Un proyecto coordinado de investigación (PCI) recientemente finalizado ha permitido comprender mejor los procesos atómicos y moleculares fundamentales necesarios para avanzar en el desarrollo de la fusión como futura fuente de energía. Específicamente, el proyecto generó y evaluó datos para las colisiones de hidrógeno y helio y los procesos radiactivos resultantes, en los que se libera energía en forma de radiación electromagnética. Las reacciones termonucleares pueden inducirse en un tipo de materia denominado plasma, compuesto de gases con carga eléctrica extremadamente calientes y que centró la investigación.
“Los datos de este PCI han ampliado nuestra capacidad para simular los complicados procesos que se dan en los dispositivos de fusión, lo que nos proporciona una imagen más clara de qué sucede en nuestros reactores experimentales”, señala Bastiaan Braams, investigador del Instituto Nacional de Investigación en Matemáticas e Informática (CWI) de los Países Bajos, que participó en el PCI.
La fusión nuclear, la reacción que alimenta el Sol, podría, con el tiempo, proporcionar una cantidad prácticamente ilimitada de energía limpia y sin emisiones de carbono utilizando agua y litio como combustible. No obstante, aprovechar la energía de fusión, que es comercialmente viable, plantea importantes desafíos tecnológicos, entre ellos proteger las paredes de la vasija del reactor a unas temperaturas extremadamente altas y controlar la reacción termonuclear, esferas que el PCI contribuyó a abordar.
El proyecto, que estudió las colisiones y las reacciones del hidrógeno y el helio en dispositivos de fusión, se ocupó principalmente, sin embargo, de las reacciones del hidrógeno, incluidos sus isótopos, el deuterio y el tritio, y las distintas moléculas e iones moleculares de estos. De esta manera los investigadores pudieron avanzar hacia el desarrollo de una base de datos de secciones eficaces de colisión evaluados desde el punto de vista de la criticidad (es decir, la distancia mínima a la que deben estar las partículas para inducir una colisión) y de coeficientes de velocidad de reacción (es decir, las mediciones de la velocidad de una reacción química). Esto, a su vez, permitirá a investigadores de todo el mundo efectuar cálculos más fácilmente y con mayor precisión.
Este PCI, en el que participaron investigadores de instituciones de 12 países en colaboración con el OIEA, ha generado unos datos de importancia capital que ayudarán a los científicos a crear instrumentos para la elaboración de modelos a fin de simular átomos de hidrógeno y las moléculas pertinentes en condiciones conducentes a una reacción de fusión.
¿En qué consiste la fusión controlada?
En el núcleo del Sol, las reacciones termonucleares entre átomos de hidrógeno se producen en el interior de plasma denso; este proceso alimenta el astro rey y hace que brille. Estas reacciones necesitan unas energías increíblemente elevadas para convertir cantidades minúsculas de masa en grandes cantidades de energía (según la célebre ecuación de Einstein, E = mc2).
Dentro de un reactor de fusión, las reacciones que se producen en el núcleo requieren de altas temperaturas, que se disipan rápidamente en las regiones exteriores de la cámara de fusión, más próximas a las paredes internas del reactor. Entender la física de esta región, conocida como el borde del plasma, es fundamental para proteger estas paredes internas y controlar la propia reacción termonuclear del núcleo. Parte del desafío técnico que supone controlar la fusión para generar electricidad es imitar los procesos atómicos y moleculares que se producen en el borde del plasma. En efecto, incluso en el caso de los átomos más sencillos (los de hidrógeno), nuestro conocimiento del proceso cuántico que interviene en la física del plasma presenta lagunas importantes.
Este rico caudal de nueva información se añadirá a la base de datos nucleares ALADDIN del OIEA, y ya ha dado lugar a 68 artículos en revistas arbitradas por homólogos. En mayo de 2017, se publicó en la revista Atoms el informe final del PCI.
