Descubre una nueva forma de traer la energía que alimenta el sol y las estrellas a la Tierra

Los científicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto nuevos detalles críticos sobre las instalaciones de fusión que utilizan láseres para comprimir el combustible que produce la energía de fusión. Los nuevos datos podrían ayudar a mejorar el diseño de futuras instalaciones láser que aprovechen el proceso de fusión que impulsa al sol y las estrellas.

La fusión combina elementos ligeros en forma de plasma, el estado cargado y caliente de la materia compuesto de electrones libres y núcleos atómicos, que genera enormes cantidades de energía. Los científicos buscan replicar la fusión en la Tierra para obtener un suministro de energía prácticamente inagotable para generar electricidad.

Las principales instalaciones experimentales incluyen tokamaks, los dispositivos de fusión magnética estudiados por PPPL; stellarators, las máquinas de fusión magnética que también está estudiando PPPL y que recientemente se han extendido por todo el mundo; y dispositivos láser utilizados en los llamados experimentos de confinamiento inercial.

Los investigadores exploraron el impacto de añadir metal de tungsteno, que se utiliza para fabricar herramientas de corte y filamentos de lámparas, a la capa exterior de gránulos de combustible de plasma en la investigación de confinamiento inercial. Descubrieron que el tungsteno aumentaba el rendimiento de las implosiones que provocan reacciones de fusión en los gránulos. El tungsteno ayuda a bloquear el calor que elevaría prematuramente la temperatura en el centro de la almohadilla.

El equipo de investigación confirmó los hallazgos realizando mediciones con gas criptón, que a veces se usa en luces fluorescentes. Cuando se agrega al combustible, el gas emite una luz de alta energía conocida como rayos X que fue capturada por un instrumento llamado espectrómetro de rayos X de alta resolución. Los rayos X dieron pistas sobre lo que estaba pasando dentro de la cápsula.

“Me emocionó ver que podíamos realizar estas mediciones sin precedentes utilizando la técnica que hemos desarrollado en los últimos años. Esta información nos ayuda a evaluar la implosión de gránulos y ayuda a los investigadores a calibrar sus simulaciones por computadora“, dijo el físico PPPL Lan Gao, autor principal del artículo que informa los resultados en Cartas de exploración física. “Mejores simulaciones y comprensión teórica general pueden ayudar a los investigadores a diseñar mejores experimentos futuros”.

Los científicos realizaron los experimentos en la Instalación Nacional de Ignición (NIF), una instalación para usuarios del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. La instalación hace brillar 192 láseres en un cilindro de oro, o hohlraum, que tiene un centímetro de altura y alberga el combustible. los rayos láser calentar el hohlraum, que emite rayos X uniformemente sobre la pastilla de combustible en el interior.

“Es como un baño de rayos X”, dijo el físico de PPPL Brian Kraus, quien contribuyó a la investigación. “Es por eso que es bueno usar un hohlraum. Puede hacer brillar los láseres directamente sobre la pastilla de combustible, pero es difícil obtener una cobertura uniforme”.

Los investigadores quieren entender cómo se comprime el pellet para poder diseñar futuras instalaciones para hacer que la calefacción sea más eficiente. Pero obtener información sobre el interior de la pastilla es difícil. “Debido a que el material es muy denso, casi nada puede salir de él”, dijo Kraus. “Queremos medir el interior, pero es difícil encontrar algo que pueda atravesar el caparazón de la pastilla de combustible”.

“Los resultados presentados en el artículo de Lan son de gran importancia para la fusión inercial y han proporcionado un método novedoso para caracterizar plasmas calientes”, dijo Phil Efthimion, jefe del departamento de Ciencia y Tecnología de Plasma de PPPL y responsable de la colaboración con NIF.

Los investigadores utilizaron un espectrómetro de rayos X de alta resolución diseñado por PPPL para recopilar y medir los rayos X radiados con mayor detalle de lo que se había medido antes. Al analizar la evolución de los rayos X cada 25 billones de segundos, el equipo pudo seguir la evolución del plasma a lo largo del tiempo.

“Con base en esta información, pudimos estimar el tamaño y la densidad del núcleo de los gránulos con mayor precisión que antes, lo que nos ayudó a determinar la eficiencia del proceso de fusión”, dijo Gao. “Hemos proporcionado evidencia directa de que la adición de tungsteno aumenta tanto la densidad como la temperatura y, por lo tanto, la presión en la pastilla comprimida. En consecuencia, la fusión aumenta el rendimiento.

“Esperamos colaborar con equipos teóricos, computacionales y experimentales para avanzar en esta investigación”, dijo.