Aquí está cómo los científicos alcanzaron la 'ignición' de la fusión nuclear por primera vez.

Uno de los mayores avances de la fusión nuclear no habría ocurrido sin una impecable habilidad científica.

En diciembre de 2022, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California crearon reacciones de fusión que produjeron un exceso de energía, por primera vez. En el experimento, 192 láseres dispararon a una pequeña cámara, desencadenando reacciones de fusión, en las cuales núcleos atómicos más pequeños se fusionan para formar núcleos más grandes, liberando más energía de la inicial (SN: 12/12/22). Es un hito conocido como "ignición" y ha tardado décadas en lograrse.

Ahora, los investigadores han publicado los detalles de ese experimento en cinco artículos revisados por pares que se publicaron en línea el 5 de febrero en Physical Review Letters y Physical Review E. Esta hazaña demandó un nivel extraordinario de habilidad, ajustando las condiciones precisamente para obtener más energía de los láseres y crear las condiciones ideales para la fusión.

El trabajo es "exquisitamente hermoso", dice el físico Peter Norreys de la Universidad de Oxford. Norreys, que no estuvo involucrado en la investigación, compara el logro con dirigir una orquesta de clase mundial: los diferentes elementos del experimento debían coordinarse meticulosamente y estar sincronizados con precisión.

Los científicos también descubrieron un efecto de calentamiento predicho desde hace tiempo que podría revelar la física de otros entornos violentos, como las estrellas explotando llamadas supernovas. "La gente dice que la física es un tema árido", dice Norreys. "Pero siempre pienso que la física está en la vanguardia de la creatividad".

La fusión, el mismo proceso que ocurre en el sol, es una fuente de energía atractiva. Las plantas de energía de fusión no emitirían gases de efecto invernadero. Y a diferencia de las actuales plantas de energía de fisión nuclear, que dividen los núcleos atómicos para producir energía, las plantas de fusión nuclear no producirían residuos radioactivos peligrosos y de larga duración. La ignición es el primer paso para aprovechar este tipo de energía.

Generar fusión requiere presiones y temperaturas extremas. En el experimento, los láseres en las instalaciones de Ignición Nacional de LLNL impactaron el interior de un cilindro hueco, llamado hohlraum, del tamaño de una goma de borrar. La explosión calentó el hohlraum a una temperatura abrasadora de 3 millones de grados Celsius, tan caliente que emitió rayos X. Dentro de este horno de rayos X, una cápsula de diamante contenía el combustible: dos variedades pesadas de hidrógeno llamadas deuterio y tritio. La radiación vaporizó la cápsula de diamante, desencadenando la implosión del combustible a velocidades de alrededor de 400 kilómetros por segundo, formando las condiciones calientes y densas que desatan la fusión.

Experimentos anteriores habían estado muy cerca de la ignición. Para avanzar más, los investigadores aumentaron la energía del pulso láser de 1.92 millones de julios a 2.05 millones de julios. Lograron esto al alargar ligeramente el pulso láser, que impacta el objetivo durante solo unos nanosegundos, extendiéndolo por una fracción mínima de un nanosegundo. (Aumentar directamente la potencia del láser, en lugar de alargar el pulso, habría riesgo de dañar las instalaciones).

El equipo también engrosó la cápsula de diamante en aproximadamente un 7 por ciento, una diferencia de solo unos micrómetros, lo que ralentizó la implosión de la cápsula, permitiendo a los científicos aprovechar al máximo el pulso láser más largo. "Eso fue un logro bastante notable", dice Norreys.

Pero estos ajustes alteraron la simetría de la implosión, lo que significa que se necesitaron otros ajustes. Es como tratar de comprimir una pelota de baloncesto hasta el tamaño de un guisante, dice la física Annie Kritcher de LLNL, "y estamos tratando de hacerlo de manera esféricamente simétrica con un margen del 1 por ciento".

Esto es particularmente desafiante debido a la mezcla de partículas cargadas eléctricamente, o plasma, que llena el hohlraum durante el impacto láser. Este plasma puede absorber los haces láser antes de que lleguen a las paredes del hohlraum, afectando la simetría de la implosión.

Para equilibrar las cosas, Kritcher y sus colegas alteraron ligeramente las longitudes de onda de los haces láser de manera que les permitiera transferir energía de un rayo a otro. La solución requirió ajustar las longitudes de onda de los haces por ángstroms, es decir, décimas de una diezmillonésima parte de un metro.

"Desde el punto de vista de la ingeniería, es asombroso que pudieran hacer eso", dice la física Carolyn Kuranz de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, que no estuvo involucrada en el trabajo. Además, "estos pequeños ajustes hacen una diferencia fenomenal".

Después de todos los ajustes, las reacciones de fusión resultantes produjeron 3.15 millones de julios de energía, aproximadamente 1.5 veces la energía inicial, según informaron Kritcher y sus colegas en Physical Review E. La energía total necesaria para alimentar los láseres de NIF es mucho mayor, alrededor de 350 millones de julios. Si bien los láseres de NIF no están diseñados para ser eficientes en términos energéticos, esto significa que la fusión todavía está lejos de ser una fuente de energía práctica.

Another experiment in July 2023 used a higher-quality diamond capsule and obtained an even larger energy gain of 1.9, meaning it released nearly twice as much energy as went into the reactions (SN: 10/2/23). In the future, NIF researchers hope to be able to increase the laser’s energy from around 2 million joules up to 3 million, which could kick off fusion reactions with a gain as large as 10.

The researchers also discovered a long-predicted phenomenon that could be useful for future experiments: After the lasers heated the hohlraum, it was heated further by effects of the fusion reactions, physicist Mordy Rosen and colleagues report in Physical Review Letters.

Following the implosion, the ignited fuel expanded outward, plowing into the remnants of the diamond shell. That heated the material, which then radiated its heat to the hohlraum. It’s reminiscent of a supernova, in which the shock wave from an exploding star plows through debris the star expelled prior to its explosion (SN: 2/8/17).

“This is exactly the collision that’s happening in this hohlraum,” says Rosen, of LLNL, a coauthor of the study. In addition to explaining supernovas, the effect could help scientists study the physics of nuclear weapons and other extreme situations.

NIF is not the only fusion game in town. Other researchers aim to kick off fusion by confining plasma into a torus, or donut shape, using a device called a tokamak. In a new record, the Joint European Torus in Abingdon, England, generated 69 million joules, a record for total fusion energy production, researchers reported February 8.

After decades of slow progress on fusion, scientists are beginning to get their atomic orchestras in sync.