- Trazas de wolframio pueden duplicar la presión necesaria para la ignición en el plasma de fusión nuclear.
- El estudio propone una nueva ruta de ignición: primero calentar y luego aumentar la densidad.
- El wolframio podría desempeñar un papel importante en los futuros reactores de fusión nuclear.
- Los hallazgos actuales siguen siendo teóricos y requieren verificación experimental adicional.
Según un nuevo modelo teórico del Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU., trazas de wolframio en el plasma de fusión nuclear podrían aproximadamente duplicar la presión necesaria para alcanzar la ignición. Los investigadores descubrieron que una concentración de wolframio de apenas una partícula por cada 10.000 puede mejorar significativamente las condiciones para que el plasma mantenga una reacción de fusión sin necesidad de calentamiento externo continuo. El estudio actualiza el criterio de Lawson, un referente de hace aproximadamente 70 años utilizado para determinar si un plasma de fusión es lo suficientemente caliente, lo suficientemente denso y se mantiene el tiempo suficiente para alcanzar el objetivo de ignición.
Los investigadores incorporaron varios efectos del mundo real que el criterio idealizado original no contemplaba. Los cálculos también sugieren una ruta de ignición potencialmente más eficiente. El modelo recomienda calentar primero el plasma y luego aumentar su densidad, lo que podría ofrecer un camino más eficiente.
El nuevo modelo ofrece una ruta de ignición más eficiente
El físico del PPPL Luis Delgado-Aparicio declaró: «Muchas empresas quieren enfrentarse al desafío de frente, gastando una enorme energía para alcanzar la meta. En realidad, se puede rodear la cumbre, llegando así al mismo lugar de forma más inteligente y consumiendo mucha menos energía». Los investigadores describieron esta ruta mediante una región llamada Cordey saddle. Esta región representa el punto más bajo de un límite que separa el plasma que aún requiere calentamiento externo del que puede arder por sí mismo.
En un plasma ideal que solo contenga combustible de fusión, el modelo sitúa este punto en un nivel de ganancia de fusión (Q) de aproximadamente 5. Esto significa que el plasma produce aproximadamente cinco veces la energía de calentamiento externo. Sin embargo, las impurezas, las pérdidas por radiación y otros efectos del mundo real pueden alterar este punto y aumentar la ganancia requerida.
El impacto potencial y los desafíos del wolframio
El equipo incorporó cuatro factores en su modelo: la ceniza de helio resultante de las reacciones de fusión, las impurezas ligeras y pesadas que provienen de las paredes del reactor, las pérdidas por radiación sincrotrón y el calor que escapa del plasma. El físico del PPPL Masayuki Ono señaló: «Cuando ignoras estos efectos, crees que el diseño funciona bien; pero en cuanto los tienes en cuenta, toda la situación cambia y estos factores se vuelven bastante importantes». El hallazgo sobre el wolframio podría ser especialmente importante para los futuros reactores de fusión nuclear. Más de una docena de dispositivos de fusión de próxima generación ya han elegido el wolframio como material de sus paredes internas, porque este metal puede soportar temperaturas extremadamente altas.
Pero si un átomo de wolframio por cada 10.000 partículas entra en el plasma, los cálculos bidimensionales del equipo muestran que la presión necesaria para alcanzar la ignición podría aproximadamente duplicarse.
Al extender estos efectos a tres dimensiones, la presión requerida podría superar el punto crítico en el que el plasma se mantiene estable. Los investigadores indican que, por ejemplo, recubrir las paredes del reactor con litio líquido puede ayudar a impedir que el wolframio entre en el plasma, al tiempo que mejora la retención de calor. El combustible de fusión polarizado en espín, es decir, alinear los núcleos del combustible antes de la fusión, también podría aumentar la tasa de reacción de fusión. Curiosamente, las pérdidas de energía que dificultan la ignición podrían ayudar a estabilizar el plasma en combustión. El modelo muestra que estas pérdidas pueden contrarrestar la fuga térmica, que se produce cuando el aumento del calor de fusión provoca reacciones de fusión cada vez más rápidas.
Por ahora, estos hallazgos siguen siendo teóricos, ya que ningún experimento existente ha logrado alcanzar condiciones cercanas al Cordey saddle para probar experimentalmente la ruta de calentamiento prioritario propuesta.
Los investigadores planean realizar experimentos numéricos para explorar más a fondo este método. El físico del PPPL Jonathan Menard declaró: «Aunque aún se necesita más investigación, estamos entusiasmados con estos resultados, que proporcionan un camino claro hacia adelante para la futura investigación en este campo». El estudio se ha publicado en Physical Review Letters.
La importancia del wolframio en la investigación de fusión nuclear
El hallazgo sobre el wolframio es crucial para el desarrollo de la tecnología de fusión nuclear. Debido a su capacidad para soportar temperaturas extremadamente altas, el wolframio ha sido elegido como material de las paredes internas de los dispositivos de fusión de próxima generación. La investigación indica que la adición de trazas de wolframio no solo puede mejorar significativamente el rendimiento del plasma, sino que también podría cambiar la estrategia de ignición de la fusión, lo que tiene una importancia significativa para aumentar la eficiencia energética y reducir el consumo de energía. Aunque la investigación actual sigue en fase teórica, los futuros experimentos ayudarán a validar estas teorías y a impulsar la aplicación práctica de la tecnología de fusión nuclear.