Descubren un nuevo método para hacer la fusión nuclear 1.000 millones de veces más eficiente

Un equipo de investigadores ha identificado un mecanismo que puede suponer un cambio de paradigma en la carrera por hacer realidad la fusión nuclear como fuente de energía limpia e ilimitada. Los investigadores han demostrado teóricamente que los láseres intensos de baja frecuencia resultan más efectivos que los láseres de rayos X de alta energía para lograr la fusión de los núcleos atómicos. Sus resultados prueban que utilizar este nuevo método podría rebajar hasta 10 veces la cantidad de energía que hace falta en el proceso y, por tanto, su coste.

El estudio demuestra algo que parece desafiar la lógica. El equipo asegura que en condiciones similares, los campos láser de baja frecuencia presentan una eficiencia superior al impacto de un solo fotón de rayos X, que es más energético. La interacción con el sistema de baja frecuencia transforma radicalmente las probabilidades de fusión y permite superar la barrera de Coulomb, la repulsión eléctrica que impide que los núcleos atómicos se fusionen.

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Durante una colisión nuclear, los núcleos pueden absorber y emitir un gran número de estos fotones de menor energía, ampliando efectivamente la distribución de energía de colisión. "El análisis es aplicable a la mayoría de las reacciones de fusión y a los diferentes tipos de láseres intensos disponibles en la actualidad, desde los láseres de electrones libres de rayos X hasta los láseres de estado sólido de infrarrojo cercano", señalan los investigadores en un artículo publicado recientemente en la revista Nuclear Science and Techniques.

Cómo funciona

El mecanismo se basa en el efecto túnel cuántico, un fenómeno por el cual las partículas atraviesan barreras energéticas aunque en teoría no tengan suficiente energía para superarlas. Los láseres de baja frecuencia, como los de estado sólido de infrarrojo cercano, permiten que durante una colisión nuclear se produzca esta interacción masiva de múltiples fotones.

"Esta interacción multifotónica induce un ensanchamiento de la distribución efectiva de energía de colisión, que puede aumentar sustancialmente las probabilidades de tunelización", explican los investigadores. Esto quiere decir que los núcleos absorben y emiten un número enorme de fotones de baja energía, lo que aumenta drásticamente sus probabilidades de fusionarse.

Los científicos utilizaron la reacción Deuterio-Tritio (D-T) como prueba. Normalmente, para que dos núcleos se fusionen necesitan temperaturas altísimas —equivalentes a 10 kiloelectronvoltio (keV), una unidad de energía muy usada en física nuclear y de partículas—. Pero con el láser de baja frecuencia, lograron fusión a solo 1 keV, una temperatura diez veces menor donde la fusión es normalmente casi imposible.

El equipo asegura que aumentando la intensidad del láser, la probabilidad de fusión aumenta mil veces. Con intensidades aún mayores, la eficiencia se dispara hasta mil millones de veces.

Redefiniendo la investigación en fusión

Los hallazgos sugieren que tal vez ya no necesitemos calentar el combustible a decenas de millones de Kelvin si podemos aprovechar campos láser intensos para ayudar con el proceso de tunelización. "Los campos láser sirven como un mecanismo asistivo para mejorar las reacciones de fusión, complementando los efectos térmicos en lugar de reemplazarlos", señala el estudio.

El análisis es aplicable a la mayoría de las reacciones de fusión y diferentes tipos de láseres intensos disponibles actualmente, desde láseres de electrones libres de rayos X hasta láseres de estado sólido de infrarrojo cercano. "Los hallazgos sugieren que los campos láser intensos pueden ayudar a aliviar los requisitos de temperatura estrictos típicamente asociados con los experimentos de fusión controlada", asegura el equipo.

Aunque los resultados actuales son teóricos, proporcionan una hoja de ruta para utilizar instalaciones láser de alta intensidad de próxima generación. La siguiente fase de investigación, dicen, irá más allá de sistemas teóricos de dos núcleos para estudiar entornos de plasma realistas que tengan en cuenta las interacciones láser-plasma y la disipación de energía. "Estos desarrollos serán esenciales para evaluar la viabilidad de la fusión asistida por láser en entornos experimentales", concluyen.