La importancia de los resultados de fusión nuclear en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore

16 de Diciembre 2022

Esta semana el Departamento de Energía de EE.UU, confirmó que sus científicos lograron establecer una fusión nuclear con ganancia energética, lo que permitiría en el futuro, la producción de energía con menor costo y más limpia con el medioambiente. Para entender qué es la fusión nuclear y cómo funciona este experimento, hablamos con el Director del Instituto de Física de la PUCV, Dr. Joel Saavedra Alvear, quién nos instruyó al respecto.

¿Qué se logró en Departamento de Energía de Estados Unidos y por qué es importante?

Por primera vez en la historia, se produjo más energía en una reacción nuclear de fusión, comparada con la energía necesaria para producir esta reacción. En todas las pruebas anteriores se había logrado un equilibrio energético, donde la reacción nuclear producía la misma cantidad de energía que la provista por la fuente para iniciar la reacción, es decir, era un juego de suma cero. El resultado recientemente obtenido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, consiguió obtener más energía que la utilizada por el láser para producir la fusión nuclear. 

Este paso es importante, ya que la cantidad de energía adicional es una alternativa energética menos contaminante al no producir gases de efecto invernadero y tampoco generar residuos radiactivos peligrosos que deban estar almacenados por años y años en contenedores especiales como sucede con las actuales plantas nucleares. Estamos observando el principal descubrimiento científico del último tiempo, ya que de seguro será la fuente energética del futuro y que potencialmente será inagotable. 

¿Qué es la fusión nuclear? 

Para esto debemos pensar en una de las estructuras más pequeñas de la materia, el átomo, el cual está compuesto por una nube electrónica en sus capas externas que envuelven a un núcleo atómico, compuesto por protones y neutrones. Todos deben recordar que el número de protones define al elemento químico; 1 protón corresponde al Hidrogeno, 2 protones al Helio, 92 al uranio, etc. 

Como reacciones nucleares tenemos fusión y fisión. La fisión es donde con un núcleo digamos uranio-235 (isotopo del uranio con 92 protones y 143 neutrones) bajo ciertas condiciones se puede producir una reacción en cadena, dividiendo al núcleo padre más pesado en núcleos hijos más livianos (Bario-141 y Kripton-92), más neutrones y también una cierta cantidad de energía liberada en el proceso. Esta energía es usada en las actuales centrales nucleares de forma controlada y en algunos casos tal como Chernóbil de forma no controlada.   

La fusión, tal como lo indica su nombre es el proceso inverso, por ejemplo “pegando” dos isotopos del hidrogeno el deuterio (1 protón + 1 neutrón) y el tritio (1 protón y dos neutrones) daría como resultado un átomo de Helio más un neutrón y por lo tanto un elemento más pesado con una masa levemente menor a las masas individuales de los núcleos originales (deuterio más tritio). El defecto de masa origina una gran cantidad de energía liberada, que se puede cuantificar a través de la famosa formula de Einstein E=mc² . 

En esta parte, el problema se da en el proceso de pegado que corresponde a la fusión nuclear, reacción que no se da de forma natural en la tierra, pero si en nuestro sol, las estrellas y en el universo. Se requieren condiciones extremas para producir la fusión nuclear, la principal es la temperatura, en el sol la temperatura superficial es de 5600º Celsius y aumenta en la medida que nos acercamos al núcleo, donde llega a los 15.000.000º Celsius. Esta temperatura, que es la principal gran condición para la fusión de dos átomos y la posterior liberación de energía, se da de forma natural a cada instante en el sol y la estrellas lo que las convierte en tremendos reactores nucleares de fusión. El conseguir las condiciones de la fusión nuclear en la tierra ha sido la búsqueda del santo grial por décadas y por generaciones de científicos. 

En este caso, la ganancia de energía ha sido de un 50%. Los resultados se obtuvieron la semana pasada, el 5 de diciembre, cuando 192 haces de láser se concentran en un punto del tamaño de un “grano de pimienta”, generando fugazmente las condiciones de una estrella a tres millones de grados Celsius 

¿Qué es la ganancia neta y por qué es importante? 

El punto esencial es cómo generamos las condiciones para que se produzca la fusión en una forma similar a la que se produce en las estrellas, es decir, cómo generamos el plasma y logramos que los núcleos cargados positivamente venzan las fuerzas de repulsión eléctrica para lograr la fusión controlada. Para ello debemos entregar energía al plasma, la gracia está en que la energía liberada en la reacción sea mayor a la energía invertida para provocar la reacción, en ese caso se produce la ganancia neta que será una remanente de energía que quedaría a disposición de ser usada. Con este resultado se logra emular por primera vez las condiciones extremas que solamente se encuentran en las estrellas y por tanto en el sol. 

¿Qué usos le podríamos dar? 

Estamos siendo testigos de la posibilidad de contar con una fuente de energía que no libera gases de efecto invernadero, una fuente de energía limpia y potencialmente inagotable. Un cálculo rápido nos enseña que la energía liberada en la fusión es 4 veces la energía liberada en la fisión, sabemos que por fisión un gramo de uranio-235 libera tanta energía como 144 toneladas de carbón, por tanto, con fusión podríamos producir tanta energía como 576 toneladas de carbón. 

Faltan muchos años de ensayo, estudio y desarrollos de nuevas tecnologías para poder establecer una escala comercial pero ciertamente podemos asegurar que este es un gran paso para humanidad. Con esto, la física nos vuelve a demostrar que a través de sus descubrimientos podemos cambiar nuestra vida. 

La reacción de fusión que se desarrolló en el NIF (National Ignition Facility), produjo cerca de 2,5 megajulios de energía, lo que supone un 120% de los 2,1 megajulios de energía empleado por los láser.

Fuente Facultad de Ciencias