Encendiendo la fusión

Es a fines de abril y los trabajadores están ensamblando las últimas partes de la Instalación Nacional de Encendido (NIF), un edificio en expansión que cubre el área de tres campos de fútbol en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en Livermore, CA. Vestidos con cascos, redecillas para el cabello, batas de laboratorio y guantes de látex, se han reunido en la cámara objetivo, una esfera de 10 metros de diámetro y erizada con 48 conductos de aluminio bruñido que en conjunto albergan 192 rayos láser separados. Cada rayo por sí solo es uno de los más poderosos del mundo, dice Bruno Van Wonterghem, gerente de operaciones de NIF. Juntos, entregan de 50 a 60 veces la energía de cualquier otro láser.

Los trabajadores se están preparando para instalar una pieza clave del equipo, el sensor de alineación del objetivo, al final de una pluma cónica que se puede extender hacia el centro de la cámara. Los científicos usarán el sensor para colocar un bote de oro del tamaño de un borrador de lápiz en el centro de la esfera y alinearlo con los rayos láser. En una serie de experimentos durante los próximos meses, si todo sale según lo planeado, esos láseres golpearán el bote de oro con un pulso de 3 a 20 nanosegundos de largo, generando un baño de rayos X de alta energía. Estos, a su vez, provocarán la implosión de una pastilla de dos milímetros que contiene isótopos de hidrógeno. Toda esa energía cinética se transforma en calor, dice Van Wonterghem. La pastilla de hidrógeno alcanzará una temperatura de 100 millones de ° C y una densidad 100 veces mayor que la del plomo, suficiente para iniciar una reacción de fusión.

Esta historia fue parte de nuestro número de julio de 2009

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La fusión, en la que los núcleos atómicos se combinan para formar átomos de un nuevo elemento, es la reacción clave que alimenta las bombas nucleares y el sol. (En los experimentos de NIF, los isótopos de hidrógeno se combinan para formar núcleos de helio mientras liberan neutrones y rayos X). También se ha mantenido durante mucho tiempo como una fuente potencial de energía abundante, si tan solo las reacciones pudieran aprovecharse en un entorno controlado. Eso es un desafío, porque un plasma lo suficientemente caliente como para que los núcleos de hidrógeno en él se fusionen es tan caliente que destruiría cualquier material de contención. Los científicos han concebido dos soluciones generales. La primera y más común es confinar el plasma en un poderoso campo electromagnético. Eso es lo que se supone que sucederá en el proyecto ITER multinacional de 14.000 millones de dólares en Francia, que se espera esté operativo en 2018.

NIF toma un rumbo fundamentalmente diferente. Al usar láseres para comprimir el combustible de hidrógeno, imitará el calor y la densidad extremos dentro de una estrella. La reacción de fusión resultante no se controla confinándola electromagnéticamente, sino limitando la cantidad de combustible. NIF producirá una diminuta explosión termonuclear, tan pequeña que se puede estudiar en una cámara de 10 metros. De hecho, la misión principal de NIF es arrojar luz sobre la física de alta temperatura y alta densidad, incluidas las reacciones en las armas nucleares, recreando las condiciones dentro de las estrellas y las bombas.

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Los investigadores debaten qué enfoque será el más útil para generar electricidad; hasta ahora es demasiado pronto para estar seguro. Pero parece probable que NIF sea la primera instalación en alcanzar un hito significativo en la búsqueda de la energía de fusión basada en láser: el encendido de una reacción autosostenida que produce más energía de la que introdujo el láser. Experimentos anteriores y simulaciones por computadora sugieren que los 192 láseres en NIF son lo suficientemente poderosos y precisos como para desencadenar tal reacción en cadena, una que continuará ardiendo hasta que se acabe el combustible de hidrógeno.

Aún quedan enormes desafíos por afrontar antes de que la fusión pueda aprovecharse para generar electricidad. Pero lograr una combustión por fusión controlada será un evento increíble, dice Edward Moses, director asociado principal de Livermore que está a cargo de NIF. Creemos que estamos llegando a una nueva era.

Disparo de láseres
No será fácil encender la fusión. Requiere una instalación que pueda reunir grandes cantidades de energía pero controlarla con tanta precisión que pueda apuntar a objetivos medidos en micrómetros. Eso, dice Ian Hutchinson, profesor de ciencia e ingeniería nucleares en el MIT, será un logro tecnológico increíblemente impresionante.

La misma tarde, cuando los técnicos trabajaron para instalar el sensor de alineación de objetivos, otros comenzaron a reunirse en la sala de control de la instalación, con sus pantallas grandes y grupos de estaciones de trabajo. Se están preparando para un disparo de prueba del láser, menos el perdigón de fusión; como precaución de seguridad, se ha programado para la noche, después de que se hayan limpiado los trabajadores de las bahías láser y la cámara de blancos de la instalación.

Disparar el láser requiere establecer 60.000 puntos de control diferentes. La secuencia de eventos que envía el pulso láser al objetivo es demasiado compleja para el control humano, dice Van Wonterghem, por lo que después de seleccionar la configuración, una red de 1.500 computadoras se hará cargo y llevará a cabo la cuenta regresiva final, con las manos de los investigadores. flotando cerca de los muchos botones de apagado de emergencia dispuestos en toda la habitación.

Si todo funciona, los láseres entregarán un pulso de energía 500 veces mayor que la capacidad máxima de generación de electricidad de los Estados Unidos. El pulso encenderá la explosión termonuclear, creando esencialmente una estrella diminuta.

Encendiendo
Quedarán obstáculos importantes antes de que dicho proceso pueda utilizarse para generar electricidad. Se espera que las reacciones de fusión produzcan de 10 a 20 veces la cantidad de energía entregada por los láseres. Pero esto no tiene en cuenta la energía necesaria para fabricar los láseres en primer lugar: convertir la electricidad en luz láser es un proceso ineficiente. Para compensar la energía desperdiciada y producir suficiente extra para generar electricidad, se requerirían reacciones de fusión que generen aproximadamente 100 veces la energía entregada por los láseres.

Hablando en una oficina abarrotada cerca de NIF, Moses dice que hay al menos dos formas posibles de solucionar este problema. Uno requiere combinar dos pulsos de láser en un proceso llamado encendido rápido. En teoría, esto podría reducir la cantidad de energía láser necesaria para encender una reacción sostenida. Sin embargo, NIF no está configurado actualmente para esto; es un enfoque que adoptarán otros proyectos de fusión láser que se encuentran en construcción y, finalmente, también NIF.

El otro enfoque, dice Moses, es combinar la fusión con la fisión, la reacción utilizada en las centrales nucleares convencionales. Esta opción no ofrece la misma perspectiva de energía casi ilimitada que la fusión sola, pero podría aumentar en órdenes de magnitud la cantidad de energía que se puede extraer del uranio, mejorando en gran medida esta ya abundante fuente de combustible. Al mismo tiempo, podría eliminar la principal objeción a la fisión nuclear al eliminar casi todos los desechos radiactivos de larga duración que normalmente produce. En este momento, solo obtenemos entre la mitad y el 1 por ciento de la energía disponible, dice Moses. Podemos sacar más de 99.

Los investigadores del NIF han desarrollado un plan conceptual detallado para emparejar la fusión y la fisión. La razón por la que los reactores nucleares usan solo una fracción de la energía del uranio es que a medida que los productos de reacción se acumulan, eventualmente interfieren con las reacciones en cadena necesarias para seguir generando energía. La fusión puede suministrar una corriente de neutrones que pueden mantener estas reacciones en marcha, consumiendo casi toda la energía del combustible.

Sin duda, no todo el mundo está de acuerdo en que la energía de fusión basada en láser funcione. Y algunos escépticos cuestionan si NIF en particular puede lograr una fusión autosostenida, diciendo que la instalación no puede producir pulsos de láser de alta energía sin dañar la óptica del láser o perder el enfoque preciso en el objetivo necesario para comprimir el combustible de manera uniforme. Incluso si la instalación logra una fusión sostenida, la producción de electricidad en una planta de energía requeriría láseres que podrían encender una nueva pastilla de combustible de 10 a 15 veces por segundo. Los láseres NIF, que deben enfriarse entre disparos, se pueden disparar como máximo una vez cada dos o cuatro horas. Incluso si NIF tiene el éxito esperado, todavía estarán muy lejos de estar en condiciones de convertir esto en una fuente de energía práctica, dice Hutchinson.

NIF ya ha visto algunos signos de éxito. A principios de este año, los 192 láseres se dispararon a la vez y alcanzaron niveles de energía que serán suficientes para encender la fusión. Aún así, se suponía que los proyectos láser anteriores en Livermore lograrían la ignición por fusión y no lo hicieron. Aunque se ha aprendido mucho desde entonces, no hay garantía de que funcione esta vez. La buena noticia es que los investigadores no tardarán en saberlo: después de una serie de disparos de prueba, esperan tener éxito en los próximos dos años. Esperamos escuchar algunos resultados, dice Hutchinson.

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