Fusión por confinamiento inercial
La fusión por confinamiento inercial ( ICF ) es un programa de investigación de energía de fusión que inicia reacciones de fusión nuclear comprimiendo y calentando objetivos llenos de combustible termonuclear. Estos son gránulos que contienen típicamente una mezcla de deuterio 2 H y tritio 3 H. En los reactores experimentales actuales, los gránulos de combustible tienen aproximadamente el tamaño de una cabeza de alfiler y contienen alrededor de 10 miligramos de combustible. Los reactores de potencia más grandes se conciben para el futuro como fuentes de energía asequibles, seguras, limpias y libres de carbono de escala ilimitada que queman deuterio, que es abundante en los océanos.
Para comprimir y calentar el combustible, la energía se deposita en la capa exterior del objetivo utilizando haces de fotones , electrones o iones de alta energía , aunque casi todos los dispositivos ICF a partir de 2020 [actualizar]usaban láseres. Los rayos calientan la capa exterior, que explota hacia afuera, lo que produce una fuerza de reacción contra el resto del objetivo, que lo acelera hacia adentro, lo que comprime el combustible. Este proceso crea ondas de choque que viajan hacia adentro a través del objetivo. Ondas de choque suficientemente potentes pueden comprimir y calentar el combustible en el centro de modo que se produzca la fusión.
ICF es una de las dos ramas principales de la investigación de la energía de fusión, la otra es la fusión por confinamiento magnético . Cuando se propuso públicamente por primera vez a principios de la década de 1970, el ICF parecía ser un enfoque práctico para la producción de energía y el campo floreció. Los experimentos durante los años setenta y ochenta demostraron que la eficiencia de estos dispositivos era mucho menor de lo esperado y que alcanzar la ignición no sería fácil. A lo largo de las décadas de 1980 y 1990, se llevaron a cabo muchos experimentos para comprender la compleja interacción de la luz láser de alta intensidad y el plasma. Estos llevaron al diseño de máquinas más nuevas, mucho más grandes, que finalmente alcanzarían energías de ignición.
El experimento ICF operativo más grande es el National Ignition Facility (NIF) en los EE. UU. En 2021, un experimento alcanzó el 70% de eficiencia. [1]
Las reacciones de fusión unen átomos más ligeros, como el hidrógeno , para formar otros más grandes. Esto ocurre cuando dos átomos (o iones, átomos despojados de sus electrones) se acercan lo suficiente como para que la fuerza nuclear los junte. Los núcleos atómicos están cargados positivamente y, por lo tanto, se repelen entre sí debido a la fuerza electrostática . Superar esta repulsión para acercar los núcleos lo suficiente requiere una entrada de energía cinética, conocida como barrera de Coulomb o energía de barrera de fusión .
Se necesita menos energía para hacer que los núcleos más ligeros se fusionen, ya que tienen menos carga eléctrica y, por lo tanto, una energía de barrera más baja. El hidrógeno es, por tanto, el elemento de mayor interés como combustible de fusión, ya que tiene un solo protón en su núcleo. En nuestro sol, la masa de un isótopo protio 1 H, que tiene solo un protón como núcleo, es el combustible quemado en un proceso llamado cadena protón-protón . Este proceso no es práctico para los reactores de fusión terrestres porque requiere una interacción de fuerza débil que es demasiado lenta (muchos milenios) [2] para producir energía neta en un reactor que tiene un suministro de combustible mucho más pequeño que una estrella. Sin embargo, los isótopos de hidrógeno pesado deuterio 2El H y el tritio 3 H se fusionan más fácilmente cuando se juntan a una distancia de aproximadamente un femtómetro (el diámetro de un protón o neutrón). La masa extra, y por tanto la inercia , de sus neutrones (uno para el deuterio y dos para el tritio), obedeciendo la segunda ley de Newton F = ma , resiste más eficazmente la repulsión electrostática entre los dos protones de los núcleos de combustible. Recuerde que la propiedad de la inercia resiste cualquier cambio en la velocidad (rapidez y dirección) de un objeto; cuando los dos núcleos de combustible se acercan, la masa extra de los núcleos de hidrógeno más pesados inhibe la desaceleración electrostática y el cambio de dirección. En energías alcanzables con las tecnologías actuales, la mezcla de combustible de deuterio-tritio tiene la mayorsección transversal para la fusión nuclear, y se conoce simplemente como DT, el combustible de fusión más estudiado.
- Los rayos láser o los rayos X producidos por láser calientan rápidamente la superficie del objetivo de fusión, formando una envoltura de plasma circundante.
- El combustible se comprime por la descarga similar a un cohete del material de la superficie caliente.
- Durante la parte final de la implosión de la cápsula, el núcleo de combustible alcanza 20 veces la densidad del plomo y se enciende a 100.000.000 ˚C.
- La combustión termonuclear se propaga rápidamente a través del combustible comprimido, produciendo muchas veces la energía de entrada.
