El pasado 5 de diciembre del 2022 será recordado en la historia de la ciencia como el día en que, por primera vez en la historia de la humanidad, una reacción termonuclear controlada produjo más energía que la que se requirió para iniciarla, abriendo de este modo la puerta a la generación de energía por medio de fusión nuclear.
Paradójicamente, como en seguida se explicará, este éxito se logró por medio del método de confinamiento inercial de reacciones termonucleares y no por medio del método de confinamiento magnético de estas.
La fusión nuclear es el método de producción de energía que ocurre en todas las estrellas del universo. Es extremadamente eficiente pues utiliza átomos de hidrógeno y helio, así como sus isótopos, para fusionarlos y de este modo producir energía. El problema más importante para lograr estas reacciones de fusión es que el combustible nuclear debe primeramente calentarse a cincuenta o cien millones de grados. Pero podemos preguntar: ¿Cómo o dónde podemos calentar un gas (llamado plasma) a esas temperaturas de millones de grados?
En las estrellas esto ocurre con facilidad debido al intenso campo gravitacional de la estrella, pero en un laboratorio ¿cómo se puede hacer? ¿En qué contenedor podríamos colocar un gas a esas temperaturas? Son temperaturas tan altas que pasarían una de dos cosas (o las dos); o el contenedor se funde y queda inutilizado; o, al entrar en contacto el gas de hidrógeno con el contenedor el gas inmediatamente se enfriará.
De hecho, normalmente ocurre que parte del material del contenedor se desintegra y se mezcla con el gas contaminándolo y por tanto enfriándose rápidamente impidiendo con esto el proceso de fusión nuclear.
Para obtener fusión nuclear en laboratorios científicos se han estudiado fundamentalmente dos métodos diferentes para lograr este objetivo.
El primero consiste en calentar un gas de hidrógeno y sus isótopos a las altísimas temperaturas requeridas y mantenerlo aislado de las paredes del contenedor por medio de intensos campos magnéticos, ejemplos de aparatos que hacen esto son los Tokamaks y los Stellarators.
Durante décadas la esperanza de la comunidad científica ha estado depositada en la operación exitosa de estos instrumentos, los más grandes y ambiciosos están aún en construcción y se espera que en algunos años logren el objetivo planeado.
El segundo método para lograr fusión nuclear consiste en calentar una pequeña esfera que contiene en su interior hidrógeno y sus isótopos, utilizando rayos láser o haces de partículas cargadas.
La idea es que al incidir simétrica y uniformemente los haces láser en la microesfera (lo cual, hay que decir, es un reto de primera magnitud) ésta se calentará a la elevada temperatura requerida y entonces ocurrirá una micro-explosión termonuclear. Una serie de microexplosiones de fusión de esta naturaleza permitirán obtener un flujo constante de energía que puede ser utilizado para cualquier fin requerido igual que se hace con la energía obtenida de una planta de generación termoeléctrica o de cualquier otra clase.
El láser más energético del mundo se encuentra en la NIF (National Ignition Facility) que es una gigantesca instalación que contiene un láser cuya magnitud es comparable a la de un estadio de futbol.
Me alegra compartir con los amables lectores de estas líneas que yo realicé mi trabajo doctoral en el Laboratorio Rutherford en Oxfordshire, Inglaterra, el cual contiene a Vulcan, el más poderoso láser europeo. Allí estuve trabajando en el problema del control de la radiación láser dirigida hacia una microesfera de cien o doscientos micrones de diámetro llena de hidrógeno y sus isótopos, deuterio y tritio.
El problema es, física, matemática y tecnológicamente de extrema complejidad pues estrictamente es imposible irradiar uniformemente una esfera con varios láseres, a lo más que se puede aspirar es a controlar las irregularidades de irradiación y evitar que estas excedan un porcentaje dado de, digamos, uno o tres por ciento.
Para esto se debe de controlar el perfil de radiación producido por cada uno de los haces láser (en Vulcan eran 24 haces, mientras que en NIF son 192 haces) lo cual implica controlar la distribución de energía de cada uno de los amplificadores láser de cada haz, así como el uso de filtros espaciales para los haces láser, estos últimos permiten producir haces de muy alta calidad en su perfil de intensidad.
En el experimento recientemente reportado en NIF se utilizó un diseño especial de microesfera la cual está contenida dentro de un pequeño cilindro. De este modo los haces láser se hacen incidir no directamente sobre la superficie de la micro esfera, sino sobre la superficie interior del cilindro que la contiene, el cual producirá así rayos X que son los que irradiarán con excelente uniformidad a la microesfera que contiene hidrógeno, deuterio y tritio.
A partir de estos resultados es cada vez más probable que las próximas generaciones lleguen a disfrutar de plantas generadoras de energía basadas en fusión nuclear. Este método de producción de energía es limpio y hay reservas energéticas en el planeta para miles de años. Vale subrayar que los países desarrollados invierten muchísimos recursos en investigación sobre nuevas fuentes de energía, como la fusión y otras, pues saben que las fuentes tradicionales de energía pronto serán desplazadas.