Generan por primera vez un ‘plasma ardiente’, paso gigante en la fusión nuclear

Uno de los últimos hitos que quedan en la investigación de la fusión antes de lograr la ignición y la producción de energía autosostenible es la creación de un plasma ardiente.

En este estado, las propias reacciones de fusión se convierten en la fuente dominante de calentamiento del plasma, pero aún no superan todos los mecanismos de pérdida de energía.

Se logró un estado de plasma ardiente en noviembre de 2020 y febrero de 2021 en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el láser más energético del mundo.

El trabajo, que se centra en los diseños que llevaron a estos resultados, aparece en Nature titulado “Diseño de implosiones de fusión inercial que alcanzan el régimen de plasma ardiente”, con los físicos del LLNL Annie Kritcher y Chris Young como autores principales.

“En estos experimentos logramos, por primera vez en cualquier instalación de investigación de fusión, un estado de plasma ardiente en el que se emite más energía de fusión del combustible que la requerida para iniciar las reacciones de fusión, o la cantidad de trabajo realizado en el combustible”. Dijo Kritcher.

Esto se logró a través de un proceso de retroalimentación de energía llamado autocalentamiento, donde el plasma de fusión se calienta a sí mismo.

Cuando la energía del autocalentamiento es dominante sobre la energía que se inyectó para iniciar las reacciones de fusión, el plasma entra en un estado de combustión de plasma.

La creación de este nuevo régimen en un entorno de laboratorio controlado es de gran importancia científica para la investigación fundamental de la fusión, así como para respaldar el programa de administración de reservas basado en la ciencia de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear.

Este trabajo también fue la base del reciente éxito monumental de NIF al lograr 1,35 MJ en el laboratorio por primera vez.

Este logro también valida el trabajo realizado hace décadas para establecer las especificaciones de potencia y energía para NIF.

El trabajo descrito en el documento presenta los diseños de fusión por confinamiento inercial (ICF, por sus siglas en inglés) que permitieron lograr plasma quemado en laboratorio mediante el desarrollo de formas más eficientes de conducir objetivos de fusión a mayor escala a las mismas condiciones extremas requeridas para que ocurra una fusión significativa, y dentro del límites experimentales actuales de NIF.

Al aumentar la escala y mantener altos niveles de presión de plasma, el equipo finalmente pudo entregar más energía láser inicial directamente al plasma de fusión y poner en marcha el proceso de quemado.

Al hacerlo, el equipo encontró formas novedosas de controlar la simetría de la implosión (mediante la transferencia de energía entre rayos láser de una forma nueva y también cambiando la geometría del objetivo).

Los diseños se generaron y optimizaron mediante una combinación de teoría, modelado computacional (HYDRA) y modelos semiempíricos basados ​​en datos experimentales.

“Aprendimos dónde podíamos y no podíamos confiar en el modelo y cuándo confiar en modelos semiempíricos”, dijo Kritcher.

“También descubrimos que mantener la presión del controlador durante más tiempo (es decir, un pulso láser más largo) en relación con el tiempo que tarda el objetivo en ‘implosionar’ era importante para mantener una presión de plasma alta.

Sin esta presión y suficiente energía acoplada al plasma denso y caliente, no alcanzaríamos las condiciones extremas requeridas para una fusión significativa”.

El trabajo de diseño que respalda estas plataformas ICF comenzó hace varios años.

Los equipos primero reconocieron los problemas técnicos que limitaban el rendimiento, exploraron muchas opciones diferentes para resolver estos problemas técnicos, presentaron opciones al equipo en general y seleccionaron.

Los diseños se actualizaban continuamente con datos de experimentos de ajuste y finalmente se ponían a prueba en experimentos de alto rendimiento con combustible de fusión.

Estos diseños generalmente son generados por un diseñador principal con aportes del equipo interdisciplinario más amplio que incluye diseñadores, experimentadores, teóricos y expertos en instalaciones (láser y objetivo).

Cada nueva iteración se basa en décadas de trabajo previo, resolviendo un problema existente o incorporando una nueva idea que lleva el rendimiento de la fusión a un nuevo nivel.

A través de los cambios de diseño descritos en el documento, los investigadores pudieron aumentar el tamaño del objetivo y aún así mantener los mismos niveles de presión de plasma extrema que se lograron a menor escala, todo mientras operaban con la energía NIF máxima disponible.

“Aún queda mucho trabajo por hacer y este es un momento muy emocionante para la investigación de la fusión”, dijo Kritcher.

“Después de este trabajo, el equipo mejoró aún más la eficiencia del hohlraum en ambas plataformas, aumentando la presión de los puntos calientes, lo que dio como resultado un mayor rendimiento y el experimento récord de 1,35 MJ HYBRID-E”.

Kritcher explica que esta nueva plataforma es ahora el “campo base” para una fracción significativa del trabajo programático en curso, que se centra en comprender la sensibilidad de este nuevo régimen, mejorar la solidez de la plataforma y aumentar aún más la energía y la presión del punto caliente de fusión.

“Esto se explorará a través de una variedad de ideas para aumentar la compresión de combustible y el acoplamiento de energía”, dijo.

Fuente: Nature