Las energías internas de la fusión guiada por láser no coinciden con las predicciones

El lunes se publicó un documento que describe algunos resultados confusos de la Instalación Nacional de Ignición, que utiliza muchos láseres de alta energía enfocados en un objetivo pequeño para iniciar una reacción de fusión. En los últimos años, la instalación ha superado algunos hitos clave, incluido el encendido de la fusión y la creación de lo que se llama plasma ardiente.

Ahora, los investigadores han analizado las propiedades del plasma cuando experimenta estos estados de alta energía. Y para su sorpresa, descubrieron que los plasmas en llamas parecen comportarse de manera diferente a los que se han encendido. En la actualidad, no hay una explicación obvia para la diferencia.

Encendido versus combustión

En los experimentos en cuestión, el material utilizado para la fusión es una mezcla de tritio y deuterio, dos isótopos más pesados ​​que el hidrógeno. Estos se combinan para producir un átomo de helio, dejando un neutrón de repuesto que se emite; la energía de la reacción de fusión se libera en forma de rayos gamma.

El proceso de fusión se desencadena por un breve y extremadamente intenso destello de luz láser que apunta a un pequeño cilindro de metal. El metal emite rayos X intensos, que vaporizan la superficie de una bolita cercana, creando 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, creando las condiciones para la fusión.

Con suerte, la energía impartida enciende el plasma, lo que significa que no se necesita energía adicional para que las reacciones de fusión continúen durante la pequeña fracción de segundo que pasa antes de que todo explote. A energías aún más altas, el plasma alcanza un estado llamado combustión, en el que los átomos de helio en formación transportan tanta energía que pueden encender el plasma cercano. Esto se considera crítico, porque significa que el resto de la energía (en forma de neutrones y rayos gamma) se puede recolectar potencialmente para producir energía útil.

Si bien tenemos modelos detallados de la física que ocurre bajo estas condiciones extremas, necesitamos comparar esos modelos con lo que sucede dentro del plasma. Desafortunadamente, dado que tanto el plasma como los materiales que lo rodean están a punto de explotar, este es un desafío importante. Para tener una idea de lo que podría estar sucediendo, los investigadores recurrieron a uno de los productos de la reacción de fusión en sí: los neutrones que emite, que pueden atravesar los restos y ser detectados por detectores cercanos.

toma la temperatura

La física de la reacción de fusión produce neutrones con una energía específica. Si la fusión se produjera en un material en el que los átomos estuvieran estacionarios, todos los neutrones saldrían con esa energía. Pero obviamente, los núcleos atómicos en el plasma, el tritio y el deuterio, se están moviendo violentamente. Dependiendo de cómo se muevan en relación con el detector, estos iones pueden prestar algo de energía adicional a los neutrones o restar algo.

Esto significa que en lugar de salir como una línea nítida con una energía específica, los neutrones salen con un rango de energías que forman una curva amplia. El pico de esa curva está relacionado con el movimiento de los iones en el plasma y, por lo tanto, con la temperatura del plasma. Se pueden extraer más detalles de la forma de la curva.

Entre el punto de ignición y el punto de combustión, 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 se alinean bien con la curva calculada a partir de las predicciones de nuestro modelo. Sin embargo, una vez que el plasma pasa a la combustión, las cosas ya no coinciden. Es como si los datos de neutrones encontraran una curva completamente diferente y la siguieran.

Entonces, ¿qué podría explicar esa curva diferente? No es que no tengamos idea; tenemos un montón de ellos y no hay forma de diferenciarlos. El equipo que analizó estos resultados sugiere cuatro posibles explicaciones, incluida la cinética inesperada de partículas individuales en el plasma o la incapacidad de explicar los detalles en el comportamiento del plasma a granel. Alternativamente, podría ser que el plasma en llamas se extienda sobre un área diferente o dure una cantidad de tiempo diferente a la prevista.

En cualquier caso, como afirman los autores, «comprender la causa de esta desviación del comportamiento hidrodinámico podría ser importante para lograr una ignición robusta y reproducible».

física de la naturaleza2022. DOI: 10.1038/s41567-022-01809-3 (Acerca de los DOI).