Un procedimiento en el que se trabaja para conseguir la fusión nuclear, el proceso que alimenta a las estrellas, es el confinamiento inercial. Se trata de una técnica que busca replicar las condiciones extremas necesarias para que ocurra la fusión nuclear en un entorno controlado en la Tierra. Consiste en comprimir un pequeño volumen de combustible, típicamente isotopos de hidrógeno como el deuterio y el tritio, hasta alcanzar las altísimas temperaturas y presiones necesarias para que los núcleos de los átomos se unan, liberando una gran cantidad de energía en el proceso.
Se utiliza un pélet esférico del tamaño de un grano de pimienta que contiene la mezcla necesaria del combustible para la fusión (deuterio y tritio). El pélet es bombardeado desde todas las direcciones por haces de energía extremadamente intensos, ya sea mediante rayos láser, haces de iones o incluso rayos X. En la mayoría de los experimentos se utilizan potentes láseres. La energía de estos haces vaporiza la superficie externa del pélet, creando una onda de choque que comprime el combustible en su interior.
La compresión rápida del pélet aumenta la densidad y la temperatura del combustible a niveles tan extremos que los núcleos atómicos superan su repulsión mutua y se fusionan. Este proceso libera una enorme cantidad de energía en forma de neutrones y energía térmica. La clave de este proceso es que la compresión se realiza tan rápidamente que el combustible se mantiene unido, o «confinado», por su propia inercia (la tendencia de un cuerpo a permanecer en su estado de movimiento) durante el tiempo suficiente para que ocurra la fusión antes de que el material se desintegre o se expanda.
El principal objetivo de la fusión por confinamiento inercial es la producción de energía de manera limpia y prácticamente ilimitada, ya que el hidrógeno, el combustible principal, es muy abundante. Sin embargo, hay desafíos técnicos significativos, incluyendo la necesidad de lograr una compresión simétrica perfecta del pélet y la producción de más energía de la que se consume en el proceso de compresión.
Balance de energía positivo
La puesta en práctica más conocido y avanzada de la fusión por confinamiento inercial se da en el National Ignition Facility (NIF) de Estados Unidos, donde se utilizan 192 láseres para intentar inducir la fusión nuclear. En diciembre de 2022, en esta instalación se produjo un hito histórico en el campo de la fusión nuclear: por primera vez, una reacción de fusión produjo más energía que la necesaria para iniciar el proceso. Este logro marcó un avance significativo en la búsqueda de la energía de fusión como una fuente de energía limpia y casi ilimitada.
En este experimento, la energía liberada por la fusión fue de aproximadamente 3,15 megajulios, mientras que la energía que los láseres suministraron al pélet fue de 2,05 megajulios. Esto significa que la energía producida superó a la energía suministrada al pellet, logrando un ganancia de energía neta, conocida en la comunidad científica como «ignición».
Este logro fue un paso clave hacia la viabilidad de la fusión nuclear como fuente de energía, ya que demostró la posibilidad de que una reacción de fusión pueda generar más energía de la que consume, lo cual es crucial para el desarrollo de futuras plantas de energía de fusión. Pero la repetibilidad y la escalabilidad del proceso son grandes retos que los investigadores deberán superar para hacer viable la fusión nuclear como fuente de energía comercial.
Fusión por confinamiento gravitacional
El confinamiento inercial trata de imitar otro tipo de confinamiento que en este caso se produce de forma natural (en las estrellas, como el Sol) y se debe a la fuerza de la gravedad. Efectivamente, en las estrellas la inmensa fuerza gravitacional es la que confina el combustible (principalmente hidrógeno), y bajo las extremas presiones y temperaturas en el núcleo de las estrellas los núcleos de hidrógeno se fusionan para formar helio, liberando energía en forma de luz y calor. Este tipo de confinamiento es imposible de replicar en la Tierra, ya que las condiciones gravitacionales requeridas solo existen en cuerpos celestes de enorme masa.
Otras estrategias
Además del confinamiento inercial, existen otras estrategias para conseguir la fusión nuclear. La más destacada es el confinamiento magnético, y es la que está más ampliamente investigado para conseguir la fusión nuclear controlada.
El dispositivo más representativo de la fusión por confinamiento magnético es el tokamak. En un tokamak, el combustible, que es un plasma de deuterio y tritio, se confina dentro de un campo magnético toroidal (en forma de rosquilla). Los potentes campos magnéticos mantienen el plasma caliente y estable, evitando que toque las paredes del reactor, lo cual es crucial para mantener las condiciones necesarias para la fusión.
El proyecto más ambicioso actualmente es el ITER, un tokamak en construcción en Francia que busca demostrar la viabilidad de la fusión por confinamiento magnético a gran escala.
Otro dispositivo similar al tokamak es el stellarator. Es similar al tokamak, pero con una geometría de campo magnético más compleja, diseñada para mejorar la estabilidad del plasma sin necesidad de corrientes internas, lo que podría permitir una operación más continua y estable.
Un tercer enfoque es la máquinas Z-Pinch, que utiliza una corriente eléctrica intensa para crear un campo magnético que comprime el plasma en una forma cilíndrica. Sin embargo, tiene problemas de estabilidad.
Además de los métodos principales mencionados, existen otras estrategias experimentales innovadoras que se están explorando:
- Fusión de haz con blanco (beam-target fusion). Un haz de núcleos acelerados se dirige hacia un objetivo (blanco) de núcleos, provocando fusiones al colisionar.
- Fusión por cristal de hidruro metálico. Implica la utilización de hidruros metálicos que liberan deuterio bajo ciertas condiciones, lo que podría ser utilizado para facilitar la fusión.
- Fusión de anillo de campo invertido (field-reversed configuration). Utiliza una configuración magnética diferente, que podría combinar elementos tanto del confinamiento magnético como del inercial.
- Fusión por electroestática (polywell o fusor). Usa campos eléctricos para acelerar los núcleos de hidrógeno, buscando que colisionen y se fusionen.
- Fusión de blancos magnetizados (magnetized target fusion). Enfoque híbrido que utiliza campos magnéticos para confinar el plasma mientras se comprime rápidamente como en el confinamiento inercial.
