Primer èxit de la fusió nuclear per làser
Fins i tot els científics que eren escèptics sobre la National Ignition Facility, el laboratori on s’ha aconseguit fusionar hidrogen durant una fracció de segon, qualifiquen d’èxit els resultats
Nova YorkUns científics han estat a punt de reproduir la força del Sol, tot i que només en una partícula d’hidrogen i durant una fracció de segon.
Recentment, uns investigadors del Lawrence Livermore National Laboratory van informar que, utilitzant 192 làsers gegants per aniquilar una pastilla d’hidrogen, han sigut capaços de desencadenar una explosió de més de 10.000 bilions de watts d’energia de fusió, l’energia que s’allibera quan els àtoms d’hidrogen es fusionen i es transformen en heli, en un procés idèntic al que té lloc dintre de les estrelles.
Mark Herrmann, subdirector del programa de Livermore sobre física d’armes fonamentals, ha comparat aquesta reacció de fusió amb els 170.000 bilions de watts de llum solar que banyen la superfície de la Terra. “Representa aproximadament el 10% d’aquesta quantitat -diu-. I tota l’energia de fusió emanava d’un punt calent del diàmetre d’un cabell humà”.
Però l’explosió -en realitat, una bomba d’hidrogen en miniatura- va durar només 100 bilionèsimes de segon. Tot i això, l’experiment ha desencadenat un esclat d’optimisme entre els científics, que des de fa temps tenen l’esperança que algun dia la fusió arribi a oferir a la humanitat una font d’energia il·limitada i neta. “Estic entusiasmat -comenta Siegfried Glenzer, científic de l’SLAC National Accelerator Laboratory de Menlo Park (Califòrnia) que anys enrere va dirigir els experiments inicials de fusió a les mateixes instal·lacions de Livermore, tot i que actualment no participa en la recerca-. És molt prometedor: es tracta d’aconseguir una font d’energia per al planeta que no emeti CO ”.
Aquest èxit també li ha donat un moment de glòria al dispositiu làser de Livermore, anomenat National Ignition Facility o NIF, que té les dimensions d’un estadi de futbol americà. Malgrat una inversió de milers de milions de dòlars -la construcció va començar el 1977 i es va posar en marxa el 2009-, al començament el dispositiu no va generar gairebé cap fusió. El 2014 els científics de Livermore van anunciar finalment un resultat positiu, però l’energia produïda aleshores era minúscula: l’equivalent al que consumeix una bombeta de 60 watts en cinc minuts.
Una reacció autosostenible
El 8 d’agost passat l’explosió d’energia va ser molt més gran: el 70% de l’energia de la llum làser va colpejar l’objectiu d’hidrogen. Encara és una proposta molt insuficient com a font d’energia, perquè en consumeix més de la que produeix, però els científics confien que, si es perfecciona l’experiment, se’n pot augmentar força la producció. Herrmann diu que, en condicions normals, els científics de Livermore no haurien comentat res fins que no s’hagués publicat un article científic que expliqués les seves conclusions. Però aquests descobriments “han corregut com la pólvora -diu- i per això hem pensat que seria millor divulgar ara alguns fets”.
El més prometedor és que per primera vegada les reaccions de fusió semblen autosostenibles; és a dir, el torrent de partícules que flueix cap a l’exterior des del punt calent al centre del grànul ha escalfat els àtoms d’hidrogen circumdants i n’ha provocat també la fusió. Riccardo Betti, del laboratori d’energia làser de la Universitat de Rochester, fa una analogia amb el funcionament del motor d’un automòbil: “Transmets energia a una fracció molt petita del combustible a través d’una espurna de la bugia, i després aquesta energia s’amplifica mitjançant la combustió del combustible. Això mateix va passar a l’experiment de Livermore”. Herrmann és més cautelós i assenyala que els resultats no compleixen els requisits de la definició formulada el 1997 per un informe de l’Acadèmia Nacional de Ciències, segons la qual l’energia de fusió produïda ha de superar la quantitat d’energia subministrada pels làsers a l’hidrogen. “Però hi estem a prop”, diu.
Els científics de Livermore creuen que han d’analitzar més detingudament els resultats abans de d’anunciar unes conclusions més detallades. Glenzer, però, afirma que està segur que la fusió es va propagar. Les reaccions de fusió van produir un torrent de partícules subatòmiques conegudes com a neutrons; n’hi havia més de les que podien comptar els instruments. “Les dades són òbvies”, afegeix.
Aquesta millora en els resultats de la fusió també ajuda la National Ignition Facility a complir el seu principal objectiu: comprovar el bon funcionament de les armes nuclears. Quan, el 1992, els Estats Units van suspendre els assajos nuclears subterranis, els científics del laboratori van afirmar que calia comprovar d’alguna manera els models informàtics que substituïen les proves. Herrmann explica que, 24 hores després de l’últim experiment, algú que treballa en el programa de modernització de les armes nuclears es va posar en contacte amb l’equip del NIF: “Els interessa aplicar això a uns temes importants que tenen entre mans”.
Tres camps de futbol americà
El cor de la National Ignition Facility és la cambra de combustió, una esfera metàl·lica de 10 metres de diàmetre amb un equip de diagnòstic lluent que irradia cap enfora. Les instal·lacions del làser són dins d’un edifici que ocupa una àrea equivalent a tres camps de futbol americà. Les explosions comencen amb un petit pols làser que, gràcies a miralls parcialment reflectants, es divideix en 192 feixos que reboten cap enrere i cap endavant a través dels amplificadors de làser per convergir després en un cilindre d’or que té la mida i la forma aproximades de la goma d’esborrar d’un llapis.
Els feixos de llum làser entren per la part superior i inferior del cilindre i el vaporitzen. Això genera una envestida interna de rajos X que comprimeix una pastilla de combustible de la mida d’un balí, feta de deuteri i triti -les formes més pesants d’hidrogen- acuradament congelats. Els àtoms en implosió es fusionen en un instant.
Des dels primers resultats prometedors del 2014, els científics del NIF han anat retocant el muntatge de l’experiment. Les càpsules que contenen l’hidrogen són ara de diamant en lloc de plàstic, no perquè el diamant sigui més dur, sinó perquè absorbeix millor els rajos X. Els científics han ajustat el disseny del cilindre d’or i el pols làser per minimitzar les inestabilitats. Ara els científics també disposen d’unes eines de diagnòstic millors.
Després d’anys d’avenços molt modestos, tot aquest conjunt de modificacions va començar a donar els seus fruits i, segons indicaven els càlculs, l’experiment del 8 d’agost podria triplicar els resultats aconseguits pel NIF a la primavera. Vet aquí, però, que l’augment ha sigut vuit vegades superior al que s’havia previst. “Crec que tothom ha tingut una sorpresa”, diu Herrmann. Part de l’anàlisi que s’està fent ara vol esbrinar quins canvis són els que han donat tan bons resultats.
Un canvi de model necessari
El NIF no pot servir de model per a una futura central energètica. Els seus làsers són ineficients i només es poden disparar un cop al dia. Una central de fusió làser hauria de vaporitzar grànuls d’hidrogen a una velocitat de diversos grànuls per segon. Siegfried Glenzer diu que l’SLAC està treballant en un sistema làser que funcionaria amb uns nivells de potència més baixos però que dispararia molt més de pressa. Espera que la fusió, eclipsada aquests últims anys per l’energia solar i altres tecnologies, recuperi protagonisme en les iniciatives destinades a substituir els combustibles fòssils.
El finançament que la investigació de la fusió rep de l’administració nord-americana és força escàs, tot i que Biden ha posat l’èmfasi en la lluita contra els efectes del canvi climàtic. Però, com diu Glenzer, “de vegades passa: l’any que tens pitjor finançament obtens els millors resultats”.
Tot i que Bodner prefereix un enfocament diferent de l’utilitzat en l’experiment actual, creu que el resultat del NIF assenyala un rumb que cal seguir: “Demostra als escèptics que no hi ha cap error de base en el concepte de fusió làser. És hora que els EUA facin un pas endavant amb un gran programa d’energia de fusió làser”.
Els làsers no són l’única estratègia dissenyada per aprofitar la fusió per a futures centrals energètiques. Els científics també fan servir uns reactors amb forma de dònut, anomenats tokamaks, que utilitzen camps magnètics per contenir i comprimir el combustible d’hidrogen. A finals dels noranta, l’experiment Joint European Torus, fet a Anglaterra, va ser capaç de generar 16 milions de watts d’energia de fusió durant un breu instant: va fer així aproximadament el 70% del camí necessari per produir tanta energia com la que consumia. Un projecte internacional anomenat ITER construeix ara a França un reactor tokamak més gran, que començarà a funcionar el 2025.
Traducció: Lídia Fernández Torrell
