El reactor de fusión láser se acerca al hito de «quemar plasma»
En la cámara de destino de la Instalación Nacional de Ignición, 192 rayos láser se enfocan en pellets de combustible de fusión del tamaño de granos de pimienta.
Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
En octubre de 2010, en un edificio del tamaño de tres campos de fútbol, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore encendieron 192 rayos láser, concentraron su energía en un pulso con el puñetazo de un camión a gran velocidad, y lo dispararon contra una bolita de combustible nuclear del tamaño de un grano de pimienta. Así comenzó una campaña de la National Ignition Facility (NIF) para lograr el objetivo que le da nombre: encender una reacción de fusión que produce más energía de la que el láser aporta.
Una década y casi 3000 disparos después, el NIF sigue generando más efervescencia que explosión, obstaculizado por el comportamiento complejo y poco conocido de los objetivos láser cuando se vaporizan e implosionan. Pero con nuevos diseños de blancos y formas de pulso láser, junto con mejores herramientas para monitorear las explosiones en miniatura, los investigadores del NIF creen que están cerca de un hito intermedio importante conocido como «plasma ardiente»: una quemadura de fusión sostenida por el calor de la reacción en sí en lugar de la entrada de energía láser.
El autocalentamiento es clave para quemar todo el combustible y obtener una ganancia de energía fuera de control. Una vez que el NIF alcanza el umbral, las simulaciones sugieren que tendrá un camino más fácil hacia la ignición, dice Mark Herrmann, quien supervisa el programa de fusión de Livermore. «Estamos presionando todo lo que podemos», dice. «Puedes sentir la aceleración en nuestro entendimiento.»Los forasteros también están impresionados. «Sientes que hay un progreso constante y menos conjeturas», dice Steven Rose, codirector del Centro de Estudios de Fusión Inercial del Imperial College de Londres. «Se están alejando de los diseños tradicionales y probando cosas nuevas.»
El NIF puede no tener el lujo del tiempo, sin embargo. La proporción de disparos de NIF dedicados al esfuerzo de ignición se ha reducido de un máximo de casi el 60% en 2012 a menos del 30% en la actualidad para reservar más disparos para la administración de existencias, experimentos que simulan detonaciones nucleares para ayudar a verificar la fiabilidad de las ojivas. En los últimos años, las solicitudes presupuestarias presidenciales han tratado repetidamente de reducir la investigación sobre la fusión de confinamiento inercial en el NIF y en otros lugares, solo para que el Congreso la preserve. El financiador de NIF, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA, por sus siglas en inglés), está revisando el progreso de la máquina por primera vez en 5 años. Bajo la presión de modernizar el arsenal nuclear, el organismo podría decidir un nuevo cambio hacia la administración de las existencias. «¿Se eliminará el programa de encendido?», pregunta Mike Dunne, quien dirigió los esfuerzos de energía de fusión de Livermore de 2010 a 2014. «El jurado está fuera.»
La fusión se ha mantenido durante mucho tiempo como una fuente de energía libre de carbono, alimentada por isótopos de hidrógeno fácilmente disponibles y que no produce residuos radiactivos de larga vida. Pero sigue siendo un sueño lejano, incluso para los hornos magnéticos de combustión lenta en forma de rosquilla, como el proyecto ITER en Francia, que tiene como objetivo lograr una ganancia de energía en algún momento después de 2035.
El NIF y otros dispositivos de fusión inercial serían menos como un horno y más como un motor de combustión interna, produciendo energía a través de explosiones de fuego rápido de los diminutos pellets de combustible. Mientras que algunos láseres de fusión apuntan sus rayos directamente a los perdigones, los disparos de NIF son indirectos: Los haces calientan una lata de oro del tamaño de una goma de borrar de lápiz llamada hohlraum, que emite un pulso de rayos X destinado a encender la fusión calentando la cápsula de combustible en su centro a decenas de millones de grados y comprimiéndola a miles de millones de atmósferas.
Pero los disparos en los primeros 3 años de la campaña de ignición solo produjeron aproximadamente 1 kilojulio (kJ) de energía cada uno, menos de los 21 kJ bombeados a la cápsula por el pulso de rayos x y mucho menos de los 1,8 megajulios (MJ) en el pulso láser original. Siegfried Glenzer, quien dirigió la campaña inicial, dice que el equipo era «demasiado ambicioso» para alcanzar ignition. «Dependíamos demasiado de las simulaciones», dice Glenzer, ahora en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC.
Después de la campaña de ignición fallida, los investigadores del NIF reforzaron sus instrumentos de diagnóstico. Agregaron más detectores de neutrones para darles una vista en 3D de dónde estaban ocurriendo las reacciones de fusión. También adaptaron cuatro de sus rayos láser para producir pulsos ultracortos de alta potencia momentos después de la implosión con el fin de vaporizar cables delgados cerca del objetivo. Los cables actúan como una bombilla de rayos X, capaz de sondear el combustible a medida que se comprime. «Es como una tomografía computarizada», dice el científico planetario Raymond Jeanloz de la Universidad de California, Berkeley, que utiliza el NIF para replicar las presiones en el núcleo de planetas gigantes como Júpiter. (Aproximadamente el 10% de las inyecciones de NIF se dedican a la ciencia básica.)
Con su visión más nítida, los investigadores han rastreado las fugas de energía de los pellets de combustible que implosionan. Uno llegó al punto en el que un pequeño tubo inyectó combustible en la cápsula antes del disparo. Para tapar la fuga, el equipo hizo el tubo aún más delgado. Otras fugas se remontaron a la carcasa de plástico de la cápsula, por lo que los investigadores renovaron la fabricación para suavizar las imperfecciones de solo una millonésima parte de un metro. El diagnóstico mejorado «realmente ayuda a los científicos a comprender qué mejoras se requieren», dice Mingsheng Wei, del Laboratorio de Energía Láser de la Universidad de Rochester.
Fuego a prueba
La Instalación Nacional de Ignición se ha cerrado en la ignición por fusión, obteniendo más energía de la que entra, alterando sus pulsos láser y objetivos. Está aún más cerca de las temperaturas y presiones necesarias para un objetivo intermedio: un «plasma ardiente autocalentable».»
El equipo también ha jugado con la forma de los pulsos láser de 20 nanosegundos. Los primeros disparos aumentaban lentamente la potencia, para evitar calentar el combustible demasiado rápido y dificultar la compresión. Los pulsos posteriores aumentaron de forma más agresiva para que la cápsula de plástico tuviera menos tiempo para mezclarse con el combustible durante la compresión, una táctica que aumentó un poco los rendimientos.
En la campaña actual, iniciada en 2017, los investigadores están aumentando las temperaturas al aumentar el hohlraum y la cápsula hasta en un 20%, aumentando la energía de rayos X que la cápsula puede absorber. Para aumentar la presión, están extendiendo la duración del pulso y cambiando de cápsulas de plástico a cápsulas de diamante más densas para comprimir el combustible de manera más eficiente.
El NIF ha logrado repetidamente rendimientos cercanos a 60 kJ. Pero Herrmann dice que una toma reciente, discutida en la reunión de la División de Física de Plasma de la Sociedad Física Americana a principios de este mes, ha superado eso. Se planean disparos repetidos para medir cuán cerca llegaron a un plasma en llamas, que se predice que ocurrirá alrededor de 100 kJ. «Es bastante emocionante», dice.
Incluso con la máxima compresión, los investigadores del NIF creen que solo el centro del combustible está lo suficientemente caliente como para fundirse. Pero en un hallazgo alentador, ven evidencia de que el punto caliente está recibiendo un impulso de calentamiento de núcleos de helio en movimiento frenético, o partículas alfa, creadas por las reacciones de fusión. Si el NIF puede bombear solo un poco más de energía, debería provocar una ola que saldrá corriendo del punto caliente, quemando combustible a medida que avanza.
Herrmann dice que el equipo todavía tiene algunos trucos más que probar, cada uno de los cuales podría conducir las temperaturas y presiones a niveles lo suficientemente altos como para sostener la combustión del plasma y la ignición. Están probando diferentes formas de hohlraum para enfocar mejor la energía en la cápsula. Están experimentando con cápsulas de doble pared que podrían atrapar y transferir energía de rayos X de manera más eficiente. Y al sumergir el combustible en una espuma dentro de la cápsula, en lugar de congelarlo como hielo en las paredes de la cápsula, esperan formar un mejor punto caliente central.
¿Será suficiente para alcanzar la ignición? Si estos pasos no son suficientes, la siguiente opción sería aumentar la energía láser. Los investigadores del NIF han probado mejoras en cuatro de las líneas de haz y han logrado obtener un impulso de energía que, si las mejoras se aplicaran a todos los haces, acercaría la instalación completa a 3 MJ.
Esas actualizaciones, por supuesto, tomarían tiempo y dinero, y es posible que NIF no termine recibiendo. Los científicos de fusión del NIF y de otros lugares esperan ansiosamente las conclusiones de la revisión de la NNSA. «¿Hasta dónde podemos llegar?»Pregunta Herrmann. «Soy optimista. Presionaremos a NIF lo más que podamos.»