Electrohydraulic Shock-Induced Plasma Pinch Dynamics and Fast Neutron Generation Using Novel Composite Refractory Electrodes
Este estudio demuestra que los electrodos refractarios compuestos fabricados a partir de matrices de carburo de tungsteno/hidruro de litio-6 (o litio-6 puro) consolidadas hidrostáticamente, cuando se someten a descargas de choque electrohidráulicas en agua pesada, generan condiciones de plasma extremas que superan los 100 GPa y los 35 millones de Kelvin, las cuales producen un rendimiento medible de neutrones de 14.1 MeV y cenizas de helio, exhibiendo tanto las configuraciones de hidruro como las de litio metálico firmas nucleares y térmicas equivalentes.
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En el extremo mundo de la física de altas energías, los investigadores suelen buscar recrear las condiciones que se encuentran en las profundidades de las estrellas o dentro de las armas nucleares, pero a una escala diminuta y controlada. Para lograr esto, deben comprimir la materia de forma tan violenta que esta se convierta en plasma, un estado supercaliente donde los átomos son despojados de sus electrones. Una forma común de lograrlo es enviando una ráfaga masiva de electricidad a través de un líquido, creando una onda de choque que comprime el plasma resultante en un hilo estrecho y brillante. Este proceso, conocido como "pinch" (estrangulamiento), genera un calor y una presión intensos, a veces lo suficientemente altos como para desencadenar reacciones nucleares. El desafío siempre ha sido encontrar materiales que puedan sobrevivir a la explosión inicial de electricidad sin desmoronarse, mientras también contienen los ingredientes específicos necesarios para que ocurran esas reacciones nucleares. Los científicos han luchado durante mucho tiempo por mezclar cerámicas duras y resistentes al calor con elementos ligeros y volátiles como el litio, porque el calor suele causar que se separen o se rompan antes de que el experimento siquiera comience.
Un equipo de investigadores de Ucrania y Estados Unidos ha demostrado ahora una forma de superar estas barreras utilizando un nuevo tipo de electrodo fabricado a partir de una mezcla especializada de carburo de tungsteno y litio. Comenzaron tomando polvos de grado industrial de carburo de tungsteno, un material famoso por su dureza, y mezclándolos con hidruro de litio-6, un compuesto que contiene un isótopo raro de litio. Normalmente, intentar hornear estos dos juntos fallaría porque el compuesto de litio se vaporizaría mucho antes de que el cerámico pudiera fundirse. Sin embargo, el equipo utilizó una prensa hidráulica masiva para comprimir la mezcla bajo una presión de 7,6 gigapascales mientras la calentaba. Esta presión extrema actuó como un escudo, evitando que el litio escapara y forzando a los materiales a fundirse en un bloque sólido y nanoestructurado que era casi perfecto, con casi ningún pequeño hueco en su interior. Crearon dos versiones de estos bloques: uno que contenía el compuesto de hidruro de litio y otro que contenía litio metálico puro, solo para ver si la forma química del litio importaba.
Estos nuevos electrodos fueron colocados luego dentro de una cámara llena de agua pesada y sometidos a una ráfaga repentina de electricidad de alto voltaje de submicrosegundos. Cuando la electricidad golpeó el electrodo, vaporizó instantmente la superficie, creando un canal de plasma que fue inmediatamente comprimido por su propio campo magnético en un hilo diminuto y superdenso. Esta compresión fue tan violenta que generó presiones que excedían los 100 gigapascales, lo cual es más de un millón de veces la presión de la atmósfera terrestre. Dentro de este núcleo diminuto y supercaliente, la temperatura se disparó a aproximadamente 35 millones de grados Kelvin. A estas temperaturas, los átomos fueron despojados de sus electrones, y el plasma se convirtió en una sopa hirviente de partículas cargadas. Los investigadores midieron la luz proveniente de este núcleo y confirmaron que los electrones se movían con suficiente energía como para impulsar reacciones nucleares.
El hallazgo más significativo fue que estas reacciones realmente ocurrieron. Cuando el plasma se formó, produjo una ráfaga de neutrones rápidos, partículas subatómicas que salen disparadas a velocidades increíbles. Al medir el tiempo que estas partículas tardaron en recorrer una corta distancia, el equipo determinó que tenían una energía de aproximadamente 14,1 millones de electronvoltios. Esta firma de energía específica es el sello distintivo de una reacción de fusión entre el deuterio, una forma pesada de hidrógeno que se encuentra en el agua pesada, y el litio-6 dentro del electrodo. El experimento produjo aproximadamente 120.000 de estos neutrones con cada pulso individual. Para confirmar que estos neutrones provenían de una reacción nuclear y no solo de ruido aleatorio, el equipo también analizó el gas que quedó en la cámara después del disparo. Encontraron evidencia clara de helio-3 y helio-4, las "cenizas" específicas o subproductos que deberían quedar después de que el litio y el deuterio se fusionen.
Quizás el resultado más sorprendente fue que la forma química del litio no cambió el resultado. Los investigadores probaron electrodos hechos con el compuesto de hidruro de litio y los compararon directamente con electrodos hechos con litio metálico puro. A pesar de que uno comenzó como un compuesto y el otro como un metal puro, ambos produjeron resultados casi idénticos. Generaron las mismas temperaturas extremas, las mismas presiones aplastantes y el mismo número de neutrones. Los datos mostraron que la diferencia entre los dos materiales era tan pequeña que se perdió dentro de las variaciones naturales del experimento. Esto sugiere que, una vez que la onda de choque extrema golpea, los enlaces químicos iniciales del litio se rompen tan rápido que el plasma se comporta de la misma manera, independientemente de si el litio comenzó como un hidruro o como un metal.
El estudio también reveló que estos nuevos materiales compuestos son increíblemente duraderos. En experimentos previos utilizando materiales de grano grueso estándar, los electrodos a menudo se fragmentaban o agrietaban bajo el estrés térmico de la descarga. En contraste, estos nuevos electrodos nanoestructurados se erosionaron de forma lenta y uniforme, perdiendo solo un micrón de material por disparo. Este desgaste uniforme, en lugar de un agrietamiento violento, demuestra que el material puede soportar el brutal entorno de la generación de plasma de alta energía. Los investigadores concluyeron que, al utilizar la consolidación de alta presión para crear estos únicos compuestos, han logrado construir con éxito un componente que puede sobrevivir a las condiciones extremas necesarias para desencadenar reacciones de fusión nuclear en un entorno líquido. Este trabajo proporciona un camino claro hacia la creación de electrodos más robustos para experimentos de física de altas energías, mostrando que la forma inicial del litio es menos importante que la capacidad del material para sobrevivir al choque inicial y mantener su estructura bajo presión extrema.
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