Francis en #RosaVientos: Nuevo hito en la fusión nuclear

Dibujo20140216 national ignition facility -nif- hohlraum

Ya puedes escuchar el audio de mi sección Eureka en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre una transcripción y algunos enlaces para profundizar.

El siglo XXI será el siglo de la crisis energética. Los combustibles fósiles se acabarán. ¿Las energías renovables como la eólica y la solar podrían ser una solución a este problema? La humanidad consume al año unos 10 teravatios (TW) de energía, el equivalente a la producción de 10.000 centrales nucleares de tamaño media. Una cifra escalofriante que proviene en gran parte de la quema masiva de combustibles fósiles. Hoy en día es una utopía pensar que las energías renovables, como la energía eólica o la energía solar, puedan producir una cantidad tan ingente de energía. En mi opinión, la energía de fusión nuclear es la única alternativa razonable. Sin embargo, habrá que esperar hasta la segunda mitad de este siglo para que la energía de fusión se convierta en una fuente de energía masiva.

Los artículos técnicos que se discuten en esta noticia son: O. A. Hurricane et al., “Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion,” Nature, AOP 12 Feb 2014; T. R. Dittrich et al., “Design of a High-Foot High-Adiabat ICF Capsule for the National Ignition Facility,” Phys. Rev. Lett. 112: 055002, 05 Feb 2014; H.-S. Park et al., “High-Adiabat High-Foot Inertial Confinement Fusion Implosion Experiments on the National Ignition Facility,” Phys. Rev. Lett. 112: 055001, 05 Feb 2014. Más información divulgativa en inglés en Mark Herrmann, “Plasma physics: A promising advance in nuclear fusion,” Nature, AOP 12 Feb 2014; Steven J. Rose, «Encouraging Signs on the Path to Fusion,» Physics 7: 13, 05 Feb 2014.

Dibujo20140214 nuclear fission vs nuclear fusion - merriam-webster inc

La fusión nuclear muchas veces se confunde con la energía nuclear convencional que usa la fisión. ¿Podrías aclarar la diferencia entre fusión y fisión nuclear? Hay dos maneras de obtener energía a partir de los núcleos de los átomos, la fisión de núcleos pesados y la fusión de núcleos ligeros. En la fisión nuclear un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, produciendo neutrones y energía útil para calentar agua para que mueva una turbina y produzca electricidad. Su mayor problema es que los productos de la fisión son altamente radiactivos y la gestión de los residuos nucleares es un grave problema. En la fusión nuclear dos núcleos atómicos pequeños se unen para dar lugar a un núcleo de mayor tamaño, produciendo neutrones y energía útil, que también permite calentar agua para mover una turbina y producir electricidad. La fusión ocurre de manera natural en el Sol, donde se fusionan dos protones, núcleos de hidrógeno, para generar deuterio (hidrógeno pesado); este proceso ocurre en el núcleo del Sol a una temperatura de 16 millones de grados. En la Tierra, esta reacción es imposible de lograr, por lo que se prefiere usar la fusión de un núcleo de deuterio con uno de tritio (reacción D-T), que da lugar a un núcleo de helio y un neutrón. El deuterio se encuentra en el agua del mar, una de cada 6500 moléculas de agua contiene deuterio, es decir, un litro de agua contiene 33 miligramos de deuterio. El tritio hay que fabricarlo a partir de litio, que es un elemento muy abundante en la Tierra y se puede extraer de la sal marina. Para obtener toda la energía que necesita una persona durante un año basta gastar un gramo de litio. El producto de la reacción, el helio, es inocuo, no crea efecto invernadero, no se acumula en la atmósfera y no es radiactivo. Por tanto, la fusión nuclear sería una fuente de energía limpia y barata.

Dibujo20140214 nuclear fusion - tokamak - iter jet

En la fusión nuclear todo parecen ventajas, sin embargo, todavía no se ha logrado construir ningún reactor de fusión comercial. ¿Cuáles son los problemas que tiene la fusión? La mayor dificultad es conseguir la reacción de fusión en sí misma. Los dos núcleos tienen carga positiva y se repelen, por lo que para la fusión hay que superar la repulsión electrostática. El combustible de deuterio y tritio a alta temperatura se comporta como un plasma y para lograr la ignición de la fusión hay que confinar este plasma durante un tiempo suficiente. Se tiene que cumplir el llamado criterio de Lawson. Para cumplirlo hay dos grandes enfoques diferentes. La fusión por confinamiento magnético, en la que se usa un intenso campo magnético que confina el plasma caliente a una presión de varias atmósferas y durante un tiempo de confinamiento de unos segundos. Hay varios diseños, pero el más prometedor es el uso de tokamaks, sistemas en forma de dónut como el futuro reactor experimental ITER, que se está construyendo en Cadarache, Francia. Y por otro lado la fusión por confinamiento inercial, donde el confinamiento es proporcionado por la inercia del propio plasma, pero que requiere presiones de miles de millones de atmósferas y tiempos de confinamiento de décimas de nanosegundos. También hay varios diseños, pero el más prometedor es el que utiliza láseres de gran potencia, como el reactor experimental del NIF que se encuentra en California, EEUU. 

El objetivo es lograr la ignición de la fusión nuclear y la producción de energía. ¿Se ha logrado producir energía con alguno de estos dos tipos de diseños? En confinamiento magnético se logró la producción de energía en el tokamak llamado JET, que está en Oxford, Reino Unido, el tokamak en funcionamiento más grande del mundo en este momento (ITER están en construcción y se espera que entre en funcionamiento alrededor de 2023). En 1997 se logró la producción de 16 megavatios de energía en JET, el récord mundial hasta el día de hoy, con la fusión de deuterio y tritio, pero se gastaron casi 23 megavatios en total. Por tanto no es viable como fuente de energía. Se trata de un tokamak muy pequeño, que contiene unos 80 metros cúbicos de plasma. El experimento ITER contendrá unos 1000 metros cúbicos de plasma y debería alcanzar ganancias energéticas de 500 megavatios, demostrando la “viabilidad científica” de la fusión como fuente de energía. Si todo va bien los primeros reactores comerciales deberían empezar a funcionar alrededor del año 2050. 

Dibujo20140216 laser power vs time - low and high foot - nif llnl

Cómo se encuentra la otra vía hacia la fusión, la fusión por confinamiento inercial. ¿Se ha logrado la producción de energía en la fusión? Esta semana ha sido noticia la publicación de un artículo en la revista Nature y dos artículos en la revista Physical Review Letters que muestran la producción positiva de energía por fusión en el experimento NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, EEUU. En el NIF se logra la fusión por confinamiento inercial mediante el uso de un enorme láser que tiene el tamaño de un estadio de fútbol y produce 192 haces láser ultravioletas que liberan una energía de 1,9 megajulios en un pulso de pocos nanosegundos. Esta energía equivale a la energía cinética de un camión de 2 toneladas viajando a 160 km/h. Estos haces láser inciden sobre una cápsula en forma de cilindro de unos milímetros llamada hohlraum, que aloja en su interior una cápsula de combustible, una esfera de plástico más pequeña que un grano de pimienta que contiene 0,17 miligramos de deuterio y tritio congelados. El pulso láser se convierte en rayos X que funden la cápsula y provocan su implosión calentando el combustible de deuterio y tritio a unos 50 millones de grados, suficiente para producir la reacción de fusión. Pero durante los tres primeros años de funcionamiento no se logró porque la compresión del combustible no es simétrica y la esfera de combustible da lugar a una plasma en forma de anillo (como un dónut) en lugar de a una esfera, y porque durante la implosión, la cápsula de plástico se rompe y se mezcla con el combustible, dificultando la reacción de fusión. El año pasado se usó una nueva técnica que resuelve estos problemas. 

Dibujo20140216 cross section spherical fuel capsule - diff between high and low foot

¿Cuál fue la solución que se adoptó el año para lograr la producción de energía en la fusión? En el NIF se utilizaba una técnica llamada «low foot» que ajusta los 192 láseres para que aporten más energía en ciertas partes de la cápsula y menos en otras partes, con objeto de obtener una implosión más simétrica. Además, para evitar la rotura de la cápsula y el mezclado con el combustible, primero se lanzan algunos pulsos de baja energía durante unos 20 nanosegundos para lograr la implosión sin calentar el combustible y luego se finaliza con un pulso de alta energía que debe provocar la reacción de fusión. Sin embargo, esta técnico no tuvo éxito. El año pasado se decidió usar una nueva técnica llamada «high foot» que invierte el orden, primero se usa un pulso de alta energía para lograr que el combustible implosione más rápido y luego acaba un pulso de menor energía durante unos 15 nanosegundos. La nueva técnica se probó el 13 de agosto con éxito. Y el 27 de septiembre se producjo más energía (14,4 kilojulios) que la inyectada en el combustible durante la implosión, que se estima en 11 kilojulios. El éxito se repitió el 19 de noviembre, logrando producir 17,3 kilojulios cuando se estima que el combustible recibió sólo 9 kilojulios. Esta es la primera vez que se ha logrado que un experimento con láser produzca energía neta.

Dibujo20140216 neutron yield versus simulation - nif llnl

Se ha producido más energía que la consumida por el combustible, ¿significa que se ha logrado la ignición de la fusión? No, porque la ignición requiere una ganancia real de energía, es decir, producir más energía por fusión que la energía gastada en los láseres. Se ha producido más energía que la inyectada en el combustible, pero la mayor parte de la energía de los láseres se ha perdido en la cápsula y no ha llegado al combustible. Se estima que la energía producida fue menor de 1% de la energía necesaria para producir los pulsos de los láseres. Lo más importante es que se ha observado un fenómeno de vital importancia para la ignición. Las partículas alfa (núcleos de helio) producidas en la fusión del núcleo del combustible han ayudado a calentar el combustible más frío que se encuentra alrededor. Esta (auto)calentamiento ha logrado duplicar la energía producida en la fusión. Aunque algunos expertos aún tienen dudas, se cree que se ha dado un paso de gigante hacia la ignición de la fusión por confinamiento inercial en el NIF. Aunque aún hay mucha ciencia básica aún por descubrir, el logro obtenido es muy importante.



4 Comentarios

  1. Es importante que este tipo de proyectos reciban la inversión que merecen. Estamos lejos de la sostenibilidad energética pero de llegar a buen puerto estos «macroproyectos», imposibles de asumir por potencias en solitario, se cambiarán muchos paradigmas de la humanidad (tal vez no arregle todos los problemas sociales que rodean la explotación y control de la energía pero de seguro harán que esos problemas sean cada vez menos influyentes en nuestras vidas).

    1. sin duda alguna la solucion mas cercana a los problemas energeticos y ambientales del planeta la tecnologia con el potencial de avance mas grande de todos los tiempos

    2. una pregunta si ago colisionar1 positron con 1 neutron obtengo 1 proton 2 fotones y 1 antineutrino contestar porfavor estare pendiente de las respuestas gracias

      amplio la razon de mi pregunta colisionar cada particula con su correspondiente antiparticula es lo normal se sabe que pasa pero no se habla de colisiones como las que describo en mi pregunta y considera esto en el decaimiento beta de 1 neutron fuera del nucleo este se divide en1 proton 1 electron y 1 antineutrino y 1 estrella de neutrones nace cuando los protones y electrones se fusionan entonces 1 proton + 1 electron = 1 neutron y de ahy empalma con mi pregunta este pensamiento esta bien gracias

      en 1 principio no sabia cuanto podia escribir en la pagina y simplifique al maximo pero ahora entenderas mejor mi pregunta quiero si esta bien mi hipotesis y saber que piensas al respecto posdata en la pregunta me equivoque debi poner neutrinos no antineutrinos ya que creo que es asi como sucede por favor responder gracias

      1. Raul, no entiendo tu pregunta.

        «¿Si hago colisionar un positrón contra un neutrón obtengo un proton, dos fotones y un antineutrino?»

        Respuesta breve, no.

        Un neutrón está formado por gluones, quarks arriba y quarks abajo. Un positrón interacciona con un neutrón de forma elástica (el positrón se ve atraído EM por un quark down o se ve repelido EM por un quark up gracias al intercambio de un fotón virtual); tras una interacción elástica el positrón sigue siendo un positrón y el neutrón sigue siendo un neutrón.

        Un positrón de muy alta energía puede interaccionar con un neutrón de forma inelástica, o bien mediante un bosón Z (corriente débil neutra), o bien mediante un bosón W (corriente débil cargada). En el primer caso no hay cambio de identidad. En el segundo caso el positrón se transforma en un neutrino y el quark down en un quark up (por tanto, el neutrón se transforma en un protón).

        ¿Cómo podrían emitirse dos fotones? Gracias a la aniquilación de un positrón y un electrón. Como un neutrón libre es metaestable puede desintegrarse (radiactividad beta) en un protón, un electrón y un antineutrino. Si hacemos colisionar un positrón de forma elástica contra un neutrón hay una probabilidad no nula de que coincida con el momento en el que decae beta en un protón y hay un probabilidad no nula de que el electrón beta y dicho positrón se aniquilen produciendo dos fotones. Como resultado, con muy baja probabilidad, se daría el proceso que indicas.

        «Una estrella de neutrones nace … y de ahí empalma con mi pregunta …»

        Te recomendaría estudiar la física de las estrellas de neutrones. Hay muchas fuentes en la web (busca con Google algo que puedas entender; no sé qué recomendarte pues no sé qué sabes de física).

        «Mi hipótesis y saber qué piensas al respecto…»

        Lo que pienso es que deberías estudiar algo de física nuclear. La física de las estrellas de neutrones se entiende muy bien desde hace 80 años.

        Saludos
        Francis

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 17 febrero, 2014
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