La física nuclear generalmente involucra altas energías, como lo ilustran los experimentos para dominar la fusión nuclear controlada. Uno de los problemas es cómo superar la fuerte repulsión eléctrica entre los núcleos atómicos que requiere altas energías para fusionarlos. Pero la fusión podría iniciarse a una temperatura más bajaenergías con campos electromagnéticos generados, por ejemplo, por láser de electrones libres de última generación que emiten luz de rayos X. Los investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR describen cómo podría hacerse esto en la revista Revisión física C .
Durante la fusión nuclear, dos núcleos atómicos se fusionan en un nuevo núcleo. En el laboratorio, esto puede hacerse mediante aceleradores de partículas, cuando los investigadores usan reacciones de fusión para crear neutrones libres rápidos para otros experimentos. En una escala mucho mayor, la idea es implementarfusión controlada de núcleos de luz para generar energía, con el sol actuando como modelo: su energía es el producto de una serie de reacciones de fusión que tienen lugar en su interior.
Durante muchos años, los científicos han estado trabajando en estrategias para generar energía a partir de la energía de fusión ". Por un lado, estamos viendo una fuente de energía prácticamente ilimitada. Por otro lado, existen todos los obstáculos tecnológicos que queremospara ayudar a superar nuestro trabajo ", dice el profesor Ralf Schützhold, Director del Departamento de Física Teórica en el HZDR, describiendo la motivación de su investigación.
Túneles a un alto nivel, para ser accesibles pronto
Para desencadenar la fusión nuclear, primero tiene que superar la fuerte repulsión eléctrica entre los núcleos atómicos con carga idéntica. Esto generalmente requiere altas energías. Pero hay una forma diferente, explica el coautor del estudio, el Dr. FriedemannQueißer: "Si no hay suficiente energía disponible, la fusión se puede lograr mediante túneles. Ese es un proceso mecánico cuántico. Significa que puede pasar es decir, un túnel a través de la barrera de energía causada por la repulsión nuclear a energías más bajas".
Esto no es una construcción teórica; realmente sucede: las condiciones de temperatura y presión en el núcleo del sol no son suficientes para vencer la barrera de energía directamente y permitir que los núcleos de hidrógeno se fusionen. Sin embargo, la fusión ocurre porque las condiciones imperantes permiten la reacción de fusiónser sostenido gracias a un número suficientemente alto de procesos de tunelización.
En su trabajo actual, los científicos del HZDR están investigando si la fusión controlada podría facilitarse con la ayuda de procesos de túneles que usan radiación. Pero eso también es una cuestión de energía: cuanto menor es, menor es la probabilidad de túnel.ahora, la intensidad de radiación láser convencional era demasiado baja para desencadenar los procesos.
XFEL y haces de electrones para ayudar a las reacciones de fusión
Todo esto podría cambiar en el futuro cercano: con los láseres de electrones libres de rayos X XFEL ya es posible lograr densidades de potencia de 10 ^ 20 vatios por centímetro cuadrado. Esto es el equivalente de aproximadamente mil veces la energía deel sol golpeando la tierra, concentrado en la superficie de una moneda de un centavo. "Ahora estamos avanzando hacia áreas que sugieren la posibilidad de ayudar a estos procesos de tunelización con láser de rayos X", dice Schützhold.
La idea es que el campo eléctrico fuerte que causa la repulsión del núcleo se superpone con un campo electromagnético más débil, pero que cambia rápidamente, que puede producirse con la ayuda de un XFEL. Los investigadores de Dresden investigaron el proceso teóricamente para la fusión del hidrógenoisótopos deuterio y tritio. Actualmente, esta reacción se considera uno de los candidatos más prometedores para futuras plantas de energía de fusión. Los resultados muestran que debería ser posible aumentar la velocidad de tunelización de esta manera; un número suficientemente alto de procesos de túnel podría eventualmentefacilitar una reacción de fusión controlada y exitosa.
Hoy en día, solo un puñado de sistemas láser en todo el mundo con el potencial requerido son los buques insignia de las instalaciones de investigación a gran escala, como las de Japón y los Estados Unidos, y en Alemania, donde el láser más fuerte del mundo en su tipo, elEl XFEL europeo se encuentra en el área de Hamburgo. En el Helmholtz International Beamline for Extreme Fields HIBEF ubicado allí, se planean experimentos con rayos X ultra cortos y extremadamente brillantes únicos. HZDR se encuentra actualmente en proceso de construcciónHIBEF.
El siguiente paso de los físicos de campo fuertes de Dresden es profundizar aún más en la teoría para comprender mejor otras reacciones de fusión y poder evaluar su potencial para ayudar a los procesos de túnel con radiación. Ya se han observado procesos análogos en sistemas de laboratorio,tales como los puntos cuánticos en la física de estado sólido o los condensados de Bose-Einstein, pero en la fusión nuclear la prueba experimental aún está pendiente. Pensando aún más adelante, los autores del estudio creen que otras fuentes de radiación podrían ayudar a los procesos de tunelización. Los primeros resultados teóricos sobreya se han obtenido haces de electrones.
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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