Ignición por fusión láser: Poniendo los avances de la fusión nuclear en perspectiva

Este mes, los medios de comunicación estaban entusiasmados con el anuncio de que la Instalación Nacional de Ignición (NIF) de EE. UU. había logrado un avance significativo en la búsqueda de lograr la fusión nuclear comercial. Específicamente, el anuncio fue que se había medido una ganancia neta de energía de fusión (Q) de alrededor de 1,5: para una entrada de 2,05 MJ, se produjeron 3,15 MJ.

Lo notable de este evento en comparación con la producción de 1,3 MJ del año pasado es que demuestra una rutina de disparo optimizada para los láseres de NIF, y que los cambios en la forma en que se apunta el Hohlraum, que contiene el combustible de deuterio-tritio (DT), dan como resultado un resultado más efectivo. compresión. Dentro de este Hohlraum se producen rayos X que sirven para comprimir el combustible. Con suficiente presión, se puede superar la barrera de Coulomb que generalmente evita que los núcleos se acerquen, y eso es fusión.

Según los resultados preliminares, parecería que un pequeño porcentaje del combustible DT se fusionó. Entonces, la siguiente pregunta: ¿significa esto realmente que estamos más cerca de tener reactores de fusión comerciales que produzcan abundante energía?

Como dice el eterno foque, la fusión nuclear siempre está a una década de distancia, desde su descubrimiento hace cien años. Lo que lamentablemente falta en gran parte de la comunicación cuando se trata de investigación y desarrollo de física fundamental es a menudo una comprensión más profunda de lo que está sucediendo y lo que significan los hallazgos informados. Dado que nos ocupamos de la física fundamental y nos dirigimos audazmente a nuevas áreas de la física del plasma, imanes superconductores de alta temperatura, así como nuevos y emocionantes campos en la investigación de materiales, todo lo que podemos hacer es proporcionar una conjetura sólida.

Con los reactores de fusión Z-pinch de la década de 1950, parecía que los reactores de fusión comerciales estaban a solo unos años de distancia. Basta con pulsar altas corrientes a través del plasma para inducir la fusión, recolectar la energía y, de repente, los muy promocionados reactores de fisión nuclear de la época ya parecían reliquias del pasado. Con números Q inicialmente altos informados para los reactores de fusión Z-pinch, los periódicos publicaron los titulares con la certeza absoluta de que el Reino Unido construiría los primeros reactores de fusión, y el resto del mundo lo seguiría.

Más tarde se descubrió que las mediciones habían fallado y que ni la supuesta ganancia de fusión había sido tan asombrosa como se informó, ni nadie había sido consciente de la gravedad de las inestabilidades del plasma en este tipo de reactor que complicaba su uso. No fue hasta el diseño del tokamak ruso, que agregó un campo electromagnético alrededor del plasma, que pareció que ahora se podía abordar esta dinámica del plasma.

Aunque en ese momento existía una solución alternativa en forma de esteladores, estos requieren una geometría bastante compleja que siga el campo de plasma, en lugar de restringirlo. Esto significó que no se volvieron atractivos hasta la década de 1990, cuando el poder de simulación por computadora fue lo suficientemente bueno para modelar la forma requerida de dicho reactor. Actualmente, el stellerator Wendelstein 7-X (W7-X) es la implementación más grande e interesante de un reactor de este tipo, que recientemente se configuró por completo con desviadores refrigerados que deberían permitirle funcionar de forma continua.

Todo lo cual quiere decir que desde la década de 1950 han sucedido muchas cosas, se probaron muchas teorías, algunas cosas se mantuvieron, mientras que otras fracasaron. Es en este borde tambaleante entre los campos de la física teórica y práctica, así como las ciencias de los materiales y varias disciplinas de la ingeniería, donde la humanidad se está acercando cada vez más a hacer que funcione un reactor de fusión comercial práctico.

El NIF en los Laboratorios Nacionales Lawrence Livermore (LLNL) utiliza fusión por confinamiento inercial (ICF) basada en láser, lo que esencialmente significa que el combustible DT se mantiene en su lugar mientras se explota para lograr la fusión. En esencia, esto no es significativamente más complicado que otros conceptos de reactores de fusión, todos los cuales tienden a usar combustible DT en la siguiente reacción:

Como parte de la fusión de los dos núcleos de hidrógeno, se libera una cantidad significativa de energía, que puede capturarse para crear vapor y accionar un generador. Mientras tanto, se debe eliminar el desperdicio de helio, capturar los neutrones de alta velocidad (rápidos) y reponer el combustible DT. Al comparar esto con las tecnologías de fusión por confinamiento magnético (MCF) como tokamaks y stellerators, queda claro por qué ICF ni siquiera está en la misma liga.

Tanto los tokamaks como los stellerators están diseñados esencialmente como reactores de uso continuo, con un flujo de plasma constantemente mantenido en el que los núcleos de deuterio y tritio se fusionan y los contaminantes se eliminan a través de los desviadores refrigerados. Los neutrones son capturados por una capa de litio que recubre el interior de la vasija del reactor, lo que hace que se genere tritio, lo que permite que este isótopo de hidrógeno de vida corta se reponga constantemente junto con el deuterio.

En última instancia, un tokamak o stellerator se autocalentaría, ya que tienen una Q de más de 15. Esto significa que el reactor puede suministrar la energía necesaria para calentar su plasma, al mismo tiempo que produce suficiente energía para hacer funcionar el generador, o similar. Esto haría que dicho reactor fuera esencialmente autosuficiente, nada de lo cual se aplica a un sistema ICF como el NIF. Requiere la producción de sus gránulos de combustible DT especiales y la inserción de cada gránulo en la cámara de encendido. Esto hace que la operación continua sea bastante engorrosa.

En términos de producción neta de energía, la NIF tampoco se ve muy bien. Mientras que, por ejemplo, el tokamak JET del Reino Unido ha alcanzado un Q de aproximadamente 0,65 (por debajo del punto de equilibrio), cuando se tiene en cuenta la potencia de entrada de aproximadamente 422 MJ para un disparo NIF, los 3,15 MJ producidos son realmente insignificantes.

Durante la era de la Guerra Fría, el presupuesto de investigación y desarrollo para la investigación de la fusión nuclear fue bastante significativo, al menos parcialmente habilitado por el temor persistente de que posiblemente el Otro Lado lograría domar primero esta increíble nueva fuente de energía, también ayudado por los fascinantes conocimientos adquiridos en cómo las armas termonucleares podrían ajustarse y mantenerse de manera más óptima.

Cuando terminó la Guerra Fría y llegó la década de 1990, la investigación de fusión nuclear encontró que su presupuesto de I+D se vació hasta el punto en que la mayor parte se detuvo en seco. En estos días, la investigación de fusión nuclear está funcionando significativamente mejor, con muchas naciones ejecutando programas de investigación MCF. La mayoría de estos son tokamaks, seguidos de stellerators, siendo el ucraniano Uragan-2M y el alemán Wendelstein 7-X ejemplos destacados. El resto son dispositivos ICF, que se utilizan principalmente para la investigación fundamental sobre fusión, no para la producción de energía.

En este contexto, si nos fijamos en los NIF de 3,15 MJ, debe quedar claro que no hemos entrado de repente en la era de los reactores comerciales de fusión nuclear, ni que estamos a las puertas de una. Lo que sí significa, sin embargo, es que esta instalación ICF en particular ha logrado algo notable, a saber, la ignición por fusión limitada. La medida en que esto será útil para acercarnos a los reactores de fusión comerciales debería quedar claro en los próximos años.

Lo que está fuera de toda duda es que poner un precio a la investigación fundamental tiene poco sentido. El objetivo de tal investigación y potencial es, después de todo, aumentar nuestra comprensión del mundo que nos rodea y hacer la vida más fácil para todos en función de esta comprensión mejorada. Teniendo en cuenta la amplia gama de respuestas a estos hallazgos recientes del NIF, surge la pregunta de hasta qué punto se están comunicando al público en general los fundamentos de la investigación de la fusión nuclear.