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

El lunes se publicó un documento que describe algunos resultados desconcertantes de la Instalación Nacional de Ignición, que utiliza láseres de alta energía enfocados en un objetivo pequeño para iniciar una reacción de fusión. En los últimos años, la instalación ha pasado por algunos hitos importantes, incluida la ignición por fusión y la creación de un plasma ardiente.

Ahora los investigadores han analizado las propiedades del plasma cuando experimenta estos estados de alta energía. Y para su sorpresa, encontraron que los plasmas en llamas parecían comportarse de manera diferente a los que se encendían. En este punto, la diferencia no tiene una explicación obvia.

Encendido vs Combustión

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, dejando atrás un neutrón de repuesto que se expulsa; la energía de la reacción de fusión se libera en forma de rayos gamma.

El proceso de fusión comienza con un breve y extremadamente intenso estallido de luz láser dirigido a un pequeño cilindro de metal. El metal emite intensos rayos X que vaporizan la superficie de una esfera cercana, creando una intensa onda de calor y presión en el interior de la esfera, donde residen el deuterio y el tritio. Estos forman un plasma de muy alta energía, creando las condiciones para la fusión.

Si todo va bien, la energía transmitida enciende el plasma, lo que significa que no se requiere energía adicional para continuar con las reacciones de fusión durante la pequeña fracción de segundo que transcurre antes de que todo el material desaparezca. A energías aún más altas, el plasma alcanza un estado llamado agotamiento, donde los átomos de helio que se forman transportan suficiente energía para encender el plasma cercano. Esto se considera crítico porque significa que la energía restante (en forma de neutrones y rayos gamma) se puede recolectar potencialmente para producir energía útil.

Aunque tenemos modelos detallados de la física que ocurre en estas condiciones extremas, necesitamos comparar esos modelos con lo que sucede dentro del plasma. Desafortunadamente, dado que tanto el plasma como los materiales que una vez lo rodearon están en proceso de explosión, esto presenta un desafío importante. Para imaginar lo que podría suceder, los investigadores recurrieron a uno de los productos de la propia reacción de fusión: los neutrones que libera, que pueden atravesar los escombros y captar detectores cercanos.

Medición de temperatura

La física de la reacción de fusión produce neutrones con una energía específica. Si ocurriera la fusión en un material donde los átomos estuvieran estacionarios, todos los neutrones serían expulsados ​​con esa energía. Pero es obvio que los núcleos atómicos del plasma, tritio y deuterio, se mueven violentamente. Dependiendo de cómo se muevan en relación con el detector, estos iones pueden agregar algo de energía adicional a los neutrones o agotarla un poco.

Esto significa que en vez de salir como una línea aguda de cierta energía, los neutrones salen como una serie de energías que forman una curva ancha. El pico de esa curva está relacionado con el movimiento de los iones del plasma y, por lo tanto, con la temperatura del plasma. Se pueden obtener más detalles de la forma de la curva.

Entre el punto de ignición y el punto de agotamiento, parece que tenemos una idea precisa de cómo se relaciona la temperatura del plasma con la velocidad de los átomos del plasma. Los datos de neutrones concuerdan bien con la curva calculada a partir de las predicciones de nuestro modelo. Sin embargo, cuando el plasma cambia a 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 de plasma individuales o la falta de detalles del comportamiento básico del plasma. Alternativamente, podría ser que el plasma en llamas se extienda sobre un área diferente o dure un tiempo diferente al que predeciríamos.

En cualquier caso, como señalan los autores, «la razón de esta desviación del comportamiento hidrodinámico puede ser importante para lograr una ignición robusta y reproducible».

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