Retorno al pasado, Nature (2005): La fusión nuclear en la mesa de un laboratorio

Cada vez que hablo de fusión nuclear en este blog, algún lector me recuerda el experimento publicado en Nature en 2005 (antes de que naciera este blog). Investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) publicaron pruebas inequívocas de haber logrado la fusión nuclear en un experimento sencillo a temperatura ambiente. Calentaron un cristal piroeléctrico (material que se carga eléctricamente cuando se calienta) dentro de un cavidad con gas de deuterio (D), provocando su ionización; los iones cercanos a un punta de wolframio, donde el campo eléctrico es muy intenso, se aceleraron hasta bombardear un blanco sólido que contenía deuterio; como resultado se midió un flujo de neutrones con un espectro de energía que correspondía a la reacción de fusión D+D. Una demostración que se vio premiada por una publicación en Nature. Obviamente, este procedimiento no sirve como fuente de energía (no permite la ignición controlada de la fusión con exceso de energía), pero puede tener aplicaciones como fuente de neutrones en radiología e imagen en medicina (aunque en 2005 el número de neutrones producido era tan pequeño que no tenía aplicación práctica razonable, los autores del estudio esperaban que en pocos años se pudiera incrementar dicho número en al menos un factor de mil). ¿Qué sabemos ahora de esta tecnología y de este experimento? En esta entrada recordaré el resultado logrado y bucearé en su estado actual. El artículo original es B. Naranjo, J.K. Gimzewski & S. Putterman, “Observation of nuclear fusion driven by a pyroelectric crystal,” Nature 434: 1115-1117, 28 April 2005 [pdf gratis], y también merece la pena leer Michael J. Saltmarsh, “Technology: Warm fusion,” News and Views, Nature 434: 1077-1080, 28 April 2005 [pdf gratis]. El investigador principal del artículo Seth Putterman es muy polémico y ha sabido buscarse gran número de enemigos entre el establishment, como nos contó Geoff Brumfiel, “Physics: Far from the frontier,” News Feature, Nature 437: 1224-1225, 27 October 2005; aún así, sus ideas son muy originales y siempre son objeto de noticias en los medios.

Naranjo, Gimzewski y Putterman lograron una fuente portátil de neutrones de alta energía (unos 2,5 MeV) basada en la reacción nuclear de fusión del deuterio D + D right arrow 3He (820 keV) + n (2,45 MeV). El dispositivo permite generar un haz de neutrones de baja intensidad, con un pico de unos 1000 por segundo. El funcionamiento del dispositivo es muy sencillo. Un cristal piroeléctrico de LiTaO3 colocado entre dos electrodos es calentado lentamente, lo que provoca que aparezca una diferencia de potencial de unos 100 kV entre dichos electrodos (ver figura de arriba). Este cristal se encuentra en una cavidad rellena de deuterio gaseoso con una presión muy baja de unos 0,7 pascales (recuerda que la presión atmosférica es de 100 000 pascales). El cristal piroeléctrico está conectado a un electrodo de wolframio en forma de aguja donde se produce un campo eléctrico enorme, de unos 10 gigavoltios por metro, que ioniza el gas de deuterio. Los iones de deuterio se ven acelerados por el campo eléctrico y se dirigen como proyectiles hacia un blanco sólido que contiene deuterio en forma de ErD3 (“deuteriuro” de erbio). Los iones colisionan con el blanco y producen neutrones con un espectro de energía centrado en 2,5 MeV que corresponde a la reacción de fusión D+D.

El calentamiento del cristal piroeléctrico es lento, su temperatura crece unos 12,4 °C por minuto, lo que induce una polarización espontánea y una diferencia de potencial que crece a un ritmo de unos 50 kV por minuto. Cuando esta diferencia de potencial crece, la punta de wolframio adquiere un campo eléctrico mayor de 25 gigavoltios por metro, capaz de ionizar el gas de deuterio. Estos iones se aceleran formando haz que incide sobre el blanco (como muestra la figura de arriba, obtenida mediante simulaciones numéricas). La corriente de estos iones es baja, unos 4 nanoamperios, lo que produce un pico máximo de unos 1000 neutrones por segundo. El haz se mantiene mientras se está calentando el cristal piroeléctrico, es decir, durantes unos pocos minutos.

¿Para qué se puede usar un haz de unos 1000 neutrones por segundo? La verdad es que es un haz con una intensidad demasiado débil para ser útil en aplicaciones prácticas (salvo para experimentos en laboratorios de física que requieran haces de neutrones débiles). Los autores del estudio afirmaban en su artículo que esperaban poder incrementar la intensidad del haz de neutrones en un factor de 1000 hasta alcanzar una intensidad de un millón de neutrones por segundo. Para ello proponían operar el sistema en condiciones criogénicas, para permitir que el calentamiento lento del cristal dure más tiempo, además utilizar una punta más delgada o un sistema de puntas. En un artículo posterior, V. Tang, G. Meyer, J. Morse, G. Schmid, C. Spadaccini, P. Kerr, B. Rusnak, S. Sampayan, B. Naranjo, S. Putterman, “Neutron production from feedback controlled thermal cycling of a pyroelectric crystal,” Rev. Sci. Instrum. 78: 123504 (2007), implementaron estas ideas. Calentando el cristal desde 10 ºC a 100 ºC, a un ritmo de  0,2 °C/s, lograron producir una corriente de iones de unos ∼10 nA y un número de neutrones de 190 000 (±30 000) por ciclo de calentamiento. El incremento no es tan grande como esperaban inicialmente (según predecían sus simulaciones numéricas). También han utilizado un blanco con tritio en lugar de deuterio en su artículo B. Naranjo, S. Putterman, T. Venhaus, “Pyroelectric fusion using a tritiated target,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 632: 43–46, 2011, lo que les permite obtener una fuente de neutrones con una energía de unos 14,1 MeV (obtuvieron un flujo mucho menor del esperado en teoría, unos 300 000 neutrones por segundo, que achacaron a impurezas en la punta de wolframio).

El trabajo de Naranjo et al. fue verificado de forma independiente por Jeffrey Geuther, Yaron Danon,  Frank Saglime, “Nuclear Reactions Induced by a Pyroelectric Accelerator,” Physical Review Letters 96: 054803, 2006 [pdf gratis], y por Don Gillich, Andrew Kovanen, Bryan Herman, Travis Fullem, Yaron Danon, “Pyroelectric crystal neutron production in a portable prototype vacuum system,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 602: 306–31 (2009); estos artículos obtuvieron un flujo de neutrones menor (quizás porque el cristal piroeléctrico utilizado era más pequeño), y tuvieron algunos problemas de reproducibilidad del experimento (el proceso de calentamiento es clave y su control es difícil). Algo típico en estos experimentos es obtener un flujo de neutrones menor que el predicho por los modelos teóricos, por ejemplo, Donald J. Gillich, Andrew Kovanen, Yaron Danon, “Deuterated target comparison for pyroelectric crystal D–D nuclear fusion experiments,” Journal of Nuclear Materials 405: 181–185, 2010.

La posibilidad de reducir el tamaño de la aguja de wolframio para lograr campos eléctricos más intensos también ha sido estudiada, aunque sin mucho éxito en Donald J. Gillich, Ranganath Teki, Travis Z. Fullema, Andrew Kovanen, Ezekiel Blain, Douglas B. Chrisey, Toh-Ming Lu, Yaron Danon, “Enhanced pyroelectric crystal D—D nuclear fusion using tungsten nanorods,” NanoToday 4: 227-234, 2009 [pdf gratis]; utilizaron nanoagujas (nanorods) de wolframio, pero obtuvieron un flujo de neutrones más pequeño que en el artículo de Nature (menos de 100 neutrones por segundo); estos autores no entienden por qué, pero creen que en el futuro podrá mejorarse este resultado. Estudios teóricos parece que lo reafirman (Birk Reichenbach, I. Solano, and P. R. Schwoebel, “A field evaporation deuterium ion source for neutron generators,” J. Appl. Phys. 103: 094912 (2008) [pdf gratis]). Algunos autores han propuesto substituir la aguja de wolframio por nanoagujas de carbono, como Arun Persaud et al, “Development of a compact neutron source based on field ionization processes,” J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. 29: 02B107, 2011 [arXiv:1010.2252], pero por ahora los logros son parcos.

Me gustaría destacar que hay que tener cuidado a la hora de interpretar los resultados de algunos de estos artículos sobre emisores de neutrones por fusión D+D. Por ejemplo, en V. Tang et al, “Intense Pulsed Neutron Emission from a Compact Pyroelectric Driven Accelerator,” J. Appl. Phys. 105: 026103, 2009 [pdf gratis en LLNL], se afirma haber logrado una producción de diez mil millones de neutrones por segundo, pero hay que leer la letra pequeña, solo durante un tiempo de cientos de nanosegundos (en realidad son unos 40 neutrones por pulso). Como ocurre muchas veces, hay que leer la letra pequeña para descubrir que no es oro todo lo que reluce.

En resumen, los reactores de fusión piroeléctricos son fuentes de neutrones en miniatura que producen flujos débiles de neutrones de alta energía que pueden tener ciertos usos prácticos pero que requieren aún mucha investigación para optimizar su diseño y hacerse un hueco en el mercado.

8 pensamientos en “Retorno al pasado, Nature (2005): La fusión nuclear en la mesa de un laboratorio

  1. Nah, como siempre digo, mi candidato para LENR es mercurio a oro, todo un clasico, con un material que seria una ruina ecologica el producir y un subproducto que en otros tiempos habria sido una ruina monetaria. La produccion teorica no es para mucho, 80 kwh por gramo de mercurio me salia, una vez que me aburri calculandola y sumando para todos los isotopos.

    De hecho esta es, junto con la fusion fria de Hidrogeno a Helio, una de las dos LENR que aparecen publicadas (y retractadas) antes de 1930. La fusion templada de DD, cargandolos en cables de paladio que se quemaban luego a alta tension, tambien fue investigada en esa epoca, en Copenhague y en alguna universidad vecina de suecia; de hecho creo que en esa epoca Teller era becario o estudiante en esos laboratiorios, es posible que alli le picara el gusanillo de la fusion… y explica el que asistiera, una vez, a esas conferencias sobre LENR que organizaban Fleishman Pons y compañia a finales de los noventa.

    • En este momento el oro está a 1680$/onza, que son 44.58 Euros/gr.
      El kwh industrial en algunos otros paises europeos ronda los 5 centimos de euro.
      El mercurio debe andar por 10 centimos/gr.
      80*0.05+0.1= 4.1 euros/gr, implica un beneficio de mas del 1000% (a lo que habria que descontar el precio de la cacharrería). Hace años el oro estaba casi 10 veces mas barato pero ahora está caro.
      ¿Lo hacemos?

      • Debería haber contactado en privado. Ahora alguien leerá esto y en cuanto se sepa el proyecto se hundirá el precio del oro. :D

  2. No acabo de verlo.
    ¿Por que es necesario recurrir a compuestos piroelectricos para obtener una diferencia de potencial de 100kV?

    • No es necesario recurrir a ellos, pero la gracia de esta aproximación a la fusión es utilizar estos materiales, porque para calentarlos basta utilizar diferencias de potencial de unos pocos voltios.

  3. De todas formas, si que parece que la idea de piezoelectricidad es nueva :-)… mirando los apuntes, repaso que Oro a Mercurio es de 1924, independientemente por Miethe y Nagaoka. No esta claro si se retractan, pero en el 25 y el 26 otros grupos presentan resultados negativos. Es pues anterior a Fritz Paneth and Kurt Peters, que publicaron su produccion de helio por fusion fria en 1926. De descarga electrica en cables (que no en gas) ahora no encuentro nada, posiblemente lo estoy confundiendo con los de electrolisis que hizo Tandberg en Lund, pero estoy practicamente convencido de que ese grupo tambien estudio descargas de alta tension; desde luego probaron muchas cosas: electrolisis de hidrogeno en el 27, electrolisis con deuterio en el 34, y aceleracion del deuterio hacia una diana de paladio un poco mas tarde (Tandberg con Wilner padre; los apuntes los guardaba Wilner hijo, que aun en los noventa era investigador de fusion en Estocolmo).

    Hay que tener en cuenta que el deuterio no se descubre hasta 1932.

    Un poco mas tarde, durante la guerra, hay experimentos de descarga de alta tension en plasmas, los famosos “pinch”, como el Wirbelrohr’ de Steenbeck and Hoffman en 1943, que luego en los cincuenta se intentaron usar para fusion por autoconfinamiento. Hay quien defiende que Philo Farnsworth ya estaba trabajando en su fusor desde el principio en los años 30, a pesar de que no lo patento hasta el 66. En cierto modo es alucinante que Farnsworth consiguiera que en todos los hogares del mundo hubiera una fuente de alta tension y un acelerador de electrones (hasta la llegada de las pantallas planas).

    Hubo bastantes experimentos de descargas electricas en los primeros tiempos de la transmutacion, eg Ramsay “The Presence of Helium in the Gas from the Interior of an X-Ray Tube” y J.J. Thomson “On the Appearance of Helium and Neon in Vacuum Tubes”. En muchos de ellos habia contaminacion obvia, en otros habia material radiactivo y el objetivo era producir alphas.

  4. Excelente entrada, como de costumbre, me viene exacto en una discusiòn que traigo contra unos alucinados del combustible gratis, y en un descuido, del movimiento perpetuo.

    Saludos y abrazo.

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