¿Ayudará el último avance en fusión nuclear a combatir el cambio climático? : NPR

Geoff Brumfiel

La Instalación Nacional de Ignición multimillonaria ha utilizado 192 rayos láser para crear energía neta a partir de una pequeña bolita de combustible nuclear. Damien Jemison/LLNL/NNSA ocultar leyenda

La Instalación Nacional de Ignición multimillonaria ha utilizado 192 rayos láser para crear energía neta a partir de una pequeña bolita de combustible nuclear.

Científicos del Departamento de Energía de EE. UU. han logrado un gran avance en la fusión nuclear.

Por primera vez en un laboratorio, los investigadores pudieron generar más energía a partir de las reacciones de fusión de la que usaron para iniciar el proceso. La potencia total fue de alrededor del 150% de la potencia que pusieron los 192 rayos láser.

"Estados Unidos ha logrado un tremendo avance científico", dijo la secretaria de Energía, Jennifer Granholm, en una conferencia de prensa.

El logro se produjo en la Instalación Nacional de Ignición (NIF), un complejo láser de 3500 millones de dólares en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California. Durante más de una década, NIF ha luchado para cumplir su objetivo declarado de producir una reacción de fusión que genere más energía de la que consume.

Pero eso cambió en la oscuridad de la noche del 5 de diciembre. A la 1 a. m. hora local, los investigadores usaron los láseres para eliminar una pequeña bolita de combustible de hidrógeno. Los láseres emitieron 2,05 megajulios de energía y la pastilla liberó aproximadamente 3,15 megajulios.

Es un hito importante, uno que el campo de la ciencia de la fusión ha luchado por alcanzar durante más de medio siglo.

"En nuestro laboratorio hemos estado trabajando en esto durante casi 60 años", dice Mark Herrmann, quien supervisa el programa NIF en Livermore. "Este es un logro de equipo increíble".

Los investigadores dicen que la energía de fusión algún día podría proporcionar electricidad limpia y segura sin emisiones de gases de efecto invernadero. Pero incluso con este anuncio, los científicos independientes creen que ese sueño aún está a muchas décadas de distancia.

A menos que haya un avance aún mayor, es poco probable que la fusión desempeñe un papel importante en la producción de energía antes de la década de 2060 o 2070, dice Tony Roulstone, ingeniero nuclear de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, que realizó un análisis económico de la energía de fusión.

"Creo que la ciencia es excelente", dice Roulstone sobre el avance. Pero quedan muchos obstáculos de ingeniería. "Realmente no sabemos cómo sería la planta de energía".

A ese ritmo, la energía de fusión no llegará lo suficientemente pronto para la administración Biden, que busca reducir a cero las emisiones netas de gases de efecto invernadero de Estados Unidos para 2050, un objetivo que, según los expertos, debe cumplirse para evitar los peores efectos del cambio climático.

La energía de fusión ha disparado durante mucho tiempo la imaginación de los científicos e ingenieros nucleares. La tecnología funcionaría "fusionando" elementos ligeros de hidrógeno en helio, generando una enorme cantidad de energía. Es el mismo proceso que alimenta al sol, y es mucho más eficiente que la actual tecnología de "fisión" nuclear. Además, las plantas de energía de fusión generarían relativamente pocos desechos nucleares y podrían funcionar con el hidrógeno que se encuentra fácilmente en el agua de mar.

La instalación NIF de diez pisos de altura es el sistema láser más potente del mundo. Está diseñado para apuntar sus 192 rayos a un diminuto cilindro de oro y uranio empobrecido. Dentro del cilindro hay una cápsula de diamante más pequeña que un grano de pimienta. Esa cápsula es donde ocurre la magia: está llena de dos isótopos de hidrógeno que pueden fusionarse para liberar cantidades asombrosas de energía.

Cuando los láseres se disparan al objetivo, generan rayos X que vaporizan el diamante en una pequeña fracción de segundo. La onda de choque de la destrucción del diamante aplasta los átomos de hidrógeno, haciendo que se fusionen y liberen energía.

NIF abrió por primera vez en 2009, pero sus disparos láser iniciales no cumplieron con las expectativas. El hidrógeno en el objetivo no se "encendía", y el Departamento de Energía tenía poco que mostrar por los miles de millones que había invertido.

La instalación utiliza potentes láseres para comprimir gránulos de combustible. El resultado es la fusión nuclear, el proceso que alimenta el Sol y las armas nucleares más grandes del mundo. Don Jedlovec/LLNL/NNSA ocultar leyenda

La instalación utiliza potentes láseres para comprimir gránulos de combustible. El resultado es la fusión nuclear, el proceso que alimenta el Sol y las armas nucleares más grandes del mundo.

Luego, en agosto de 2021, después de años de progreso lento pero constante, los físicos pudieron encender el hidrógeno dentro de la cápsula, creando una combustión autosostenida. El proceso es similar a encender gasolina, dice Riccardo Betti, científico jefe del laboratorio de energía láser de la Universidad de Rochester. "Empiezas con una pequeña chispa, y luego la chispa se hace más y más grande, y luego la quemadura se propaga".

Esta ignición autocombustible en realidad se parece a un proceso similar al de una ojiva termonuclear moderna, aunque en una escala mucho menor.

Estados Unidos no ha probado un arma nuclear desde 1992, y el objetivo principal de la instalación NIF es realizar explosiones a muy pequeña escala que imitan las armas nucleares. Los datos de estas pequeñas explosiones se introducen en complejas simulaciones por computadora que ayudan a los físicos a comprender si las armas nucleares de la nación siguen siendo confiables, a pesar de décadas en el estante.

"Usamos estos experimentos para obtener datos experimentales para compararlos con nuestras simulaciones", dice Herrmann, quien también supervisa la investigación de armas nucleares en el laboratorio. Además, dice que la radiación de las explosiones se puede utilizar para probar componentes. Tales pruebas asegurarán que las partes nuevas y renovadas de las armas nucleares se comporten como se espera.

Incluso después del logro del año pasado, todavía quedaba un objetivo más por alcanzar: producir más energía a partir de la pequeña cápsula que la que pusieron los láseres.

Herrmann dice que el tiro de agosto de 2021 le dio al equipo un punto de partida. "Eso nos puso en el umbral", dice. "De hecho, progresamos mucho en el último año". Las mejoras constantes en los láseres, objetivos y otros componentes colocaron gradualmente a la instalación en una posición en la que finalmente podría generar energía a partir de la cápsula.

Los científicos golpean un objetivo del tamaño de un borrador de lápiz. Jason Laurea/LLNL/NNSA ocultar leyenda

Los científicos golpean un objetivo del tamaño de un borrador de lápiz.

"Es un gran paso científico", dice Ryan McBride, ingeniero nuclear de la Universidad de Michigan. Pero, agrega McBride, eso no significa que NIF en sí esté produciendo energía. Por un lado, dice, los láseres requieren más de 300 megajulios de electricidad para producir alrededor de 2 megajulios de luz láser ultravioleta. En otras palabras, incluso si la energía de las reacciones de fusión excede la energía de los láseres, todavía es solo alrededor del uno por ciento de la energía total utilizada.

Además, se necesitarían muchas cápsulas explotando una y otra vez para producir suficiente energía para alimentar la red eléctrica. "Tendrías que hacer esto muchas, muchas veces por segundo", dice McBride. NIF actualmente puede hacer alrededor de un "disparo" de láser a la semana.

Aún así, el potencial a largo plazo es asombroso, dice Arati Dasgupta, científico nuclear del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. Mientras que una pila gigante de carbón que emite carbono podría generar electricidad en cuestión de minutos, la misma cantidad de combustible de fusión podría hacer funcionar una planta de energía durante años, sin emisiones de dióxido de carbono. "Esta es una gran demostración de la posibilidad", dice Dasgupta. Pero, agrega, quedan muchos problemas técnicos. "Es una gran empresa".

Y obtener energía económica de un reactor de fusión es aún más difícil, dice Roulstone. Él y su equipo observaron una tecnología rival conocida como tokamak y concluyeron que todavía había una enorme cantidad de desafíos para hacer que la fusión funcionara económicamente. Su análisis estimó que la fusión no estará lista para la red antes de la segunda mitad de este siglo. Él cree que la misma línea de tiempo se aplica a la tecnología de NIF. "No es muy fácil ver cómo escalar esto rápidamente en un reactor de potencia", dice.

Para entonces, la mayoría de los expertos en clima creen que el mundo ya tendrá que haber hecho recortes drásticos en las emisiones de carbono para evitar los peores efectos del cambio climático. Para limitar el calentamiento a 2,7 grados Fahrenheit para fines de siglo, el mundo debe reducir casi a la mitad su producción de carbono para 2030, una escala de tiempo mucho más corta que la que se necesita para desarrollar la fusión.

Betti está de acuerdo en que el plazo para construir una planta de fusión es "definitivamente décadas". Pero, agrega, eso podría cambiar. "Siempre hay una posibilidad de avance", dice. Y los nuevos resultados de NIF podrían ayudar a impulsar ese avance. "Hará que más personas estudien esta forma de fusión, para ver si podemos convertirla en un sistema de generación de energía".

Rebecca Hersher de NPR contribuyó a este informe.

Una versión anterior de esta historia citó incorrectamente a Mark Herrmann diciendo que el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ha estado trabajando en la fusión nuclear usando láser durante casi 16 años. El laboratorio lleva casi 60 años trabajando en ello.

14 de diciembre de 2022

Una versión anterior de esta historia describió la "ganancia" del experimento de fusión como 150%. La potencia total de la reacción de fusión fue el 150 % de la potencia aportada por los láseres, lo que representa una ganancia global del 50 %. El lenguaje en la historia se ha actualizado para aclarar el resultado.