{"id":477444,"date":"2023-05-30T15:39:15","date_gmt":"2023-05-30T18:39:15","guid":{"rendered":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=477444"},"modified":"2023-05-31T00:02:44","modified_gmt":"2023-05-31T03:02:44","slug":"un-experimento-de-fusion-nuclear-produjo-por-primera-vez-mas-energia-que-la-que-consumio","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/un-experimento-de-fusion-nuclear-produjo-por-primera-vez-mas-energia-que-la-que-consumio\/","title":{"rendered":"Un experimento de fusi\u00f3n nuclear produjo por primera vez m\u00e1s energ\u00eda que la que consumi\u00f3"},"content":{"rendered":"

En la ma\u00f1ana del 13 de diciembre pasado, mientras la gente se preparaba para las fiestas de fin de a\u00f1o, funcionarios del Departamento de Energ\u00eda de Estados Unidos, en Washington D.C., anunciaron en una conferencia de prensa lo que definieron, quiz\u00e1 de manera un tanto exagerada, como \u201cuno de los logros cient\u00edficos m\u00e1s impactantes del siglo XXI\u201d. Aproximadamente una semana antes, el 5 de diciembre, en un experimento llevado a cabo en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), en California, se hab\u00eda conseguido producir en un hecho in\u00e9dito m\u00e1s energ\u00eda que la consumida en una reacci\u00f3n de fusi\u00f3n nuclear, la misma que hace que el Sol brille y que es la base de las armas termonucleares, las popularmente llamadas bombas de hidr\u00f3geno. Los f\u00edsicos denominan a esto ignici\u00f3n por fusi\u00f3n, cuando se obtiene una ganancia de energ\u00eda mayor que la consumida.<\/p>\n

Hasta entonces, todos los intentos de producir una fusi\u00f3n nuclear m\u00e1s eficiente tropezaban con el mismo gran problema, independientemente del m\u00e9todo elegido para conseguir ese objetivo: el consumo de energ\u00eda para producir la reacci\u00f3n era mayor que la energ\u00eda producida en el proceso. Este l\u00edmite era, y a\u00fan es, el gran tal\u00f3n de Aquiles de la fusi\u00f3n nuclear como v\u00eda alternativa para proveerle energ\u00eda limpia a la humanidad.<\/p>\n

Lee tambi\u00e9n:<\/strong>
\n– Existen unos 90 reactores de fusi\u00f3n nuclear en funcionamiento en el mundo<\/a><\/div>\n

Lo cierto es que las cifras del experimento realizado en California son modestas en cuanto a la cantidad de energ\u00eda generada y se produjeron bajo condiciones sumamente singulares, que no pueden replicarse en ning\u00fan otro lugar del mundo. La ignici\u00f3n por fusi\u00f3n nuclear se obtuvo en el National Ignition Facility (NIF), uno de los laboratorios del LLNL, que comenz\u00f3 a operar a principios de la d\u00e9cada pasada y cost\u00f3 3.500 millones de d\u00f3lares. Se trata de la mayor y m\u00e1s potente instalaci\u00f3n del mundo para generar rayos l\u00e1ser. Los cient\u00edficos del NIF ven\u00edan diciendo desde 2012 que conseguir\u00edan realizar la ignici\u00f3n por fusi\u00f3n, pero reci\u00e9n a finales del a\u00f1o pasado cumplieron con lo prometido.<\/p>\n

La fusi\u00f3n nuclear en las dependencias del NIF se obtuvo mediante el empleo de un conjunto de 192 haces de luz l\u00e1ser. Toda esta luz pudo concentrarse y direccionarse hacia el interior de un cilindro met\u00e1lico en el que una c\u00e1psula pl\u00e1stica del tama\u00f1o de una peque\u00f1a arveja conten\u00eda 150 microgramos de dos is\u00f3topos (variedades) de \u00e1tomos de hidr\u00f3geno, el elemento qu\u00edmico m\u00e1s abundante en el Universo: deuterio, cuyo n\u00facleo contiene un prot\u00f3n y un neutr\u00f3n, y tritio, que tiene un prot\u00f3n y dos neutrones. El calentamiento s\u00fabito del cilindro produjo la emisi\u00f3n de un espectro de luz (radiaci\u00f3n de cuerpo negro), que increment\u00f3 de manera uniforme la temperatura de la superficie de la c\u00e1psula hasta alcanzar los 100 millones de grados Celsius (\u00baC), unas 10 veces m\u00e1s que la que alcanzan las estrellas durante la fusi\u00f3n. Semejante calor hizo explotar la c\u00e1psula y gener\u00f3 una onda de choque que comprimi\u00f3 la mezcla de deuterio y tritio causando la fusi\u00f3n nuclear.<\/a><\/p>\n\n \n \n \n <\/picture>Rodrigo Cunha \/ Revista Pesquisa FAPESP<\/span>\n

El experimento produjo 3,15 megajulios (MJ) de energ\u00eda, un 50 % m\u00e1s que la que los l\u00e1seres depositaron en el cilindro. Todo esto ocurri\u00f3 en milmillon\u00e9simas de segundo, el tiempo total que dur\u00f3 el experimento. \u201cLa cantidad de energ\u00eda generada es suficiente como para hervir algo as\u00ed como 10 litros de agua\u201d, compara Gustavo Canal, del Instituto de F\u00edsica de la Universidad de S\u00e3o Paulo (IF-USP), experto en fusi\u00f3n nuclear. \u201cLa importancia de este experimento no prueba que vayamos a utilizar reactores l\u00e1ser para promover la fusi\u00f3n nuclear a gran escala. Esa es una forma muy cara e ineficiente de estimular esta reacci\u00f3n. Pero s\u00ed demuestra que es posible obtener la ignici\u00f3n por fusi\u00f3n en laboratorio. Fue una prueba de concepto\u201d.<\/p>\n

Las estrellas utilizan la fusi\u00f3n nuclear para generar su propia energ\u00eda en forma casi inagotable. Esta reacci\u00f3n, que se produce bajo condiciones extremas de temperatura y presi\u00f3n, promueve la uni\u00f3n de los n\u00facleos del deuterio y del tritio. Al fusionarse, forman un elemento m\u00e1s pesado, el helio, tambi\u00e9n denominado part\u00edcula alfa, y al final del proceso liberan energ\u00eda. El n\u00facleo del helio posee dos protones y dos neutrones. Al final de la reacci\u00f3n, un neutr\u00f3n que escap\u00f3 de la fusi\u00f3n del deuterio y el tritio es liberado al ambiente (v\u00e9ase el gr\u00e1fico<\/em><\/a>).<\/p>\n

Desde hace m\u00e1s de 70 a\u00f1os la humanidad busca dominar este proceso con fines pac\u00edficos, es decir, para generar energ\u00eda sin contaminar el ambiente ni agotar los recursos naturales del planeta. La fusi\u00f3n no emite, por ejemplo, gases de efecto invernadero y, a diferencia de la fisi\u00f3n nuclear promovida en las centrales at\u00f3micas, como en las de Angra dos Reis, en el estado de R\u00edo de Janeiro, genera una cantidad peque\u00f1a y temporal de radiactividad. \u201cEn la Tierra tenemos fuentes casi infinitas y renovables de deuterio, que puede encontrarse en el agua de los grandes lagos y en los oc\u00e9anos. En tanto, el tritio puede generarse mediante la reacci\u00f3n nuclear del neutr\u00f3n con el litio\u201d, dice Jos\u00e9 Helder Facundo Severo, coordinador del Laboratorio de F\u00edsica de Plasmas del IF-USP. \u201cPero a pesar de los avances, a\u00fan nos hacen falta d\u00e9cadas de investigaci\u00f3n para tal vez un d\u00eda poder transformar la fusi\u00f3n nuclear en una fuente de energ\u00eda factible para la sociedad\u201d.<\/p>\n

Antes de Severo, el responsable del Laboratorio de F\u00edsica de Plasmas de la USP era Ricardo Galv\u00e3o, exdirector del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, en portugu\u00e9s), nombrado en enero presidente del Consejo Nacional de Desarrollo Cient\u00edfico y Tecnol\u00f3gico (CNPq) (lea el art\u00edculo “capa”<\/em>). Brasil es el \u00fanico pa\u00eds del hemisferio sur que dispone de tokamaks, m\u00e1quinas capaces de promover la fusi\u00f3n nuclear mediante el confinamiento magn\u00e9tico de un plasma de deuterio y tritio. La mayor de ellas, aunque peque\u00f1a en comparaci\u00f3n con otros proyectos extranjeros, se encuentra en el Laboratorio de F\u00edsica de Plasmas del IF-USP.<\/p>\n

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General Atomics<\/span>Reactor de fusi\u00f3n nuclear del tipo tokamak en San Diego (Estados Unidos), operado por la empresa General AtomicsGeneral Atomics<\/span><\/p><\/div>\n

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Con fines b\u00e9licos, cuyo prop\u00f3sito es contar con armas eficaces, la fusi\u00f3n nuclear, aunque incontrolada, se produce desde los a\u00f1os 1950, cuando aparecieron las primeras bombas de hidr\u00f3geno, miles de veces m\u00e1s potentes que una bomba at\u00f3mica convencional, basada en la fisi\u00f3n (ruptura) del n\u00facleo at\u00f3mico. No es casual que la fase de ignici\u00f3n por fusi\u00f3n se haya conseguido en un complejo de investigaci\u00f3n militar. F\u00edsicos independientes, no vinculados al NIF, hacen hincapi\u00e9 en que la ganancia de energ\u00eda de la fusi\u00f3n nuclear obtenida en el experimento de California tuvo lugar en condiciones extremadamente particulares, que dif\u00edcilmente servir\u00e1n de base para la concreci\u00f3n de emprendimientos civiles y no pueden reproducirse en otras instalaciones.<\/p>\n

Para hacerse una idea de estas dificultades y limitaciones, basta mencionar que el NIF necesita funcionar durante ocho horas ininterrumpidas para poder llevar a cabo un experimento como el dado a conocer en diciembre de 2022. En otras palabras, con su eficiencia actual, si pudiera funcionar durante 24 horas seguidas, el NIF producir\u00eda energ\u00eda suficiente para hervir, como m\u00e1ximo, unos 30 litros de agua.<\/p>\n

El f\u00edsico Mark Herrmann, director del programa de f\u00edsica y dise\u00f1o de armamento del NIF, admiti\u00f3 en una conferencia de prensa a finales de 2022 que el dominio de la fusi\u00f3n nuclear para generar energ\u00eda en t\u00e9rminos comerciales a\u00fan es una meta lejana. \u201cEl NIF no ha sido dise\u00f1ado para ser eficiente\u201d, dijo Herrmann. \u201cFue concebido para ser el mayor l\u00e1ser que podr\u00edamos construir para proveernos la informaci\u00f3n que necesitamos en el programa de investigaciones de nuestro arsenal nuclear\u201d.<\/p>\n

Debido a las restricciones a las pruebas con bombas basadas en la fusi\u00f3n nuclear, las investigaciones militares en este campo de la f\u00edsica resultan esenciales para mejorar y mantener los arsenales de este tipo de armamento. Cuando todav\u00eda trabajaba en la Universidad de Princeton, en 2016, Gustavo Canal fue invitado a dar una conferencia en el NIF. Le pidieron que llevara su presentaci\u00f3n en un pen drive<\/em>. \u201cAll\u00ed no se puede ingresar con una computadora\u201d, recuerda el f\u00edsico de la USP. \u201cMe escoltaron hasta para ir al ba\u00f1o\u201d.<\/p>\n\n \n \n \n <\/picture>Rodrigo Cunha \/ Revista Pesquisa FAPESP<\/span>\n

Una cr\u00edtica que algunos cient\u00edficos le hacen al experimento del NIF es el razonamiento que utilizaron para afirmar que hubo m\u00e1s generaci\u00f3n que gasto de energ\u00eda. La cantidad de energ\u00eda que el conjunto de l\u00e1seres aplic\u00f3 sobre la c\u00e1psula que conten\u00eda deuterio y tritio fue de 2,05 MJ y la fusi\u00f3n de sus n\u00facleos gener\u00f3 3,15 MJ.<\/p>\n

Pero para poner en funcionamiento el conjunto de 192 haces l\u00e1ser se consumieron 300 MJ, casi 100 veces m\u00e1s que lo que proporcion\u00f3 la propia reacci\u00f3n de fusi\u00f3n. Las instalaciones del NIF ocupan una superficie equivalente a tres campos de f\u00fatbol americano. Los l\u00e1seres recorren todo ese espacio y pasan por una serie de procesos, tales como amplificaci\u00f3n y concentraci\u00f3n, antes de alcanzar su configuraci\u00f3n final con la que impactan sobre la muestra de deuterio y tritio.<\/p>\n

\u201cDicen que esa reacci\u00f3n de fusi\u00f3n en el NIF produjo por primera vez m\u00e1s energ\u00eda que la que insumi\u00f3. Pero esto realmente depende de c\u00f3mo se haga la cuenta\u201d, reflexiona el f\u00edsico Adam E. Cohen, de la Universidad Harvard, en una entrevista \u2018concedida al peri\u00f3dico The Harvard Gazette<\/em>. \u201cEs algo as\u00ed como pasar agua de mano en mano. A cada paso del camino se pierde un poco. En este caso, hubo m\u00e1s energ\u00eda liberada por la reacci\u00f3n de fusi\u00f3n que la que aportaron los fotones de luz que comprimieron y calentaron la c\u00e1psula [con deuterio y tritio]. Pero si tomamos en cuenta la energ\u00eda el\u00e9ctrica utilizada para hacer que los l\u00e1seres produzcan esa luz, el gasto de energ\u00eda fue mucho mayor que el liberado por la reacci\u00f3n\u201d.<\/p>\n

Para que se produzca la fusi\u00f3n nuclear, los n\u00facleos at\u00f3micos del deuterio y del tritio deben superar un obst\u00e1culo natural que les impide colisionar y fusionarse: la fuerza electrost\u00e1tica. Tambi\u00e9n conocida como ley de Coulomb, esta fuerza hace que las part\u00edculas cargadas el\u00e9ctricamente, como los protones (positivos) y lo electrones (negativos) sean atra\u00eddos por sus hom\u00f3logos de carga opuesta y repelidos por aquellos con una carga id\u00e9ntica. Por lo tanto, en condiciones normales, un n\u00facleo de deuterio, que tiene un prot\u00f3n y un neutr\u00f3n, ser\u00e1 repelido por un n\u00facleo de tritio, que posee un prot\u00f3n y dos neutrones.<\/p>\n

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Iter Organization<\/span>Construcci\u00f3n del Iter, en el sur de Francia, el mayor reactor nuclear por confinamiento magn\u00e9tico de plasmaIter Organization<\/span><\/p><\/div>\n

Pero si se comprime lo suficiente uno contra el otro a estos dos n\u00facleos, puede llegar un punto en el que, al estar tan cerca, la fuerza electrost\u00e1tica repulsiva ser\u00e1 superada por la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza es la que hace que neutrones y protones queden alojados en el interior del n\u00facleo at\u00f3mico. Cuando se produce este grado exacerbado de proximidad, los dos n\u00facleos m\u00e1s livianos del deuterio y del tritio se fusionan y generan un n\u00facleo m\u00e1s pesado, el del helio (con dos protones y dos neutrones).<\/p>\n

Las estrellas realizan este proceso de manera espont\u00e1nea. El efecto de su campo de gravedad es tan descomunal que, naturalmente, produce una compresi\u00f3n extrema de los n\u00facleos de esos dos is\u00f3topos del hidr\u00f3geno, generando las condiciones ideales para que ocurra la fusi\u00f3n nuclear. \u201cEn laboratorio, la forma en que comprimimos los n\u00facleos at\u00f3micos es promoviendo su confinamiento, mediante la aplicaci\u00f3n de grandes campos magn\u00e9ticos, como ocurre en los tokamaks, o bien utilizando l\u00e1seres potentes, como en el caso del NIF\u201d, explica Canal. En los reactores de fusi\u00f3n, la fuerza de confinamiento, que comprime los n\u00facleos at\u00f3micos unos contra otros, es menor que el efecto de la gravedad del Sol en los is\u00f3topos de hidr\u00f3geno. Es por esto que se necesita calentar el plasma en el interior de los tokamaks a temperaturas 10 veces superiores a la que se produce la fusi\u00f3n en las estrellas. La mayor temperatura en los reactores procura compensar la menor compresi\u00f3n proporcionada por los campos magn\u00e9ticos en comparaci\u00f3n con el efecto de la gravedad sobre la masa de las estrellas.<\/p>\n

Casi toda la investigaci\u00f3n en el campo de la fusi\u00f3n nuclear se realiza en tokamaks de diversos tama\u00f1os, desde los m\u00e1s peque\u00f1os, como el de la USP, hasta los m\u00e1s grandes, como el Joint European Torus (JET), instalado en el Reino Unido. En la actualidad, el JET es el tokamak m\u00e1s potente en funcionamiento, pero en los pr\u00f3ximos a\u00f1os ser\u00e1 superado por el International Thermonuclear Experimental Reactor (Iter). Se trata del mayor proyecto internacional para un reactor de este tipo, cuya direcci\u00f3n comparten siete grandes socios (la Uni\u00f3n Europea, Estados Unidos, China, India, Jap\u00f3n, Rusia y Corea del Sur).<\/p>\n

En construcci\u00f3n desde 2010 en la ciudad de Cadarache, en el sur de Francia, el Iter tiene como objetivo probar la factibilidad econ\u00f3mico-cient\u00edfica de la producci\u00f3n de energ\u00eda a partir de la fusi\u00f3n nuclear. La meta es generar 500 megavatios (MW), 10 veces m\u00e1s energ\u00eda que la que consumir\u00e1 para su funcionamiento. Su costo total se ha estimado en unos 20.000 millones de euros, casi tres veces el valor del presupuesto inicial, y ser\u00e1 puesto en marcha en 2025, siempre y cuando no haya retrasos.<\/p>\n

Pese a que, en cierta medida, compiten con las investigaciones realizadas en el NIF, los directores del Iter celebraron el resultado divulgado el pasado diciembre por sus colegas estadounidenses. \u201cCuando las generaciones futuras repasen la evoluci\u00f3n de la investigaci\u00f3n sobre la fusi\u00f3n nuclear, creo que [ese experimento] ser\u00e1 reconocido como un hito hist\u00f3rico\u201d, dijo el ingeniero electr\u00f3nico italiano Pietro Barabaschi, director general del Iter, en declaraciones a la prensa.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Obtenido en Estados Unidos, es un resultado que constituye un hito, pero a\u00fan se est\u00e1 lejos del dominio de este tipo de tecnolog\u00eda","protected":false},"author":13,"featured_media":478722,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[296,304],"coauthors":[101],"class_list":["post-477444","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-ciencia-es","tag-energia-es","tag-fisica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/477444","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/13"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=477444"}],"version-history":[{"count":8,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/477444\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":480291,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/477444\/revisions\/480291"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media\/478722"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=477444"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=477444"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=477444"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=477444"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}