Protón

Físicos de Estados Unidos y Japón han observado por primera vez la fusión nuclear entre protones y átomos de boro-11 en un plasma confinado magnéticamente. Dicen que el resultado demuestra el potencial de la fusión protón-boro como fuente de energía abundante y económica. Pero otros advierten que la base científica para tal fuente de energía aún no está probada en gran medida y que enormes obstáculos técnicos se interponen en el camino de las plantas de energía comerciales.

Todas las formas de fusión encierran la promesa de energía de carga básica, limpia y casi ilimitada, sin los problemas de una posible fusión y los desechos de larga duración que afectan a la fisión. Pero la fusión protón-boro (p11B) aporta un par de virtudes adicionales en comparación con las reacciones más convencionales que involucran isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio.

El boro se puede extraer fácilmente, mientras que el tritio es raro en la Tierra y difícil de producir artificialmente. Las reacciones protón-boro también producen tres átomos de helio (partículas alfa), cuya energía en principio podría convertirse directamente en electricidad, sin generar neutrones y, por lo tanto, reduciendo sustancialmente la contaminación radiactiva de los componentes del reactor.

Sin embargo, esos puntos positivos tienen un precio. La propia fusión deuterio-tritio requiere temperaturas enormes para superar la repulsión mutua de los núcleos (alrededor de 100 millones de Kelvin). Pero las reacciones protón-boro necesitan condiciones mucho más extremas aún: unos 1.500 millones de grados Kelvin.

Como explican los autores de la última investigación en un artículo publicado en Nature Communications, cuanto más alta es la temperatura del plasma, más energía se irradia normalmente en forma de radiación sincrotrón y bremsstrahlung. Esto, señalan, hace que sea más difícil generar más energía a través de reacciones de fusión de la que se necesita para alimentar un reactor, un problema importante cuando es probable que una planta comercial necesite una ganancia de energía de al menos 50 para superar las ineficiencias en la generación de energía. proceso.

El nuevo trabajo fue realizado por Richard Magee y sus colegas de la empresa de fusión californiana TAE Technologies junto con científicos del Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión en Toki, Japón. Los investigadores hicieron sus experimentos en el Gran Dispositivo Helicoidal (LHD) del instituto, un estelarador que ya cuenta con el combustible de fusión necesario: los protones se disparan como haces neutros de alta energía mientras se inyecta polvo de boro en el plasma para ayudar a reducir las impurezas.

TAE proporcionó el detector, que se basaba en un semiconductor de silicio parcialmente agotado que generaba una corriente cuando era golpeado por partículas alfa. Fue hecho para evitar el registro erróneo de señales de rayos X y otras radiaciones de plasma al estar en ángulo alejado del plasma central y hacer que las partículas alfa cargadas sean dirigidas hacia él por el gran campo magnético del LHD.

Los investigadores realizaron varias docenas de disparos experimentales en febrero del año pasado. Observaron reacciones de fusión comparando la señal de su detector antes y después de encender los rayos neutros y realizando algunos disparos sin polvo de boro. Sólo cuando tuvieron haces neutros y polvo de boro consiguieron un salto en la producción, cuyo valor exacto les indicó que estaban produciendo alrededor de 1012 reacciones de fusión por segundo, lo que coincidía con las simulaciones por computadora.

Esta no es la primera demostración de la fusión protón-boro; los científicos la han observado anteriormente utilizando aceleradores de partículas y potentes láseres. Pero la colaboración entre Estados Unidos y Japón sostiene que es importante estudiar la reacción donde finalmente sería explotada: dentro de un plasma termonuclear confinado magnéticamente. Los investigadores reconocen que aún queda mucho trabajo por hacer, pero confían en que TAE consiga ganar energía en uno de sus dispositivos.

De hecho, TAE afirma estar en el buen camino hacia la energía de fusión comercial. La compañía ha construido una serie de reactores cada vez más sofisticados para explorar la fusión de configuración de campo inverso, que implica disparar pulsos de plasma a una cámara y mantenerlos en su lugar magnéticamente girándolos. Ninguno de los dispositivos hasta la fecha ha demostrado la fusión protón-boro (su actual reactor "normando" utiliza plasma de hidrógeno), pero la empresa dice que tiene la intención de enviar electricidad a la red desde una planta piloto de energía de protón-boro a principios de la década de 2030.

El hito de ignición de la National Ignition Facility genera un nuevo impulso para la fusión láser

Peter Norreys, físico del plasma de la Universidad de Oxford en el Reino Unido, dice que los investigadores han hecho "un excelente trabajo" en sus experimentos. Pero sostiene que la fusión protón-boro todavía está lejos de rivalizar con las reacciones deuterio-tritio. Una posible complicación, afirma, es la necesidad de descripciones relativistas de la dinámica del plasma a temperaturas tan altas. También cree que es probable que la radiación bremsstrahlung pueda afectar el confinamiento del plasma al erosionar las superficies internas de un reactor.

Los científicos del consorcio EUROfusion en Garching, Alemania, también están en guardia. Tony Donné, Hartmut Zohm y Volker Naulin dijeron a Physics World que la velocidad de reacción observada en los últimos experimentos es aproximadamente diez órdenes de magnitud demasiado pequeña para ser útil para la energía de fusión (teniendo en cuenta la baja densidad de potencia del protón-boro).

Tienen “fuertes dudas” de que alguna vez sea posible lograr los beneficios necesarios para la generación de energía comercial, y advierten que la radiación bremsstrahlung podría de hecho ser tan fuerte que exceda la potencia necesaria para calentar y controlar el plasma, provocando que el plasma se descomponga. colapsar.