Las energías internas de la fusión impulsada por láser no concuerdan con las predicciones
Ampliar / Donde se desarrolla la acción en la Instalación Nacional de Ignición. El lunes se publicó un documento que describe algunos hallazgos desconcertantes de la Instalación Nacional de Ignición, que utiliza muchos láseres de muy alta energía dirigidos a un objetivo pequeño para iniciar una reacción de fusión. En los últimos años, la instalación ha logrado algunos hitos importantes, incluido el encendido de la fusión y la creación de lo que se conoce como plasma ardiente. Ahora, los investigadores han analizado las propiedades del plasma a medida que experimenta estos estados de alta energía. Y para su sorpresa, encontraron que los plasmas en llamas parecen comportarse de manera diferente a los que han sufrido ignición. Por el momento no hay una explicación obvia para la diferencia.
Ignición vs. Quema
En los experimentos discutidos aquí, el material utilizado para la fusión es una mezcla de tritio y deuterio, dos isótopos de hidrógeno más pesados. Estos se combinan para formar un átomo de helio y dejan atrás un neutrón de reemplazo 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 que golpea un pequeño cilindro de metal. El metal emite rayos X intensos que vaporizan la superficie de una bolita cercana y crean una intensa onda de calor y presión dentro de la bolita, donde residen el deuterio y el tritio. Estos forman un plasma de muy alta energía que crea las condiciones para la fusión. Si todo va bien, la energía transferida enciende el plasma, lo que significa que no se necesita energía adicional para continuar las reacciones de fusión durante la pequeña fracción de segundo que transcurre antes de que todo se desmorone. A energías aún más altas, el plasma alcanza un estado llamado combustión, en el que los átomos de helio en formación transportan suficiente energía para encender el plasma cercano. Esto se considera crítico, ya que significa que el resto de la energía (en forma de neutrones y rayos gamma) se puede recolectar potencialmente para crear energía útil. Si bien tenemos modelos detallados de la física que sucede bajo estas condiciones extremas, necesitamos comparar esos modelos con lo que sucede en el plasma. Desafortunadamente, dado que tanto el plasma como los materiales que una vez lo rodearon están a punto de explotar, este es 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 atraviesan los restos del naufragio y pueden ser detectados por detectores cercanos.
medir una temperatura
La física de la reacción de fusión produce neutrones con una energía específica. Si la fusión ocurriera en un material donde los átomos estuvieran estacionarios, todos los neutrones saldrían con esa energía. Pero obviamente los núcleos atómicos en el plasma -tritio y deuterio- se mueven violentamente. Dependiendo de cómo se muevan en relación con el detector, estos iones pueden sumar o restar algo de energía a los neutrones. Esto significa que los neutrones no salen como una línea nítida a cierta energía, sino a un rango de energía que forma una amplia curva. El pico de esta curva está relacionado con el movimiento de los iones en el plasma y, por tanto, con la temperatura del plasma. Se pueden encontrar más detalles en la forma de la curva. Entre el punto de ignición y el punto focal 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 neutrones concuerdan bien con la curva calculada a partir de las predicciones de nuestro modelo. Sin embargo, una vez que el plasma cambia a arder, las cosas no cuadran. Es como si los datos de neutrones encontraran una curva completamente diferente y la siguieran. Entonces, ¿qué podría explicar esta curva diferente? No es que no tengamos ni idea; Tenemos muchos de ellos y no hay forma de distinguirlos. El equipo que analizó estos resultados propone cuatro posibles explicaciones, incluida la cinética inesperada de partículas individuales en el plasma o la falta de consideración de los detalles en el comportamiento del plasma a granel. Alternativamente, el plasma en llamas podría extenderse sobre un área diferente o durar un tiempo diferente al que predijimos. En cualquier caso, según los autores, “puede ser importante comprender el origen de esta desviación del comportamiento hidrodinámico para lograr una ignición robusta y reproducible.” Nature Physics, 2022. DOI: 10.1038/s41567-022-01809- 3 (Sobre los DOI).
