14.12.2022 - 18:46
|
Actualització: 15.12.2022 - 22:45
Científics nord-americans han anunciat el que han descrit com un gran avenç en l’objectiu d’aconseguir de crear energia a partir de la fusió nuclear. El Departament d’Energia dels Estats Units va dir el 13 de desembre de 2022 que per primera vegada, i després de diverses dècades intentant-ho, els científics han obtingut més energia que no la que havia calgut per a crear-la.
Però, quina importància té en el desenvolupament científic? I fins a quin punt apropa al somni de poder aconseguir energia abundant i neta a partir de la fusió? Carolyn Kuranz , professora associada d’enginyeria nuclear de la Universitat de Michigan que ha treballat a la instal·lació que acaba de batre el rècord de fusió, ajuda a explicar aquest nou resultat.
Què va passar a la cambra de fusió?
La fusió és una reacció nuclear que combina dos àtoms per crear un o més àtoms nous amb una massa total lleugerament menor. La diferència de massa s’allibera com a energia, tal com descriu la famosa equació d’Einstein, E=mc2, on l’energia és igual a la massa multiplicada per la velocitat de la llum al quadrat. Com que la velocitat de la llum és enorme, convertint només una petita quantitat de massa en energia, com el que passa a la fusió, es produeix una quantitat igualment enorme d’energia.
Investigadors de la National Ignition Facility del govern dels EUA a Califòrnia han demostrat, per primera vegada, el que es coneix com a “ignició per fusió”. La ignició és quan una reacció de fusió produeix més energia de la que s’està posant a la reacció des d’una font externa i esdevé autosostenible.
La tècnica utilitzada a la National Ignition Facility va implicar disparar 192 làsers a una pastilla de combustible de 0,04 polzades (1 mm) feta de deuteri i triti, dues versions de l’element hidrogen amb neutrons addicionals, col·locades en un recipient d’or. Quan els làsers toquen el recipient, produeixen raigs X que escalfen i comprimeixen el pèl·let de combustible a unes vint vegades la densitat del plom i a més de cinc milions de graus Fahrenheit (3 milions de Celsius), unes cents vegades més calents que la superfície del Sol. Si es mantinguessin aquestes condicions durant un temps suficient, el combustible es fusionaria i alliberaria energia.
El combustible i el recipient es vaporitzen en unes mil·milionèsimes de segon durant l’experiment. Aleshores, els investigadors esperen que el seu equip hagi sobreviscut a la calor i hagi mesurat amb precisió l’energia alliberada per la reacció de fusió.
Investigadors de la National Ignition Facility del govern dels EUA a Califòrnia han demostrat, per primera vegada, el que es coneix com a “ignició per fusió”. La ignició és quan una reacció de fusió produeix més energia de la que s’està posant a la reacció des d’una font externa i esdevé autosostenible.
La tècnica utilitzada a la National Ignition Facility va implicar disparar 192 làsers a una pastilla de combustible de 0,04 polzades (1 mm) feta de deuteri i triti, dues versions de l’element hidrogen amb neutrons addicionals, col·locades en un recipient d’or. Quan els làsers toquen el recipient, produeixen raigs X que escalfen i comprimeixen el pèl·let de combustible a unes vint vegades la densitat del plom i a més de cinc milions de graus Fahrenheit (3 milions de Celsius), unes cent vegades més calents que la superfície del Sol. Si es mantinguessin aquestes condicions durant un temps suficient, el combustible es fusionaria i alliberaria energia. En l’experiment el combustible i el recipient es van vaporitzar en unes mil·milionèsimes de segon.
Aleshores, què van aconseguir?
Per avaluar l’èxit d’un experiment de fusió, els físics miren la relació entre l’energia alliberada del procés de fusió i la quantitat d’energia dins dels làsers. Aquesta relació s’anomena guany net.
Qualsevol cosa per sobre un guany d’u significa que el procés de fusió va alliberar més energia que la que van gastar els làsers.
El 5 de desembre de 2022, la National Ignition Facility va disparar un pèl·let de combustible amb dos milions de joules (J) d’energia làser, aproximadament la quantitat de potència que es necessita per fer funcionar un assecador de cabells durant 15 minuts, tot contingut en cent bilionèsimes de segon. Això va desencadenar una reacció de fusió que va alliberar 3 milions de joules. Això suposa un guany d’un 1,5, trencant el rècord anterior d’un guany de 0,7 aconseguit per la instal·lació l’agost de 2021.
Com d’important és aquest resultat?
L’energia de fusió ha estat el “sant grial” de la producció d’energia durant gairebé mig segle. Si bé un guany d’1,5 és un avenç científic veritablement històric, encara queda molt camí per recórrer abans que la fusió sigui una font d’energia viable.
Sí que és cert que l’energia làser de 2 milions de joules que es va disparar era inferior al rendiment assolit de 3 milions de joules, però la instal·lació va necessitar gairebé 300 milions de joules per produir els làsers utilitzats en aquest experiment. Aquest resultat ha demostrat que l’encesa per fusió és possible, però caldrà molta tasca d’investigació perquè la fusió pugui proporcionar un retorn net d’energia positiva quan es té en compte tot el sistema d’extrem a extrem, i no només una interacció única entre els làsers i el combustible.
Què cal millorar?
Hi ha una sèrie de peces del trencaclosques de fusió que els científics han anat millorant constantment durant dècades per assolir aquest resultat. Ara calen noves millores perquè aquest procés sigui més eficient.
Primer, els làsers es van inventar l’any 1960. Quan el govern dels EUA va completar la construcció de la National Ignition Facility el 2009, va ser la instal·lació làser més potent del món, capaç de donar 1 milió de joules d’energia. Els 2 milions de joules que produeix avui són 50 vegades més energètics que el següent làser més potent de la Terra. Làsers més potents i altres fonts d’energia que puguin produir aquests làsers tan potents podrien millorar considerablement l’eficiència general del sistema.
Les condicions de fusió són molt difícils de mantenir i qualsevol petita imperfecció a la càpsula o al combustible pot augmentar fer disminuir l’eficiència i, per tant, no aconseguir el guany net. Els científics han avançat molt per transferir de manera més eficient l’energia del làser al recipient i la radiació de raigs X del recipient a la càpsula de combustible, però actualment només es transfereix entre el 10% i el 30% de l’energia total del làser al recipient i al combustible.
Finalment, mentre que una part del combustible, el deuteri, és naturalment abundant a l’aigua de mar, el triti és molt més difícil de produir en grans quantitats. La fusió en si mateixa produeix triti, de manera que els investigadors esperen poder desenvolupar altres maneres de produir aquesta energia.
Aquests i altres obstacles científics, tecnològics i d’enginyeria hauran de superar-se abans que la fusió produeixi electricitat per a la nostra llar. També caldrà treballar per reduir el cost d’una central elèctrica de fusió, que és en el cas de la National Ignition Facility, va arribar als 3.500 milions de dòlars. Aquests passos requeriran una inversió important tant dels governs com de la indústria privada.
Hi ha una carrera global al voltant de la fusió, amb molts altres laboratoris d’arreu del món que persegueixen diferents tècniques per a poder obtenir un guany net que sigui eficient i més econòmic. Però amb el nou resultat de la National Ignition Facility, el món ha vist, per primera vegada, l’evidència que el somni de la fusió és assolible.
