Nuevo avance en la fusión aneutrónica protón-boro

Dibujo20131009 protons-boron nuclei - two laser facility - Nature Comms

La fusión aneutrónica produce neutrones de alta energía, pero muchos menos que la fusión convencional. La colisión de protones con núcleos de boro 11 produce sobre todo radiación alfa (núcleos de helio) de alta energía en lugar de neutrones. A veces se afirma que la fusión aneutrónica está “limpia” de radiación ionizante, pero en realidad lo que ocurre es que contener la radiación alfa requiere un blindaje más delgado. No todo son ventajas. La fusión p11B requiere alcanzar una temperatura del plasma mucho más alta que la fusión D-T (deuterio-tritio), lo que impide su uso en reactores de fusión por confinamiento magnético. Por fortuna, la fusión pulsada en reactores por confinamiento inercial no parece imposible, en principio, siempre que el plasma pB esté fuera del equilibrio. Christine Labaune (LULI, Ecole Polytechnique, CNRS, Francia) y sus colegas han publicado en Nature Communications un nuevo avance en esta tecnología basado en el uso de dos láseres diferentes. Un láser de picosegundos calienta el plasma de protones durante unos picosegundos y lo hace colisionar con un plasma de núcleos de boro previamente calentado por un láser de nanosegundos. Han observado la emisión de radiación alfa, sin presencia apreciable de neutrones de alta energía. Un gran éxito, aunque sólo un pequeño paso hacia la fusión aneutrónica como una realidad comercial. Sobre todo porque la escalabilidad del nuevo sistema es muy difícil y el breakeven puede tardar décadas en ser alcanzado. Nos lo cuenta Ron Cowen, “Two-laser boron fusion lights the way to radiation-free energy,” News, Nature, 8 Oct 2013; el artículo técnico es C. Labaune et al., “Fusion reactions initiated by laser-accelerated particle beams in a laser-produced plasma,” Nature Communications 4: 2506, 8 Oct 2013 (arXiv:1310.2002 [physics.plasm-ph]).

Dibujo20131009 scheme experimental set-up laser beam configuration - Nature Comms

La fusión p11B por confinamiento inercial mediante pulsos láser requiere pulsos más cortos (en el régimen de los picosegundos) que en la fusión D-T, por ello la configuración experimental es diferente. Christine Labaune y sus colegas del laboratorio LULI llaman Pico2000 a su esquema con dos láseres. El láser de nanopulsos inyecta en los átomos de boro (20% de boro-10 y 80% de boro-11) una energía de 400 J (julios) en pulsos cuadrados de entre 1,5 y 4,0 ns (nanosegundos) con una longitud de onda de 530 nm. La intensidad promedio del láser es de 5 × 1014 W/cm² e incide con una ángulo de 45º en blanco de boro, produciendo un plasma de boro que expulsa los electrones. El láser de picopulsos con longitud de onda de 530 nm inyecta en los protones una energía de 20 J en 1 ps (picosegundo). La intensidad promedio de este láser es de 6 × 1018 W/cm². El ángulo relativo entre ambos haces láser es de 112,5º y el retraso entre sus pulsos se puede ajustar entre 0,25 y 1,2 ns.

Dibujo20131009 time-integrated X ray pinhole image of three plasmas along the direction of propagation of picosecond beam - Nature Comms

Esta figura, parte izquierda, muestra una imagen de los tres plasmas: protones, electrones y núcleos de boro. La parte derecha de la figura presenta una imagen detallada del plasma de núcleos de boro. Como se ve es poco uniforme y uno de los objetivos futuros del laboratorio de LULI será mejorar la homogeneidad del plasma, acercándola a la observada en las simulaciones por ordenador.

Dibujo20131009 total number of tracks magnetic spectrometer function of alpha-particle energy - Nature Comms

Se han realizado múltiples experimentos. Las predicciones teóricas indican que la energía del haz de partículas alfa debe estar en el rango de 0,5 a 8 MeV. La máxima energía alcanzada en los experimentos ha sido de 7,1 MeV (parte derecha de esta figura), siendo el valor típico entre 3,3 y 5,4 MeV. El número de trazas (tracks) de partículas alfa observadas es inferior a 140, es decir, se ha demostrado que unos 140 protones se han fusionado con unos 140 núcleos de boro. No es un número para tirar cohetes, pero indica una tasa máxima de reacción de 9 × 106 sucesos por estereorradián (sr), ya que el ángulo sólido de observación es de 1,1 × 10-5 sr. ¿Podría ser contaminación radiactiva la radiación alfa observada? Los autores del estudio creen que no pues corresponde a las expectativas teóricas de los modelos numéricos de simulación. Aún así las pruebas son poco firmes y por ello el artículo se publica en Nature Communications en lugar de una revista más prestigiosa.

Puede parecer un éxito menor tras más de 20 años de investigación, pero la fusión aneutrónica protón-boro es mucho más complicada que la fusión deuterio-tritio. Los avances son lentos, pero lo más importante es que haya avances. Por ello, creo que esta noticia debe hacernos reflexionar sobre la importancia de financiar vías alternativas a la fusión más allá del ITER y del NIF.

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3 pensamientos en “Nuevo avance en la fusión aneutrónica protón-boro

  1. Puestos a financiar cosas, lo que debería también financiarse es la búsqueda de mejores sistemas de conversión de flujos termodinámicos en electricidad. Prácticamente no nos hemos movido de la dinamo dando vueltas. De hecho, todos los sistemas termoeléctricos (excepto los que van por termopares, que hasta donde yo sé no van más allá de RTGs y similares) van por intercambiadores de calor y sistemas mecánicos de generación de electricidad, y sólo las células fotovoltaicas generan electricidad directamente.

    Es que por ejemplo mejorar los rendimientos en estas cosas un 5% supone un avance simplemente espectacular (el límite teórico termodinámico está muy lejos), además, si algún día se consigue la fusión, sería un poco patético convertirla en electricidad por el método habitual (algún método MHD para producir corriente eléctrica desde el propio plasma).

  2. Y hablando de financiar proyectos raros, a ver lo que ocurre con el Polywell …

    • Polywell y Dense Plasma Focus, vaya, Que con que les dieran un 5% de lo que le dan a la de confinamiento… Pueden ser humo, pero tampoco es que el Tokamak esté dando muchos resultados.

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