El hito de la fusión láser de la Instalación Nacional de Ignición enciende el debate

El 8 de agosto del año pasado, los físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de EE. UU. utilizaron el láser más grande del mundo para llevar a cabo un experimento sin precedentes. Empleando las 192 vigas del $3.5bn Instalación Nacional de Encendido (NIF) para hacer implosionar una cápsula del tamaño de un grano de pimienta que contenía deuterio y tritio, hicieron que los dos isótopos de hidrógeno se fusionaran, generando una reacción de fusión autosostenida durante una fracción de segundo. Con el proceso emitiendo más del 70% de la energía utilizada para alimentar el láser, el hallazgo sugiere que los láseres gigantes aún podrían habilitar una nueva fuente de energía segura, limpia y esencialmente ilimitada.

El resultado puso a los investigadores del laboratorio de Livermore en un estado de ánimo de celebración, después de haber luchado durante más de una década para lograr un progreso significativo. Pero la emoción inicial pronto se desvaneció cuando varios intentos posteriores de reproducir el logro fracasaron, reuniendo en el mejor de los casos solo la mitad de la producción récord. Dado que la gerencia de Livermore decidió probar solo un puñado de experimentos repetidos, el laboratorio suspendió su búsqueda del punto de equilibrio y, en cambio, trató de descubrir qué estaba causando la variación en la producción.

Para los críticos de NIF, la última corrección de rumbo no fue una sorpresa, ya que aparentemente ilustra una vez más la inadecuación de la instalación como banco de pruebas para la producción robusta de energía de fusión. Pero muchos científicos se mantienen optimistas y los propios investigadores del NIF han salido a pelear, y recientemente publicaron el resultado de su disparo sin precedentes en Physical Review Letters (129 075001).. Insisten en que, después de todo, han logrado la "ignición", alcanzando el punto en el que el calentamiento de las reacciones de fusión supera al enfriamiento, creando un ciclo de retroalimentación positiva que aumenta rápidamente la temperatura del plasma.

Omar Hurricane, científico jefe del programa de fusión de Livermore, sostiene que esta definición de ignición basada en la física, en lugar de la simple descripción de "punto de equilibrio energético", es la que realmente cuenta. Al describir el eventual logro del punto de equilibrio como “el próximo evento de relaciones públicas”, dice, sin embargo, que sigue siendo un hito importante que él y sus colegas quieren alcanzar. De hecho, los físicos de más allá del laboratorio de Livermore confían en que el objetivo tan discutido será alcanzado. Steven Rose en el Imperial College en el Reino Unido cree que se logrará el punto de equilibrio "hay todas las perspectivas".

Ganancia récord

Intentar aprovechar la fusión implica calentar un plasma de núcleos ligeros hasta el punto en que esos núcleos superen su repulsión mutua y se combinen para formar un elemento más pesado. El proceso produce nuevas partículas, en el caso del deuterio y el tritio, núcleos de helio (partículas alfa) y neutrones, así como enormes cantidades de energía. Si el plasma se puede mantener a temperaturas y presiones inmensas durante el tiempo suficiente, las partículas alfa deberían proporcionar suficiente calor para sostener las reacciones por sí mismas, mientras que los neutrones pueden interceptarse para impulsar una turbina de vapor.

Los tokamaks de fusión utilizan campos magnéticos para confinar plasmas durante períodos bastante largos. NIF, como un dispositivo de "confinamiento inercial", explota las condiciones extremas creadas por un momento fugaz dentro de una pequeña cantidad de combustible de fusión altamente comprimido antes de que se vuelva a expandir. El combustible se coloca dentro de una cápsula esférica de 2 mm de diámetro, que se encuentra en el centro de un "hohlraum" cilíndrico de metal de aproximadamente 1 cm de largo e implosiona cuando los rayos láser de NIF dirigidos con precisión golpean el interior del hohlraum y generan una inundación de Rayos X.

A diferencia de los tokamaks, NIF no se diseñó principalmente para demostrar energía, sino que sirve como control de los programas informáticos utilizados para simular explosiones de armas nucleares, dado que EE. UU. dejó de realizar pruebas en vivo en 1992. se hizo evidente que los programas utilizados para guiar sus propias operaciones habían subestimado las dificultades involucradas, en particular cuando se trata de inestabilidades de plasma y la creación de implosiones adecuadamente simétricas. Dado que NIF no cumplió con su objetivo inicial de lograr la ignición para 2009, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear de EE. UU., que supervisa el laboratorio, dejó de lado ese objetivo para concentrarse en la tarea que requiere mucho tiempo de comprender mejor la dinámica de la implosión.

A principios de 2021, luego de una serie de modificaciones experimentales, Hurricane y sus colegas finalmente demostraron que podían usar el láser para crear lo que se conoce como plasma ardiente, en el que el calor de las partículas alfa excede el suministro de energía externo. Luego hicieron una serie de ajustes adicionales, incluida la reducción de los orificios de entrada del láser del hohlraum y la reducción de la potencia máxima del láser. El efecto fue desplazar parte de la energía de rayos X hacia una parte posterior del disparo, lo que elevó la potencia transferida al combustible nuclear, empujándolo lo suficientemente alto como para superar las pérdidas por radiación y conducción.

En agosto de 2021, los investigadores del NIF registraron su toma histórica "N210808". El punto caliente en el centro del combustible en este caso tenía una temperatura de alrededor de 125 millones de Kelvin y un rendimiento energético de 1.37 MJ, unas ocho veces más que su mejor resultado anterior, obtenido a principios de año. Este nuevo rendimiento implicó una "ganancia objetivo" de 0.72, en comparación con la salida de 1.97 MJ del láser, y una "ganancia de cápsula" de 5.8 si se considera en cambio la energía absorbida por la cápsula. 

Más importante aún, en lo que respecta a Hurricane, el experimento también satisfizo lo que se conoce como el criterio de Lawson para la ignición. Establecido por primera vez por el ingeniero y físico John Lawson en 1955, estipula las condiciones en las que el autocalentamiento de la fusión superará la energía perdida por conducción y radiación. Hurricane dice que los resultados de NIF cumplieron con nueve formulaciones diferentes del criterio de fusión por confinamiento inercial, demostrando así la ignición "sin ambigüedad".

Tres tiros y estás fuera

Tras el disparo sin precedentes, Hurricane y algunos de sus colegas científicos del NIF estaban ansiosos por replicar su éxito. Pero la dirección del laboratorio no estaba tan entusiasmada. De acuerdo a marca herrmann, entonces subdirector de física de armas fundamentales de Livermore, se establecieron varios grupos de trabajo a raíz de N210808 para evaluar los próximos pasos. Él dice que un equipo de gestión compuesto por alrededor de 10 expertos en confinamiento inercial reunió esos hallazgos y elaboró ​​​​un plan, que presentó en septiembre.

Herrmann dice que el plan contenía tres partes: intentar reproducir N210808; analizar las condiciones experimentales que permitieron el disparo récord; y tratando de obtener “rendimientos robustos en megajulios”. La discusión del primer punto involucró lo que Herrmann describe como “una gran variedad de opiniones” entre los aproximadamente 100 científicos que trabajan en el programa de fusión. Al final, dados los "recursos limitados" y una cantidad limitada de objetivos en el lote que contiene N210808, dice que el equipo de administración se decidió por solo tres disparos adicionales.

Hurricane tiene un recuerdo ligeramente diferente, diciendo que hubo cuatro repeticiones. Esos experimentos, dice, se llevaron a cabo durante un período de aproximadamente tres meses y lograron rendimientos que oscilaron entre menos de una quinta parte y alrededor de la mitad de los alcanzados en agosto. Pero sostiene que estos disparos eran todavía “experimentos muy buenos”, y agrega que también satisfacían algunas formulaciones del criterio de Lawson. La diferencia en el desempeño, dice, "no es tan binaria como la gente ha estado retratando".

El proceso de recubrimiento con plasma es una receta, por lo que, al igual que hornear pan, no sale exactamente igual cada vez.

Huracán Omar

En cuanto a la causa de esta enorme variación en la producción, Herrmann dice que la hipótesis principal son los vacíos y las hendiduras en las cápsulas de combustible, que están hechas de diamante industrial. Explica que estas imperfecciones pueden amplificarse durante el proceso de implosión, lo que hace que el diamante entre en el punto caliente. Dado que el carbono tiene un número atómico más alto que el deuterio o el tritio, puede radiar de manera mucho más eficiente, lo que enfría el punto caliente y reduce el rendimiento. 

Hurricane está de acuerdo en que el diamante probablemente juega un papel importante en la variación del rendimiento de un disparo a otro. Al señalar que se esperan grandes variaciones en la producción dada la no linealidad de las implosiones de NIF, dice que los científicos involucrados no comprenden completamente el proceso de recubrimiento de plasma utilizado durante la fabricación de las cápsulas. “Es una receta”, dice, “al igual que hornear pan, no sale exactamente igual cada vez”.

El camino hacia la energía de fusión

Hurricane dice que el equipo ahora está investigando varias formas de aumentar la producción de NIF además de mejorar la calidad de la cápsula. Estos incluyen alterar el grosor de la cápsula, cambiar el tamaño o la geometría del hohlraum, o posiblemente aumentar la energía del pulso láser a alrededor de 2.1 MJ para reducir la precisión requerida para el objetivo. Él dice que "no hay un número mágico" cuando se trata de la ganancia objetivo, pero agrega que cuanto mayor sea la ganancia, mayor será el espacio de parámetros que se puede explorar al realizar la administración de las reservas. También señala que una ganancia de 1 no significa que la instalación esté generando energía neta, dada la poca energía eléctrica entrante que el láser convierte en luz sobre el objetivo; en el caso de NIF, menos del 1 %.

El largo camino hacia la ignición

Michael Campbell de la Universidad de Rochester en los EE. UU. considera que NIF podría lograr una ganancia de al menos 1 "en los próximos 2 a 5 años", dadas las mejoras adecuadas en el hohlraum y el objetivo. Pero argumenta que llegar a ganancias comercialmente relevantes de 50 a 100 probablemente requeriría un cambio del "impulso indirecto" de NIF, que genera rayos X para comprimir el objetivo, al "impulso directo" potencialmente más eficiente pero más complicado que se basa en la propia radiación láser.

A pesar de los varios miles de millones de dólares que probablemente se necesitarán, Campbell es optimista de que una instalación de transmisión directa adecuada pueda demostrar tales ganancias para fines de la década de 2030, particularmente, dice, si el sector privado está involucrado. Pero advierte que las centrales eléctricas comerciales probablemente no comenzarán a operar hasta al menos mediados de siglo. "La energía de fusión es a largo plazo", dice, "creo que la gente tiene que ser realista sobre los desafíos".