Rompiendo barreras en la fusión nuclear: Cómo la migración de neutrones podría cambiarlo todo

Las reacciones de fusión nuclear a bajas energías se ven afectadas por la migración de nucleones y las composiciones de isospín de los núcleos. Los estudios destacan el papel de la forma nuclear y la dinámica del isospin en la reducción de la barrera de la fusión, lo que podría hacer avanzar la física nuclear y las soluciones energéticas. Crédito: SciTechDaily.com

Las reacciones de fusión nuclear de baja energía están influenciadas por la migración de neutrones y protones entre los núcleos en fusión y sus composiciones de isospin. Las investigaciones realizadas utilizando modelos computacionales de alto rendimiento han demostrado la importancia de la dinámica del isospin y las formas nucleares, particularmente en sistemas asimétricos y ricos en neutrones, lo que revela implicaciones significativas para la física nuclear y las posibles aplicaciones energéticas.

Las reacciones de fusión nuclear de baja energía pueden proporcionar potencialmente energía limpia. En las estrellas, las reacciones de fusión de baja energía durante las etapas de quema de carbono y oxígeno son fundamentales para la evolución estelar. Estas reacciones también ofrecen información valiosa sobre los procesos exóticos que ocurren en la corteza interna de las estrellas de neutrones a medida que acumulan materia. Sin embargo, los científicos no comprenden completamente la dinámica subyacente que gobierna estas reacciones.

La clave para desbloquear el proceso de fusión es comprender cómo se mueven los nucleones entre los dos núcleos en fusión. A medida que los núcleos se acercan lo suficiente como para que las fuerzas nucleares se vuelvan efectivas, los neutrones y protones pueden migrar de un núcleo a otro. Este movimiento potencialmente facilita el proceso de fusión.

Contornos sombreados de los núcleos de calcio-40 e iterbio-176 (40Ca+176Yb) cuando chocan, lo que lleva a la fusión, con corrientes de nucleones para neutrones en azul y protones en rojo. El flujo neto de neutrones es de 176Yb a 40Ca y el flujo de protones es el contrario. Crédito: Sait Umar

Este estudio exploró la influencia de la composición de isospin en los procesos de fusión de baja energía. Ésta es una propiedad nuclear clave que diferencia a los protones de los neutrones. Los investigadores utilizaron técnicas computacionales y modelos teóricos para investigar la fusión de diferentes núcleos con diferentes configuraciones de isospin. Los resultados muestran que la composición de isospin de los núcleos en una reacción de fusión juega un papel crucial en la comprensión de la reacción.

Los hallazgos proporcionan información sobre los procesos que gobiernan las reacciones de fusión de baja energía. Esto podría mejorar la investigación científica sobre procesos astrofísicos como la nucleosíntesis, que es fundamental para nuestra comprensión del universo en su conjunto.

En este estudio, investigadores de la Universidad de Fisk y la Universidad de Vanderbilt utilizaron técnicas de modelado teórico y computacional de alto rendimiento para realizar un estudio detallado del método de muchos cuerpos sobre cómo la dinámica del isospin influye en la fusión nuclear a bajas energías en una serie de isótopos.

El estudio también examinó cómo la forma de los núcleos involucrados afecta esta dinámica. En sistemas donde los núcleos no son simétricos, la dinámica del isospin se vuelve particularmente importante, lo que a menudo conduce a una barrera de fusión más baja, especialmente en sistemas ricos en neutrones. Este fenómeno se puede explorar utilizando instalaciones especializadas en la generación de haces compuestos de núcleos exóticos e inestables.

Los hallazgos proporcionan conocimientos críticos sobre los procesos nucleares fundamentales que gobiernan estas reacciones, que tienen amplias implicaciones para campos como la física nuclear, la astrofísica y, quizás algún día, la energía basada en la fusión.

Referencia: “Papel de la composición de isospin en la fusión nuclear de baja energía” por Richard Gumbel, Christian Ross y A. S. Umar, 14 de noviembre de 2023, Physical Review C. DOI: 10.1103/PhysRevC.108.L051602

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, Oficina de Física Nuclear.