Cuáles son los desafíos que enfrenta la fusión nuclear para conseguir energías limpias

La fusión nuclear podría ser una fuente de energía extraordinariamente atractiva para el futuro. Se trata de una energía limpia, ya que no produce dióxido de carbono y dispone de recursos prácticamente ilimitados. No genera residuos altamente radioactivos durante miles de años como en el caso de la fisión del uranio.

Una de las iniciativas que investiga la fusión nuclear se lleva adelante en la instalación NIF (National Ignition Facility) en los Estados Unidos. Se trata de un proyecto de investigación sobre fusión por confinamiento inercial que se desarrolla en las instalaciones del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, ubicado en Livermore, California.

Los investigadores del proyecto lograron ahora que se encendieran sus láseres a plena potencia por primera vez desde diciembre, cuando alcanzó su objetivo de décadas de “ignición” al producir más energía durante una reacción nuclear de la que consumía.

La última vez no estuvo a la altura: el NIF sólo alcanzó el 4% de la producción de finales del año pasado. Pero los científicos no lo esperaban. Ahora, están tratando de comprender mejor las capacidades de la instalación de fusión nuclear.

El NIF es una instalación del tamaño de un estadio de fútbol que dispara 192 láseres a un diminuto cilindro de oro que contiene una cápsula de diamante. Dentro de la cápsula se encuentra una pastilla congelada de los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio.

Los láseres desencadenan una implosión, creando un calor y una presión extremos que llevan a los isótopos de hidrógeno a fusionarse en helio, liberando energía adicional, según informó la revista Scientific American.

Uno de los principales retos para que este sistema funcione es la fabricación de la cápsula de diamante. Incluso los defectos más pequeños pueden afectar a la implosión y, por lo tanto, a la presión y el calor que impulsan las reacciones de fusión.

Los experimentos que se hacen en el NIF batieron récords en 2021 y 2022 utilizaron las mejores cápsulas disponibles. Pero en marzo pasado, mientras esperaban un nuevo lote, los científicos del NIF realizaron un experimento con una cápsula que era más gruesa por un lado que por el otro.

La modelización sugirió que podían compensar esta imperfección ajustando los haces procedentes de los láseres, para producir una implosión más uniforme. Se trataba de una prueba de sus predicciones teóricas, explicó Richard Town, físico que dirige el programa científico de fusión por inercia del laboratorio.

Los resultados no estuvieron a la altura de sus predicciones, y los investigadores trabajan ahora para entender por qué. Pero si esta línea de investigación da sus frutos, de acuerdo con Town, “permitirá utilizar más cápsulas y mejorará nuestra comprensión de la implosión”.

En diciembre pasado, los científicos habían conseguido aumentar la energía de los láseres e incrementar el grosor de la cápsula, lo que ayuda a prolongar las reacciones de fusión. Los experimentos de este año seguirán una estrategia similar, explicó Annie Kritcher, física que dirige el diseño de la campaña.

A largo plazo, el objetivo es aumentar la cantidad de energía generada por las reacciones de fusión de los 3,15 megajulios creados el año pasado a cientos de megajulios. Los megajulio son unidades de energía equivalente a un millón de julios (por ejemplo, una patada de un deportista puede tener una energía de unos 200 julios).

El doctor Town consideró que puede ser viable aumentar el rendimiento energético del NIF a decenas de megajulios, entre otras cosas. Eso se lograría al aumentaraún más la energía de los láseres que entran en el blanco.

Pero advierte de que el NIF podría necesitar pronto importantes mejoras de seguridad: la instalación sólo está preparada para rendimientos de fusión de hasta 45 megajulios. Antes de llevar a cabo cualquier experimento que pudiera acercarse a ese límite, el laboratorio tendrá que reforzar, en lugares estratégicos, los muros de hormigón de casi 2 metros de grosor que contienen la reacción.

En realidad, el NIF nunca se diseñó para ser una central eléctrica. Su principal objetivo era ayudar a los científicos a verificar que las armas del arsenal nuclear estadounidense son fiables y seguras recreando y estudiando las reacciones en su núcleo.

Pero el logro de diciembre pasado cambió los planes. Los investigadores consiguieron una pequeña reacción que proporciona más energía de la que consume. “Fue un acontecimiento que abre la puerta a un programa energético”, afirmó Stephen Dean, presidente de Fusion Power Associates, un grupo de defensa de Gaithersburg, en Maryland, Estados Unidos.

El experimento récord produjo alrededor de un 50% más de energía que la suministrada al cilindro de oro y, lo que es más importante, casi 13 veces más energía concentrada en la pastilla interior de combustible.

Para Max Karasik, físico del Laboratorio de Investigación Naval de Washington DC, se puso de relieve una posible vía de avance: desechar el cilindro de oro y concentrar los láseres directamente en la pastilla de combustible, un diseño experimental conocido como accionamiento directo.

En esta configuración, “hay mucha más energía disponible para comprimir la pastilla de combustible”, afirma Karasik. Pero los retos a los que se enfrenta la energía de fusión son enormes. Los láseres del NIF consumieron 322 megajulios de energía en el histórico experimento de diciembre.

Según Dean, para suministrar energía al público, una planta de fusión por láser tendría que generar 100 veces más energía de la que consume, y sus láseres tendrían que dispararse unas 10 veces por segundo. Esto significa diseñar un sistema que pueda enfocar y disparar con precisión los láseres sobre cientos de miles de objetivos cada día.

Con su diseño actual, el NIF seguirá siendo un lugar donde los científicos puedan aprender de los experimentos de fusión láser de alto rendimiento, afirman los responsables del laboratorio. Pero mientras tanto, las empresas privadas ofrecen cada vez más soluciones alternativas.

El año pasado, en una cumbre celebrada en la Casa Blanca, el gobierno del Presidente Joe Biden expuso su visión de una asociación público-privada para la energía de fusión. El sector privado tomará la iniciativa en el desarrollo de nuevas tecnologías de fusión, mientras que el Departamento de Energía de EE.UU., del que forma parte el NIF, impulsará el conocimiento en ámbitos más amplios como la ciencia de los materiales, la fabricación avanzada y la modelización, que serán cruciales para la comercialización.

A lo largo de los próximos 18 meses, el Departamento de Energía tiene previsto conceder 50 millones de dólares en subsidios a empresas privadas de fusión en un programa basado en hitos que sigue el modelo de la asociación de la NASA con empresas de transporte espacial como SpaceX.

Sin embargo, las empresas de fusión por láser competirán con las que persiguen otros diseños de fusión. Uno de los más populares es el tokamak, un dispositivo que crea un campo magnético para contener el plasma ardiente generado por una reacción de fusión en un “toroide” con forma de rosquilla. Este es el método utilizado por el mayor experimento de fusión del mundo, el ITER, en Saint-Paul-lès-Durance, en Francia.

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