) para producir rayos X. Haciendo incidir los rayos X a través de la funda en varias etapas de la implosión, los investigadores pudieron fotografiar qué sucedía. Encontraron que en el espesor del punto dulce, la funda mantenía su forma a lo largo de la implosión. “Funcionó como se predijo”, dice McBride. El equipo tiene previsto poner a prueba ahora otras dos mejoras – el precalentamiento del láser y el aislamiento magnético —el año que viene, y luego unirlo todo para hacer un intento de alcanzar el punto de inflexión antes de finales de 2013.
A principios de este año, Slutz y su equipo publicaron otras simulaciones en PRL que demostraron que si se construía un generador de pulsos más potente que produjese corrientes más altas – por ejemplo, 60 millones de amperios – el sistema podría lograr no solo el punto de inflexión, sino una alta ganancia. En otras palabras, MagLIF podría producir el tipo de energía necesaria para una planta de energía comercial de fusión.
“Estoy entusiasmado con el descubrimiento de Sandia de que la fusión de diana magnetizada… sea un camino para una ganancia significativa en la máquina Z. Estamos de acuerdo y esperamos que sus experimentos tengan una oportunidad de intentarlo”, dice Glen Wurden, director del equipo de plasma magnetizado en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México.
En la carrera por hacer realidad la energía de fusión, un pequeño laboratorio puede estar poniendo en aprietos a los chicos mayores. Los esfuerzos a nivel mundial por aprovechar la fusión – la fuente de energía del Sol y las estrellas – como fuente de energía en la Tierra, actualmente se centran en dos instalaciones con costes multimillonarios: el reactor de fusión ITER en Francia, y la Instalación Nacional de Ignición (National Ignition Facility – NIF) en California. Pero existen otras aproximaciones más baratas – y una de ellas puede tener una posibilidad de alcanzar el “punto de inflexión”, un hito clave en el que un proceso produce más energía de la necesaria para disparar la reacción de fusión. Los investigadores del Laboratorio Nacional Sandia en Albuquerque, Nuevo México, anunciarán en un artículo aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters(PRL) que su proceso, conocido como fusión inercial de funda magnetizada (MagLIF) propuesto por primera vez hace 2 años, ha superado la primera de las tres pruebas, colocándolo en el camino de lograr el codiciado “punto de inflexión”. Las pruebas del resto de componentes del proceso continuarán el próximo año, y el equipo espera abordar su primer intento de fusión a finales de 2013.
Prototipo de fusión nuclear de Sandia © by NNSANews
Los reactores de fusión calientan y comprimen el plasma – un gas ionizado – compuesto de tritio y deuterio, isótopos del hidrógeno, compactando los mismos hasta que sus núcleos superan la repulsión mutua y se fusionan. A partir de esta olla a presión surgen núcleos de helio, neutrones y una gran cantidad de energía. La temperatura requerida para la fusión es de más de 100 millones de grados C — por lo que tienes que usar una gran cantidad de energía antes de empezar a obtener alguna. ITER y NIF están planificando cómo atacar este problema de distintas formas. El ITER, que tiene planificada su puesta en marcha para 2019 o 2020 intentará la fusión conteniendo un plasma con enormes campos magnéticos y calentándolo con haces de partículas y ondas de radio. NIF, por su parte, toma una minúscula cápsula llena de combustible de hidrógeno y la aplasta con un potente pulso láser. NIF ha estado funcionando durante unos pocos años, pero aún tiene que superar el punto de inflexión.
La técnica MagLIF de Sandia es similar a la del NIF ya que aplasta rápidamente su combustible – un proceso conocido como fusión por confinamiento inercial. Pero para lograrlo, MagLIF usa un pulso magnético en lugar de láseres. La diana en MagLIF es un diminuto cilindro de unos 7 milímetros de diámetro; está hecho de berilio y lleno de deuterio y tritio. El cilindro, conocido como funda, está conectado al enorme generador de pulsos electros de Sandia (conocido como máquina Z), que puede proporcionar 26 millones de amperios en un pulso de un milisegundo de duración o menos. Tal corriente pasando a través de las paredes del cilindro crea un campo magnético que ejerce una fuerza hacia el interior de las paredes de la funda, destrozándolo instantáneamente – y comprimiendo y calentando el combustible de fusión.
Los investigadores conocen desde hace algún tiempo esta técnica de aplastar una funda para calentar el combustible de fusión. Pero la propia configuración de la máquina MagLIF-Z no produjo suficiente calor; se necesitó algo de calor extra para hacer que el proceso fuese capaz de alcanzar el punto de inflexión. El investigador de Sandia Steve Slutz dirigió un equipo que investigó varias mejoras mediante simulaciones por ordenador del proceso. En un artículo publicado en Physics of Plasmas en 2010, el equipo predijo que podría alcanzarse el punto de inflexión con tres mejoras.
Primero, tenían que aplicar el pulso de corriente mucho más rápidamente, en apenas 100 nanosegundos, para aumentar la velocidad de implosión. También precalentaron el combustible de hidrógeno dentro de la funda con un pulso láser antes de que la máquina Z entrase en acción. Y finalmente colocaron dos bobinas eléctricas alrededor de la funda, una en cada extremo. Estas bobinas producen un campo magnético que une ambas, envolviendo la funda en un aislamiento magnético. Este aislamiento evita que las partículas cargadas, como los electrones y los núcleos de helio, escapen y enfríen el plasma – por lo que la temperatura se mantiene caliente.
El físico de plasma de Sandia Ryan McBride lidera un proyecto para ver si las simulaciones son correctas. El primer elemento en la lista es poner a prueba la rápida compresión de la funda. Un parámetro crítico es el espesor de la pared de la misma: Cuanto más fina sea, más rápidamente se acelerará mediante el pulso magnético. Pero el material de la pared también empieza a evaporarse durante el pulso, y si se rompe demasiado pronto, destruirá la compresión. Por otra parte, si la pared es demasiado gruesa no alcanzará una velocidad lo bastante alta. “Hay un punto dulce en el medio donde permanece intacta y puedes seguir logrando una velocidad de implosión bastante buena”, dice McBride.
Para poner a prueba el punto dulce predicho, McBride y su equipo configuraron un elaborado sistema de imagen que implicaba el hacer impactar un láser de alta potencia sobre una muestra de manganeso (en realidad un prototipo del NIF trasladado a Sandia) para producir rayos X. Haciendo incidir los rayos X a través de la funda en varias etapas de la implosión, los investigadores pudieron fotografiar qué sucedía. Encontraron que en el espesor del punto dulce, la funda mantenía su forma a lo largo de la implosión. “Funcionó como se predijo”, dice McBride. El equipo tiene previsto poner a prueba ahora otras dos mejoras – el precalentamiento del láser y el aislamiento magnético —el año que viene, y luego unirlo todo para hacer un intento de alcanzar el punto de inflexión antes de finales de 2013.
A principios de este año, Slutz y su equipo publicaron otras simulaciones en PRL que demostraron que si se construía un generador de pulsos más potente que produjese corrientes más altas – por ejemplo, 60 millones de amperios – el sistema podría lograr no solo el punto de inflexión, sino una alta ganancia. En otras palabras, MagLIF podría producir el tipo de energía necesaria para una planta de energía comercial de fusión.
“Estoy entusiasmado con el descubrimiento de Sandia de que la fusión de diana magnetizada… sea un camino para una ganancia significativa en la máquina Z. Estamos de acuerdo y esperamos que sus experimentos tengan una oportunidad de intentarlo”, dice Glen Wurden, director del equipo de plasma magnetizado en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México.
Autor: Daniel Clery
Fecha Original: 18 de septiembre de 2012
Enlace Original
Tomado de: http://www.cienciakanija.com/2012/10/01/un-paso-mas-hacia-la-fusion-nuclear/
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