Las energías de fusión impulsadas por láser no cumplen con las expectativas

Acercarse / Cuando el procedimiento se realice dentro de la Instalación Nacional de Ignición.

El lunes, se publicó un documento que describe algunos resultados confusos de la Instalación Nacional de Ignición, que utiliza muchos láseres de alta energía enfocados en un objetivo pequeño para iniciar una reacción de fusión. En los últimos años, la instalación ha pasado por algunos hitos importantes, que incluyen la ignición por fusión y la creación del llamado plasma ardiente.

Ahora, los investigadores han analizado las propiedades del plasma a medida que experimenta estos estados de alta energía. Para su sorpresa, encontraron que el plasma en llamas parecía comportarse de manera diferente al que había sido sometido a ignición. Por el momento, no hay una explicación clara para la diferencia.

Ignición versus quema

En los experimentos presentados aquí, el material utilizado para la fusión es una mezcla de tritio y deuterio, dos isótopos más pesados ​​que el hidrógeno. Estos se combinan para producir un átomo de helio, dejando un neutrón de repuesto para ser emitido; La energía de la reacción de fusión se libera en forma de rayos gamma.

El proceso de fusión es desencadenado por un breve y extremadamente intenso estallido de luz láser dirigido a un pequeño cilindro de metal. El metal emite rayos X intensos, que vaporizan la superficie de los granos cercanos, creando una intensa ola de calor y presión en el interior de los granos, donde se encuentran el deuterio y el tritio. Estos forman plasmas de alta energía, que crean las condiciones para la fusión.

Si todo va bien, la energía transmitida enciende el plasma, lo que significa que no se necesita energía adicional para mantener las reacciones de fusión durante la fracción de segundo que transcurre antes de que todo explote. A energías más altas, el plasma alcanza un estado llamado combustión, donde los átomos de helio que se forman transportan tanta energía que pueden encender el plasma adyacente. Esto es fundamental, ya que significa que el resto de la energía (en forma de neutrones y rayos gamma) se puede recolectar para producir energía útil.

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Si bien tenemos modelos detallados de la física que tiene lugar en estas condiciones extremas, necesitamos comparar esos modelos con lo que sucede dentro del plasma. Desafortunadamente, dado que tanto el plasma como el material que lo rodeaba anteriormente están en proceso de explosión, esto presenta un gran desafío. Para hacerse una idea de lo que podría estar pasando, los investigadores recurrieron a uno de los productos de la propia reacción de fusión: los neutrones que emite, que pueden atravesar los escombros y ser recogidos por detectores cercanos.

medición de temperatura

La física de reacción de fusión produce neutrones de cierta energía. Si la fusión ocurriera en un material donde los átomos estuvieran fijos, todos los neutrones saldrían con esa energía. Pero está claro que los núcleos atómicos del plasma -tritio y deuterio- se mueven violentamente. Dependiendo de cómo se muevan en relación con el detector, estos iones pueden transferir algo de energía adicional a los neutrones o restar un poco.

Esto significa que en lugar de aparecer como una línea nítida a cierta energía, los neutrones salen en un rango de energías que forman una amplia curva. El pico de esta curva está relacionado con el movimiento de los iones en el plasma y, por lo tanto, con la temperatura del plasma. Se pueden extraer más detalles de la forma de la curva.

Entre el punto de ignición y el punto de combustión, parece que tenemos una comprensión precisa de cómo la temperatura del plasma se relaciona con la velocidad de los átomos en el plasma. Los datos de los neutrones se alinean bien con la curva calculada a partir de las predicciones de nuestro modelo. Sin embargo, una vez que el plasma cambia a combustión, las cosas ya no son idénticas. Es como si los datos de neutrones encontraran una curva completamente diferente y la siguieran.

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Entonces, ¿qué podría explicar esta curva diferente? No es que no tengamos idea. Tenemos un montón de ellos y no hay forma de diferenciarlos. El equipo que analizó estos resultados sugirió cuatro posibles explicaciones, incluida la cinética inesperada de partículas individuales en el plasma o la falta de consideración de los detalles en el comportamiento de los plasmas masivos. Alternativamente, el plasma en llamas podría extenderse sobre un área diferente o durar un período de tiempo diferente al que esperaríamos.

En cualquier caso, dicen los autores, «comprender la razón de esta desviación del comportamiento hidrodinámico puede ser importante para lograr una ignición robusta y repetible».

física de la naturaleza2022. DOI: 10.1038 / s41567-022-01809-3 (Acerca de los DOI).

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