Nuevos ensayos bajo presiones extremas permitieron precisar cómo se funde el diamante utilizado en cápsulas de combustible para fusión por confinamiento inercial. Los resultados abren la posibilidad de modificar el diseño de las implosiones y elevar significativamente el rendimiento energético con la misma energía láser.
Un nuevo estudio experimental sobre el comportamiento del diamante bajo presiones extremas podría modificar uno de los parámetros utilizados para diseñar experimentos de fusión nuclear por confinamiento inercial. Investigadores del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), en Estados Unidos, lograron observar directamente la fusión del material sometiéndolo a condiciones superiores a las existentes en el interior de los planetas gigantes de hielo.
El avance tiene una aplicación especialmente relevante para el National Ignition Facility (NIF), donde pequeñas cápsulas de diamante sintético contienen combustible de deuterio y tritio que posteriormente es comprimido mediante pulsos láser.
Los nuevos datos muestran que sería posible utilizar un primer choque algo menos intenso y aun así fundir completamente la cápsula. Esa modificación permitiría mantener el combustible en condiciones de mayor compresibilidad durante la implosión y, bajo determinadas condiciones, las proyecciones apuntan a que la ganancia energética podría llegar a triplicarse utilizando la misma energía láser.
No se trata todavía de una demostración de una planta de fusión con tres veces más producción eléctrica. El resultado corresponde a una mejora potencial del rendimiento físico de los experimentos de confinamiento inercial y depende de que puedan controlarse otros fenómenos que degradan la implosión.
Diamante sometido a presiones extremas
El trabajo abordó un problema que se mantenía abierto desde hace cerca de dos décadas: las mediciones experimentales de la temperatura de fusión del diamante diferían aproximadamente un 20% de los cálculos obtenidos mediante simulaciones basadas en mecánica cuántica.
Para resolver la discrepancia, el equipo realizó experimentos de compresión dinámica impulsados por láser en la instalación Omega Laser Facility, perteneciente al Laboratory for Laser Energetics de la Universidad de Rochester.
El procedimiento consistió en vaporizar la capa exterior de pequeñas muestras de diamante. Esa interacción generó una onda de choque que atravesó el material y lo sometió durante una fracción extremadamente breve de tiempo a temperaturas y presiones extraordinarias.
Los estados de alta presión duraron alrededor de una milmillonésima de segundo, lo que obligó a realizar simultáneamente mediciones de estructura atómica, temperatura, densidad y reflectividad óptica.
Las muestras alcanzaron temperaturas superiores a las de la superficie del Sol y presiones mayores que las existentes en el centro de Neptuno y Urano. En términos de presión, las condiciones estudiadas llegaron a aproximadamente tres veces las registradas en el núcleo terrestre.
La principal diferencia respecto de trabajos anteriores fue la capacidad de utilizar difracción de rayos X durante todo el proceso, incluyendo el momento en que el diamante comenzaba a fundirse.
Una discrepancia de más de 1.000 grados
Las nuevas mediciones permitieron ajustar sustancialmente la temperatura de fusión del diamante y alinearla con los modelos teóricos.
Los experimentos anteriores habían sobreestimado esa temperatura en más de 1.000 grados, una diferencia suficientemente grande para afectar la forma en que se diseñan los pulsos utilizados para comprimir cápsulas de combustible.
El estudio también resolvió otra interrogante sobre el comportamiento estructural del carbono.
Investigaciones previas realizadas bajo otros tipos de compresión habían planteado que el diamante podía transformarse primero en una estructura cristalina diferente antes de convertirse en líquido.
Los experimentos más recientes mostraron un comportamiento distinto: bajo un único choque, el material mantuvo la estructura cristalina del diamante hasta alcanzar directamente el estado líquido, sin observarse una fase cristalina intermedia.
La explicación apunta a la velocidad del fenómeno. El material permanece bajo esas condiciones durante tan poco tiempo que los átomos no alcanzarían a reorganizarse antes de que ocurra la fusión.
Este resultado también implica que la respuesta de un material sometido a condiciones extremas no depende únicamente de la presión y la temperatura alcanzadas, sino también de la forma y velocidad con que se aplica la carga.
Por qué el diamante es clave para la fusión
En los experimentos de confinamiento inercial, el combustible de fusión se encuentra dentro de una cápsula microscópica que debe implosionar de manera extremadamente uniforme.
En el NIF, potentes láseres generan ondas de choque que comprimen esa cápsula y elevan el deuterio y el tritio hasta alcanzar las temperaturas y presiones necesarias para desencadenar reacciones de fusión.
El diamante cumple una función crítica durante esa secuencia.
Cuando el primer choque atraviesa la cápsula, el material debe fundirse de manera homogénea. Si quedan irregularidades o diferencias en la superficie durante la implosión, estas pueden amplificarse y reducir la eficiencia con que se comprime el combustible.
Por esa razón, los diseños experimentales han utilizado tradicionalmente un primer choque relativamente fuerte para asegurar la fusión completa del diamante.
Las nuevas mediciones indican que ese margen podría ser mayor de lo considerado hasta ahora.
Más compresión con la misma energía láser
Un choque inicial algo más lento permitiría que el combustible conserve una mayor capacidad de compresión antes de alcanzar las condiciones finales de la implosión.
Ese cambio puede elevar la densidad alcanzada por el combustible y, consecuentemente, aumentar la cantidad de energía liberada durante la reacción.
Las estimaciones realizadas a partir de esta nueva información plantean que el ajuste podría multiplicar por tres la ganancia energética, siempre que otras inestabilidades y mecanismos de pérdida puedan mantenerse bajo control.
La diferencia es relevante porque una de las principales barreras para convertir la fusión por confinamiento inercial en una tecnología energética es precisamente elevar de manera sostenida la relación entre la energía utilizada para producir la reacción y la energía obtenida posteriormente.
El avance tampoco elimina otros desafíos del proceso, como la eficiencia completa de los sistemas láser, la fabricación masiva de blancos de combustible, la frecuencia de disparo necesaria para una central eléctrica y el manejo de componentes sometidos a elevados flujos de neutrones.
Materiales avanzados y una nueva frontera energética
El estudio refleja además el creciente vínculo entre ciencia de materiales, tecnologías de alta presión y desarrollo energético.
El diamante utilizado en este tipo de aplicaciones no responde únicamente a su elevada dureza. Sus propiedades térmicas, mecánicas y estructurales permiten fabricar cápsulas capaces de reaccionar de forma controlada frente a ondas de choque extremadamente intensas.
Comprender con precisión sus transiciones de fase se vuelve por ello una variable de ingeniería directamente relacionada con el rendimiento de los experimentos.
Los resultados también tienen aplicaciones fuera del ámbito energético. Las presiones alcanzadas permiten reproducir parcialmente las condiciones que existirían en el interior de planetas como Neptuno y Urano, donde los modelos científicos plantean la posible formación y precipitación de cristales de carbono en forma de una denominada “lluvia de diamantes”.
Para el sector energético, sin embargo, la aplicación inmediata está en el perfeccionamiento de las futuras campañas experimentales del NIF.
El equipo de Lawrence Livermore planea extender estos estudios hacia condiciones todavía más extremas y analizar el comportamiento del diamante frente a secuencias de múltiples ondas de choque, más próximas al complejo proceso que ocurre durante una implosión real.
La posibilidad de obtener una mayor compresión sin incrementar la energía entregada por los láseres representa una de las rutas que ahora deberá comprobarse experimentalmente. Si el efecto proyectado logra mantenerse durante una implosión completa, el conocimiento preciso de cómo se funde una diminuta cápsula de diamante podría convertirse en una variable relevante para elevar la ganancia energética de la fusión por confinamiento inercial.
