Las técnicas desarrolladas por un centro de investigación especializado del MIT proporcionan imágenes detalladas del interior del infernalmente núcleo caliente de los experimentos avanzados de fusión.
Una cámara pequeña hecha de oro, llamada Hohlraum, se utiliza para contener la pequeña bola de combustible de hidrógeno pesado en el centro de una reacción de fusión en la Instalación Nacional de Ignición (NIF). Los rayos láser entrar a través de los dos extremos abiertos de la Hohlraum y se reflejan hacia el combustible, calentándolo para producir la reacción de fusión.
Imagen: National Ignition Facility (NIF)
Después de más de cinco décadas de investigación, en el próximo año o dos se espera alcanzar un hito importante hacia el aprovechamiento de la energía de fusión Este hito, conocido como "ignición de fusión" (encendido o activación del proceso de fusión), tendrá lugar en una instalación experimental construida para tal fin en California. Conocida como la Instalación Nacional de Ignición (National Ignition Facility, NIF), comenzó los experimentos iniciales el pasado otoño boreal.
Los investigadores del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT (Plasma Science and Fusion Center, PSFC) han desempeñado un papel importante en hacer posible este evento fundamental, y su trabajo se expone esta semana en un artículo publicado en la revista Science. En pocas palabras, han descubierto la manera de utilizar una segunda reacción de fusión como una especie de luz de fondo, lo que les permite ver los detalles de lo que está sucediendo dentro de la reacción.
La fusión de dos pequeños átomos en otro único, con una liberación enorme de energía (en esto interviene la equivalencia entre masa y energía hallada por Einstein, expresada en su célebre fórmula E=mc2), es el proceso que produce la descomunal energía emitida por el sol, y es visto como una solución potencial a largo plazo a la energía que el mundo necesita porque, en principio, podría suministrar grandes cantidades de energía sin ningún tipo de emisiones de gases de efecto invernadero. Pero en la práctica el aprovechamiento de esta "central de energía" se cree que está a décadas de distancia.
El poder alcanzar la ignición, el encendido, representaría un paso importante y largamente esperado en esa dirección. Uno de los problemas para los investigadores e ingenieros tratando de hacer que esto suceda, sin embargo, es que las reacciones reales tendrán lugar dentro de una cápsula de combustible de 2 mm de diámetro cuya temperatura y presión, para implotar a 1/40 de su diámetro inicial, es mucho mayor que en el mismo centro del sol. Ese no es un medio fácil para tomar fotografías, o cualquier tipo de medidas, con el fin de afinar el sistema para lograr los resultados deseados.
Un equipo del MIT, dirigido por Richard Petrasso, Investigador Científico Senior del PSFC, desarrolló el método de fusión con iluminación de fondo, que fue descrito en un artículo en Science en 2008. Ahora, el equipo informa en Science que el método fue utilizado con éxito en un laboratorio en la Universidad de Rochester, y de hecho fueron capaces de aprender los detalles más importantes sobre la naturaleza de los campos eléctricos y magnéticos, en el interior y alrededor de esta cápsula diminuta.
Con el sistema que ellos idearon, "estamos tomando una instantánea de lo que estos campos eléctricos y magnéticos parecen", dice Petrasso. "Esta información es muy difícil si no imposible de obtener de otra manera."
Proveyendo la "bujía" para la fusión
NIF utiliza un enfoque llamado de unidad de fusión inercial indirecta, en la que la pequeña cápsula de combustible de hidrógeno pesado está centrada dentro de una cavidad llamada Hohlraum (una cavidad en la que las paredes se encuentran en equilibrio radiativo con la energía radiante en esa cavidad). Los rayos láser bombardean las paredes interiores de la Hohlraum, calentándola y generando rayos X que hacen que la cápsula implosione. La ignición o encendido, el objetivo de NIF, es el punto en el que la energía liberada por la fusión de algunos átomos en el centro de la cápsula provean la "bujía" que causa que otros átomos superdensos cercanos se fusionen, y así sucesivamente, en una reacción en cadena.
Pero para llegar hasta el punto de ignición, explica Petrasso, son necesarias herramientas de diagnóstico para revelar los detalles de lo que realmente sucede dentro de la bola que implota, donde las temperaturas alcanzan los 200 millones de grados Kelvin y la presión puede llegar a mil millones de veces la presión atmosférica. Para que la ignición funcione, la cápsula de deuterio y tritio - dos formas pesadas del elemento hidrógeno, con uno y dos neutrones en el núcleo respectivamente- tiene que ser casi perfectamente esférica, casi perfectamente situada en el centro de la cavidad Hohlraum, y debe implotar de una forma casi perfectamente simétrica.
El margen de error que hay en estos parámetros es una de las cosas que aún queda por determinar, y por eso la forma de interconexión dentro del sistema, mientras está en acción, podría desempeñar un papel importante, dice Petrasso.
Para hacer eso, en estos experimentos en el Laboratorio de Láseres Energéticos en Rochester, una segunda cápsula se colocó cerca y golpeada por otro conjunto de rayos láser, que produce un flash de protones para iluminar la primera cápsula, dentro de un Hohlraum.
Nelson Hoffman, un físico de plasma en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, dice que el equipo del MIT ha desarrollado "varias formas muy eficaces" para medir aspectos importantes de lo que sucede dentro de las cápsulas de fusión, que dice son esenciales para tener "un indicador de lo cerca que están de la meta de encendido", y añade que, como resultado, el equipo del MIT ha encontrado ya fenómenos sorprendentes en la manera en que se distribuyen los campos eléctricos y magnéticos.
"El intento de alcanzar la ignición de fusión es uno de los problemas científicos más difíciles al que debemos hacerle frente", dice Hoffman, "mirar el problema con 'ojos nuevos', como las radiografías de protones del MIT, es crucial para la detección de fenómenos que no se presentan ante nosotros de ninguna otra manera".
En los resultados reportados esta semana, por ejemplo, el equipo del MIT, junto con colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence en Livermore, el Laboratorio de Láseres Energéticos y General Atomics, vio los resultados de un experimento que produjo un notable "patrón como un asterisco de cinco puntas" en los campos que rodean la cápsula de implosión. El patrón resulta de la posición de los haces de láser entrantes, algo que requerirá más análisis para comprender su impacto potencial sobre la dinámica del proceso de fusión.
Petrasso estima que al NIF le tomará muchos meses de trabajo desde el comienzo de los experimentos hasta el punto donde se alcanza la ignición. "Esto nunca se ha hecho antes, así que tenemos que depender, en parte, del conocimiento empírico sobre como llevar el experimento y crear las condiciones exactas que se necesitan", dice Petrasso, quien ha trabajado en el PSFC desde 1978. "Muchas partes de este esfuerzo tienen una buena base teórica y experimental y otras no tanto. Debido a esto, tenemos que llenar esos vacíos, para obtener las condiciones a la perfección." Además de este trabajo en las instalaciones de Rochester, los investigadores del MIT incluyen entre ellos seis estudiantes de doctorado que han tenido una función permanente en el trabajo en el NIF.
No sólo puede ser la ignición un paso importante hacia tal vez hacer que la energía de fusión sea práctica un día, dice Petrasso, sino que sin duda será una importante herramienta científica para comprender mejor cómo trabajan el sol y otras estrellas.
"Creamos las condiciones que realmente sólo se pueden encontrar en el centro de las estrellas", dice, aunque en estos experimentos esas condiciones sólo existen por una mil millonésima de segundo. "Los astrofísicos, por una parte, encuentran estas condiciones sumamente interesantes y atractivas".
Una cámara pequeña hecha de oro, llamada Hohlraum, se utiliza para contener la pequeña bola de combustible de hidrógeno pesado en el centro de una reacción de fusión en la Instalación Nacional de Ignición (NIF). Los rayos láser entrar a través de los dos extremos abiertos de la Hohlraum y se reflejan hacia el combustible, calentándolo para producir la reacción de fusión. Imagen: National Ignition Facility (NIF)
Después de más de cinco décadas de investigación, en el próximo año o dos se espera alcanzar un hito importante hacia el aprovechamiento de la energía de fusión Este hito, conocido como "ignición de fusión" (encendido o activación del proceso de fusión), tendrá lugar en una instalación experimental construida para tal fin en California. Conocida como la Instalación Nacional de Ignición (National Ignition Facility, NIF), comenzó los experimentos iniciales el pasado otoño boreal.
Los investigadores del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT (Plasma Science and Fusion Center, PSFC) han desempeñado un papel importante en hacer posible este evento fundamental, y su trabajo se expone esta semana en un artículo publicado en la revista Science. En pocas palabras, han descubierto la manera de utilizar una segunda reacción de fusión como una especie de luz de fondo, lo que les permite ver los detalles de lo que está sucediendo dentro de la reacción.
La fusión de dos pequeños átomos en otro único, con una liberación enorme de energía (en esto interviene la equivalencia entre masa y energía hallada por Einstein, expresada en su célebre fórmula E=mc2), es el proceso que produce la descomunal energía emitida por el sol, y es visto como una solución potencial a largo plazo a la energía que el mundo necesita porque, en principio, podría suministrar grandes cantidades de energía sin ningún tipo de emisiones de gases de efecto invernadero. Pero en la práctica el aprovechamiento de esta "central de energía" se cree que está a décadas de distancia.
El poder alcanzar la ignición, el encendido, representaría un paso importante y largamente esperado en esa dirección. Uno de los problemas para los investigadores e ingenieros tratando de hacer que esto suceda, sin embargo, es que las reacciones reales tendrán lugar dentro de una cápsula de combustible de 2 mm de diámetro cuya temperatura y presión, para implotar a 1/40 de su diámetro inicial, es mucho mayor que en el mismo centro del sol. Ese no es un medio fácil para tomar fotografías, o cualquier tipo de medidas, con el fin de afinar el sistema para lograr los resultados deseados.
Un equipo del MIT, dirigido por Richard Petrasso, Investigador Científico Senior del PSFC, desarrolló el método de fusión con iluminación de fondo, que fue descrito en un artículo en Science en 2008. Ahora, el equipo informa en Science que el método fue utilizado con éxito en un laboratorio en la Universidad de Rochester, y de hecho fueron capaces de aprender los detalles más importantes sobre la naturaleza de los campos eléctricos y magnéticos, en el interior y alrededor de esta cápsula diminuta.
Con el sistema que ellos idearon, "estamos tomando una instantánea de lo que estos campos eléctricos y magnéticos parecen", dice Petrasso. "Esta información es muy difícil si no imposible de obtener de otra manera."
Proveyendo la "bujía" para la fusión
NIF utiliza un enfoque llamado de unidad de fusión inercial indirecta, en la que la pequeña cápsula de combustible de hidrógeno pesado está centrada dentro de una cavidad llamada Hohlraum (una cavidad en la que las paredes se encuentran en equilibrio radiativo con la energía radiante en esa cavidad). Los rayos láser bombardean las paredes interiores de la Hohlraum, calentándola y generando rayos X que hacen que la cápsula implosione. La ignición o encendido, el objetivo de NIF, es el punto en el que la energía liberada por la fusión de algunos átomos en el centro de la cápsula provean la "bujía" que causa que otros átomos superdensos cercanos se fusionen, y así sucesivamente, en una reacción en cadena.
Pero para llegar hasta el punto de ignición, explica Petrasso, son necesarias herramientas de diagnóstico para revelar los detalles de lo que realmente sucede dentro de la bola que implota, donde las temperaturas alcanzan los 200 millones de grados Kelvin y la presión puede llegar a mil millones de veces la presión atmosférica. Para que la ignición funcione, la cápsula de deuterio y tritio - dos formas pesadas del elemento hidrógeno, con uno y dos neutrones en el núcleo respectivamente- tiene que ser casi perfectamente esférica, casi perfectamente situada en el centro de la cavidad Hohlraum, y debe implotar de una forma casi perfectamente simétrica.
El margen de error que hay en estos parámetros es una de las cosas que aún queda por determinar, y por eso la forma de interconexión dentro del sistema, mientras está en acción, podría desempeñar un papel importante, dice Petrasso.
Para hacer eso, en estos experimentos en el Laboratorio de Láseres Energéticos en Rochester, una segunda cápsula se colocó cerca y golpeada por otro conjunto de rayos láser, que produce un flash de protones para iluminar la primera cápsula, dentro de un Hohlraum.
Nelson Hoffman, un físico de plasma en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, dice que el equipo del MIT ha desarrollado "varias formas muy eficaces" para medir aspectos importantes de lo que sucede dentro de las cápsulas de fusión, que dice son esenciales para tener "un indicador de lo cerca que están de la meta de encendido", y añade que, como resultado, el equipo del MIT ha encontrado ya fenómenos sorprendentes en la manera en que se distribuyen los campos eléctricos y magnéticos.
"El intento de alcanzar la ignición de fusión es uno de los problemas científicos más difíciles al que debemos hacerle frente", dice Hoffman, "mirar el problema con 'ojos nuevos', como las radiografías de protones del MIT, es crucial para la detección de fenómenos que no se presentan ante nosotros de ninguna otra manera".
En los resultados reportados esta semana, por ejemplo, el equipo del MIT, junto con colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence en Livermore, el Laboratorio de Láseres Energéticos y General Atomics, vio los resultados de un experimento que produjo un notable "patrón como un asterisco de cinco puntas" en los campos que rodean la cápsula de implosión. El patrón resulta de la posición de los haces de láser entrantes, algo que requerirá más análisis para comprender su impacto potencial sobre la dinámica del proceso de fusión.
Petrasso estima que al NIF le tomará muchos meses de trabajo desde el comienzo de los experimentos hasta el punto donde se alcanza la ignición. "Esto nunca se ha hecho antes, así que tenemos que depender, en parte, del conocimiento empírico sobre como llevar el experimento y crear las condiciones exactas que se necesitan", dice Petrasso, quien ha trabajado en el PSFC desde 1978. "Muchas partes de este esfuerzo tienen una buena base teórica y experimental y otras no tanto. Debido a esto, tenemos que llenar esos vacíos, para obtener las condiciones a la perfección." Además de este trabajo en las instalaciones de Rochester, los investigadores del MIT incluyen entre ellos seis estudiantes de doctorado que han tenido una función permanente en el trabajo en el NIF.
No sólo puede ser la ignición un paso importante hacia tal vez hacer que la energía de fusión sea práctica un día, dice Petrasso, sino que sin duda será una importante herramienta científica para comprender mejor cómo trabajan el sol y otras estrellas.
"Creamos las condiciones que realmente sólo se pueden encontrar en el centro de las estrellas", dice, aunque en estos experimentos esas condiciones sólo existen por una mil millonésima de segundo. "Los astrofísicos, por una parte, encuentran estas condiciones sumamente interesantes y atractivas".
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