La fusión de iones pesados es un concepto de energía de fusión que utiliza una corriente de iones de alta energía de un acelerador de partículas para calentar y comprimir rápidamente una pequeña pastilla de combustible de fusión. Es una subclase del enfoque más amplio de fusión por confinamiento inercial (ICF), que reemplaza los sistemas láser más típicos con un acelerador.
Los aceleradores tienen el potencial de ser mucho más eficientes en términos de entregar energía a la pastilla de combustible; Los "controladores" típicos basados en láser tienen una eficiencia general del orden del 1%, mientras que los sistemas de iones pesados apuntan al 30% o más. Además, pueden producir pulsos de energía muchas veces por segundo, mientras que los sistemas láser de alta energía existentes requieren largos períodos de enfriamiento entre "disparos". Estas ventajas serían útiles en un entorno comercial, ya que reducirían considerablemente el costo de operación y algo reducirían el costo de construcción de la planta en comparación con un sistema láser.
El concepto básico se había sugerido en ocasiones antes de 1970, utilizando electrones o protones. Los límites fundamentales del enfoque del haz mediante electrones y las distancias de parada de los protones llevaron a la idea de utilizar iones pesados, cuya mayor masa les permite permanecer más centrados y detenerse más rápidamente. Una importante reunión celebrada en 1976 condujo a la rápida adopción del concepto hasta finales de los años setenta y principios de los ochenta. A finales de la década de 1970, la fusión de iones pesados (HIF) se describió como "el enfoque conservador" para un reactor de fusión en funcionamiento. El trabajo adicional culminó con el diseño de HYLIFE-II, preparado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) a principios de los años 1990.
Desde entonces, a pesar del continuo interés, no se ha construido ningún dispositivo experimental a gran escala que utilice este enfoque. Tiene el inconveniente de que los aceleradores con las energías necesarias sólo pueden construirse en un tamaño grande, del orden de kilómetros, lo que dificulta las pruebas con sistemas de bajo coste. Por el contrario, incluso los láseres pequeños pueden alcanzar las condiciones deseadas, por lo que siguen siendo el foco del enfoque ICF.
La fusión tiene lugar cuando los átomos se acercan y la fuerza nuclear los junta para formar un único núcleo más grande . Este proceso se contrarresta con la carga positiva de los núcleos, que se repelen entre sí debido a la fuerza electrostática . Para que se produzca la fusión, los núcleos deben tener suficiente energía para superar esta barrera de Coulomb . La barrera se reduce para los átomos con menos carga positiva, los que tienen menos protones . La fuerza nuclear aumenta con nucleones adicionales, el número total de protones y neutrones . Esto significa que una combinación de deuterio y tritio tiene la barrera de Coulomb más baja, aproximadamente 100 keV (ver requisitos para la fusión ), ya que contienen un solo protón y uno o dos neutrones. [1]
Cuando el combustible se calienta a altas energías, los electrones se separan de los núcleos, dejando iones y electrones individuales mezclados en un plasma similar a un gas . Las partículas de un gas se distribuyen en una amplia gama de energías conocida como distribución de Maxwell-Boltzmann . A cualquier temperatura dada, la mayoría de las partículas tienen energías más bajas, con una " cola larga " que contiene un número menor de partículas con energías mucho más altas. Así, si bien el umbral de 100 keV representa una temperatura de más de mil millones de grados, para producir eventos de fusión no es necesario calentar el combustible a esta temperatura en su conjunto; Algunas reacciones ocurrirán a temperaturas globales más bajas debido a la pequeña cantidad de partículas de alta energía en la mezcla. [1]
Las reacciones de fusión desprenden grandes cantidades de energía y parte de esa energía se depositará nuevamente en el combustible, calentándolo. Existe una temperatura crítica a la cual la velocidad de las reacciones y, por tanto, la energía depositada en el combustible, equilibran las pérdidas al medio ambiente a través de las partículas que se escapan y la radiación. En este punto la reacción se vuelve autosostenida, punto conocido como ignición . En el caso del combustible DT, el autocalentamiento se produce primariamente mediante partículas alfa y la temperatura correspondiente se sitúa entre 50 y 100 millones de grados. La tasa general de fusión depende de la combinación de temperatura, densidad y tiempo de confinamiento de energía, conocido como triple producto de fusión . [1]
Se han desarrollado dos enfoques principales para el problema de la energía de fusión . El enfoque más estudiado es el confinamiento magnético . Dado que el plasma está cargado eléctricamente, seguirá líneas de fuerza magnéticas y una disposición adecuada de los campos puede mantener el combustible alejado de las paredes del contenedor. Luego, el combustible se calienta durante un período prolongado. A las densidades posibles utilizando imanes, el proceso de fusión es bastante lento, por lo que este enfoque requiere largos tiempos de confinamiento del orden de decenas de segundos. Confinar un gas a millones de grados durante este tipo de escala de tiempo ha resultado difícil, aunque las máquinas experimentales modernas se están acercando a las condiciones necesarias para la producción neta de energía, o punto de equilibrio . [1]
El segundo enfoque importante es el confinamiento inercial . Los alfa de las reacciones de fusión recorren una distancia que depende de la densidad del combustible. En las bajas densidades de un reactor magnético, a menudo descritas como "un buen vacío", esto puede ser del orden de muchos metros, [a] pero en densidades muy altas esto se reduce considerablemente, hasta micras . El enfoque inercial aprovecha este efecto comprimiendo el combustible a una densidad extremadamente alta, momento en el cual una pequeña gota de combustible del orden de miligramos será suficiente para permitir la ignición. Además, el colapso provoca que la temperatura del combustible aumente mediante el proceso adiabático , proporcionando dos de las tres entradas del triple producto. [1]
No se intenta mantener estas condiciones durante un período de tiempo significativo; el combustible explota poco después de que finaliza el impulso del conductor, frenado únicamente por la inercia de las partículas. El tiempo de confinamiento es del orden de microsegundos, por lo que las temperaturas y la densidad tienen que ser muy altas para que se fusione una cantidad apreciable de combustible. Este enfoque ha tenido éxito en producir reacciones de fusión, pero hasta la fecha, los dispositivos que pueden proporcionar la compresión, normalmente láseres , requieren mucha más energía de la que producen las reacciones. [1]
Hay dos efectos separados en el proceso ICF, uno es comprimir el combustible para que los alfa queden capturados en su interior y el segundo es calentar el combustible a las temperaturas necesarias para que comiencen las reacciones. Para capturar eficientemente los alfa, se desea una densidad de aproximadamente 1000 veces la del agua, [b] lo que requiere una energía del haz de aproximadamente 10 7 julios por gramo (J/g) de masa objetivo. Por el contrario, calentar el combustible hasta temperaturas de fusión requiere alrededor de 10 9 J/g. Por esta razón, se ha buscado la manera de calentar el combustible por separado; La solución típica es moldear el suministro de energía para crear un breve período de mayor energía, creando una onda de choque que viaja hacia el combustible que se comprime. Esto se conoce como "ignición de punto caliente". [2]
La mayoría de los sistemas ICF hasta la fecha han utilizado láseres como "controlador". En el caso simple en el que el láser apunta directamente al objetivo de combustible, conocido como "impulsión directa", el calor creado por el láser hace que la capa exterior de la cápsula de plástico explote hacia afuera. Debido a la Tercera Ley de Newton , esto hace que el interior de la cápsula sea impulsado hacia adentro. El accionamiento directo impone límites muy estrictos al enfoque y al tiempo de entrega y es difícil de alcanzar. Por esta razón, la mayoría de los dispositivos ICF de gran tamaño utilizan el proceso de "impulsión indirecta", en el que el conductor calienta un cilindro metálico conocido como "hohlraum" a tal temperatura que comienza a liberar rayos X , que a su vez brillan sobre una cápsula suspendida en su interior. . Esto permite que el proceso de calentamiento se lleve a cabo durante un período más largo y reduce la necesidad de enfocar con tanta precisión, pero tiene la desventaja de que gran parte de la energía del haz original se utiliza para calentar el cilindro y no contribuye a la implosión. [3]
Entregar un pulso con los niveles de energía y el tiempo requeridos es un desafío importante. Hasta ahora, las necesidades energéticas se cumplían normalmente con complejos láseres de vidrio de fosfato dopados con neodimio , que tienen una eficiencia global de alrededor del 1%. Los sistemas ópticos necesarios para enfocar y controlar el haz eliminan un 50% adicional de la energía y, en el caso del accionamiento indirecto, se pierden cantidades significativas de lo que queda al calentar el cilindro metálico. Para la Instalación Nacional de Ignición , el sistema ICF más grande y potente hasta la fecha, sólo alrededor de 10 a 14 kJ de los 4 MJ originales de la energía láser original alcanzan el objetivo, [4] lo que requirió 422 MJ de energía eléctrica para generarse.
Para que las reacciones de fusión produzcan suficiente energía para igualar la energía original del láser, tendrá que producir al menos 4 MJ y, por razones prácticas, al menos tres veces más, lo que implica la relación entre la energía del láser de entrada y la energía de salida de la fusión. la energía, [c] o ganancia , tiene que ser del orden de cientos o miles. Hasta la fecha, el récord del NIF es de 1,3 MJ de fusión a partir de 2 MJ de salida de láser, [5] de 422 MJ de electricidad, por lo que es extremadamente improbable que el enfoque actual pueda usarse alguna vez para la producción de energía. [6]
En 1963, Friedwardt Winterberg introdujo el concepto de encender la fusión utilizando pequeños grupos de partículas que han sido aceleradas a unos 200 km/s, un concepto que ahora se conoce como fusión por impacto de cúmulos . Este concepto no es similar al ICF moderno, ya que las partículas aceleradas están destinadas a fusionarse directamente y no se utilizan únicamente como controlador como en el concepto ICF. La publicación de varios artículos relacionados con ICF a finales de la década de 1960 llevó a Winterberg a publicar un artículo de 1968 que describe el uso de electrones o iones acelerados en lugar de sistemas láser en una disposición ICF. [7]
Al Maschke, que trabaja en el Sincrotrón de gradiente alterno (AGS) del Laboratorio Nacional de Brookhaven , sugirió el uso de un sincrotrón de protones, como el AGS, como base para un controlador ICF. Esto podría entregar la energía deseada con actualizaciones relativamente menores. Sin embargo, estudios posteriores demostraron un problema con este enfoque; el haz divergiría excesivamente debido a la repulsión de carga similar y sería difícil conseguir la intensidad necesaria para la ICF. [d] Además, los protones se detendrían dentro del objetivo de combustible a diferentes profundidades, lo que dificultaría el control de la dinámica de implosión. [3] [8] Ambos problemas llevaron a Maschke a sugerir, alrededor de 1975, el cambio de protones a iones más pesados, como cesio, xenón, mercurio o plomo. [9] [8] A principios de 1976, Dennis Keefe propuso que el acelerador de inducción lineal funcionaría para este propósito. [10]
Un evento significativo en la historia del HIF fue una reunión de dos semanas de duración en julio de 1976 en el Hotel Claremont en Berkeley, California, donde las ideas de Maschke fueron estudiadas por alrededor de cincuenta participantes de los principales laboratorios y universidades de aceleradores de partículas y fusión. Su informe sobre la reunión demostró que no había problemas de alerta y que el potencial de ese concepto sugería un estudio más detallado. [11] Esto dio lugar a varios estudios de seguimiento, en Brookhaven en 1977, Argonne en 1978 y Oakland en 1979, [3] [e] todos con resultados prometedores similares. En una revisión de mayo de 1979 de todo el campo ICF, John S. Foster Jr. concluyó que HIF era la mejor apuesta para un reactor de fusión ICF "si se quería adoptar un enfoque conservador". [12]
Después de más discusiones, en 1983 finalmente se convenció al Departamento de Energía de que proporcionara algunos fondos para formar una organización oficial que gestionara estos esfuerzos, el programa de Investigación del Acelerador de Fusión de Iones Pesados, o HIFAR. Durante la siguiente década, el grupo HIFAR de Lawrence Berkeley, junto con grupos similares de Lawrence Livermore y otros lugares, continuaron estudiando el concepto básico. Los estudios continuaron durante la siguiente década, lo que dio como resultado dos diseños de centrales eléctricas completos propuestos, HYLIFE y HYLIFE-II. [13]
Durante este mismo período, el enfoque clásico de la LIC basado en láser sufrió una serie de reveses importantes. Gran parte del rendimiento previsto de estos diseños se basó en simulaciones por computadora utilizando programas como LASNEX . Las primeras simulaciones sugirieron que se podía esperar cierta ganancia de fusión incluso con energías de haz relativamente bajas, del orden de 10 kJ, pero cuando esta predicción se puso a prueba en el sistema Shiva , una serie de problemas imprevistos redujeron drásticamente el rendimiento en un factor de aproximadamente 10.000. Las actualizaciones de LASNEX sugirieron que un sistema más grande con varios cientos de kJ de potencia sería suficiente, pero el sistema Nova resultante construido a esta escala demostró otro conjunto de problemas importantes y una vez más no cumplió con las predicciones. [14]
Los experimentos que utilizaron armas nucleares como conductor en lugar del láser, parte de Halite/Centurion, sugirieron que se necesitaban energías dramáticamente más altas, tal vez hasta 100 MJ, mucho más allá de las capacidades de cualquier sistema láser. Incluso en el mejor de los casos, con varios avances en la configuración del objetivo y la sincronización del pulso de energía, se necesitarían al menos 2 MJ. [14] Esto requeriría alrededor de 200 MJ de electricidad para alimentar los láseres, por lo que se necesitarían ganancias de fusión del orden de Q = 100 para que la energía se equilibre, incluso ignorando todos los mecanismos de pérdida. [15]
Esta serie de acontecimientos llevó a un renovado interés en el HIF. Debido a que la eficiencia del conductor era mucho mayor, la ganancia requerida era correspondientemente menor, del orden de Q =10. Una ganancia más baja significaba una dinámica de implosión mucho menos exigente, así como explosiones menos poderosas que podrían contenerse en un dispositivo más pequeño. Desde finales de la década de 1990, los laboratorios de todo el mundo siguen generando un flujo bastante continuo de artículos sobre el tema y se han llevado a cabo algunos experimentos a pequeña escala con aceleradores adecuados. [16] [17]
Un problema práctico del enfoque HIF es el hecho de que para entregar la energía y el tiempo correctos, el acelerador tiene que ser grande. Se desearía que la mayoría de los iones se detuvieran aproximadamente en el mismo lugar del objetivo para producir un efecto simétrico. Para ello, la energía de los iones debe ser bastante precisa. En el caso de un tipo de ion comúnmente utilizado, el plomo, esa energía es de aproximadamente 8 GeV para que los iones se detengan a una distancia promedio de 1 mm y al mismo tiempo entreguen suficiente energía al objetivo. Un acelerador capaz de proporcionar iones de plomo con este nivel de energía no es pequeño ni barato, incluso para cantidades bajas de iones, lo que dificulta su producción en un dispositivo a pequeña escala.
Por el contrario, los láseres con el rendimiento requerido se pueden construir prácticamente a cualquier escala. [15] Esta es la razón principal por la que el HIF no se ha desarrollado; la máquina más pequeña posible sigue siendo bastante grande y cara. Para fines de desarrollo, los láseres serían más simples y menos costosos y, en última instancia, funcionarían de manera similar en términos de física de implosión. Dicho esto, a medida que avanzaba el programa láser ICF, se demostró que se necesitan controladores cada vez mayores, hasta culminar en el NIF que, con un coste de unos 4.000 millones de dólares y el tamaño de dos campos de fútbol, no es ni pequeño ni barato. [F]
En 2003, el DOE decidió centrar todos los esfuerzos del ICF en el programa NIF, ya que muchos proyectos posteriores al NIF se basarían en sus resultados. Los planes para varios conceptos de prueba más pequeños para el programa HIF terminaron en gran medida en ese momento. [15]
La energía necesaria para comprimir un objetivo ICF a la densidad requerida es aproximadamente 10 7 J/g, por lo que para pequeñas cantidades de combustible del orden de 1 mg el requerimiento de energía es aproximadamente 10 kJ. Sin embargo, se requiere energía adicional para calentar el combustible hasta las temperaturas de fusión; la compresión por sí sola no será suficiente hasta aproximadamente 10 9 J/g. Esto conduce a una variedad de mecanismos para reducir este requisito a aproximadamente 10 8 J/g, [g] [18] y, por lo tanto, aproximadamente 100 kJ en total para 1 mg de combustible. Una variedad de mecanismos de pérdida durante la compresión pierden alrededor del 90% de esa energía y, por lo tanto, los conductores deben ser del orden de 1 MJ. [8] [h]
En la década de 1970, cuando se consideró por primera vez el concepto, los aceleradores más potentes, que normalmente utilizaban electrones o protones, aceleraban pequeñas cantidades de partículas hasta alcanzar altas energías. Los que podían alcanzar 1 MJ generalmente lo hacían con protones con energías en torno a los 20 GeV. Estas partículas altamente relativistas atraviesan objetos pequeños sin disminuir la velocidad, lo que las hace inadecuadas para ICF. Lo ideal sería que un conductor quisiera utilizar cantidades mucho mayores de partículas de menor energía que se detuvieran más rápidamente. Con energías no relativistas, inferiores a 20 MeV, tienen una probabilidad razonable de detenerse en un objeto pequeño. Con estas energías, el número de partículas, o "luminosidad", necesarias para entregar la energía necesaria está mucho más allá de cualquier tecnología existente. [8]
Pasar a partículas más pesadas tiene alguna ventaja en términos de reducir la velocidad, ya que energía = 1/2 mv 2 , pero la masa es lineal con la energía mientras que la velocidad es un cuadrado, por lo que la reducción de la velocidad no es grande. La ventaja clave es la forma en que las partículas se ralentizan dentro de un objetivo. A medida que pasan los átomos en el objetivo, su carga eléctrica ioniza los átomos objetivo, y son estas interacciones las que ralentizan la partícula en un proceso de dispersión conocido como colisión de Coulomb . Un efecto curioso en la colisión de Coulomb es el pico de Bragg, causado por la desaceleración del ion cerca del final de su trayectoria. Este efecto significa que cuando se inyectan iones en una sustancia, la mayoría de ellos se depositarán a una distancia bien definida. Para cualquier distancia de parada seleccionada y energía de partícula elegida, un ion pesado se detendrá en una distancia aproximadamente tres órdenes de magnitud más corta que un protón, lo que hace que el sistema sea mucho más fácil de organizar. [8] [19]
Como es el caso del ICF impulsado por láser, el HIF se puede construir utilizando los conceptos de accionamiento directo o indirecto, [19] y las razones principales para utilizar uno u otro son las mismas; La transmisión directa requiere una precisión del haz mucho mayor por parte del conductor, pero entrega alrededor del 15% de la energía del conductor al combustible, mientras que la transmisión indirecta es menos crítica con la colocación y sincronización del haz y entrega solo alrededor del 5% de la energía al combustible. objetivo. [18]
En el caso del accionamiento indirecto, el sistema es casi idéntico al de los sistemas accionados por láser; las diferencias residen principalmente en el diseño hohlraum. En los dispositivos láser, los hohlraum tienen forma de cilindros abiertos y los rayos láser brillan a través de los extremos y hacia las paredes interiores. En el caso de un conductor de iones, la distancia de frenado haría que los rayos X quedaran atrapados dentro de las paredes del hohlraum. En cambio, el hohlraum tiene la forma de una cáscara delgada, típicamente ovoide, con pequeñas placas de metal suspendidas en su interior. La pared del hohlraum es lo suficientemente delgada como para ser invisible para los rayos, que en cambio golpean las placas más gruesas, calentándose hasta que comienzan a emitir rayos X que llenan el caparazón. Los rayos X hacen que la cápsula de combustible colapse exactamente de la misma manera que la carcasa del láser. Sin embargo, en este caso el controlador HIF tiene una ventaja, ya que puede oscilar rápidamente a altas frecuencias, lo que permite mover los haces dentro del hohlraum para igualar el calentamiento. En los dispositivos láser se ha demostrado que la formación de puntos calientes en las paredes del hohlraum es un problema que se podría evitar. [19]
Debido a que la distancia de parada de los iones es del orden de 1 mm, los objetivos del HIF de accionamiento directo son generalmente más grandes y mucho más gruesos que los de los sistemas láser. Un diseño típico tiene aproximadamente 4 mm de radio, con una capa exterior de plomo u oro, un empujador hecho de un metal más ligero como el aluminio y luego una fina capa de combustible DT congelado en la capa interior del aluminio. El núcleo interior, de unos 2,8 mm, está vacío. Un diseño de este tipo, con mayor densidad en el exterior y más ligero en el interior, es una fórmula para la inestabilidad de Rayleigh-Taylor (RT), por lo que los objetivos y la iluminación deben ser extremadamente uniformes. Las consideraciones de iluminación sugieren que se requieren de 16 a 32 haces. Algunos diseños de cápsulas agregan una fina capa de espuma para amortiguar la compresión y reducir la RT. [20]
Un problema importante en los primeros sistemas ICF era que los pulsos láser eran aproximadamente uniformes en el tiempo. Se descubrió que esta energía se depositaba más rápidamente de lo que podía ser absorbida por la cápsula, lo que hacía que el combustible se calentara en lugar de simplemente empujarse. Esto llevó al concepto moderno del "pie", un período inicial de mucha menor energía que inicia el proceso de impulso evitando el precalentamiento, y luego el "pulso principal" que sigue cerca del final del proceso que impulsa el máximo final. -etapa de compresión. Debido a la masa de la capa de empuje, todo el proceso es más lento que en los sistemas láser, y el pulso en su conjunto dura aproximadamente 35 ns, en comparación con quizás 1 ⁄ 3 de los pulsos láser. [20]
Hay dos conceptos de diseño principales para los sistemas de conducción: los equipos estadounidenses se concentran en aceleradores de inducción y los equipos europeos y japoneses en aceleradores de radiofrecuencia. [21]
Los aceleradores de RF constan de un tubo con espacios periódicos, cada uno de ellos encerrado en una cavidad resonante. Cuando se aplica una señal de radiofrecuencia a través del espacio, cada una comienza a resonar en una frecuencia elegida. Esto produce una fuerza eléctrica a través del espacio que acelera los iones a lo largo de la tubería. La señal se cronometra para que alcance un pico a medida que pasa un grupo de iones. Esto significa que sólo puede acelerar pulsos cortos de iones y, por lo tanto, requiere alguna forma de volver a combinar los pulsos. [21]
Los aceleradores de inducción constan de una serie de solenoides espaciados a lo largo de la línea de luz. Cada uno recibe energía a medida que los iones lo pasan, acelerándolos. Esto tiene la ventaja de permitir que los aceleradores se enrollen alrededor de múltiples líneas de luz, acelerándolas todas al mismo tiempo. [21]
En cualquier caso, la necesidad de una potencia de haz muy grande en pulsos muy cortos, junto con la necesidad de enfocar esos haces hasta aproximadamente 3 mm, exige una serie de nuevos factores de diseño. [21] Para cumplir con el requisito de enfoque, la fuente de iones inicial debe tener una emitancia , dispersión de los iones en el espacio y velocidad muy bajas. Esto es esencialmente una medida de su movimiento aleatorio cuando se crean, que es función de su temperatura. Para proporcionar la emitancia deseada, es necesario desarrollar nuevos inyectores de baja temperatura. [21]
La carga eléctrica positiva del ion los aleja unos de otros con el tiempo, lo que lleva al concepto de límite de carga espacial , el número máximo de iones en un volumen determinado que pueden permanecer enfocados. Este valor está muy por debajo de los requisitos para producir un pulso que comprima el objetivo. Los diseños estadounidenses abordan este problema al tener una gran cantidad de líneas de rayos paralelas que se combinan justo cuando se acercan a la cámara objetivo. Los diseños europeos favorecen el uso de anillos de almacenamiento para esta función. En ambos casos, un pulso largo inicial de iones se reduce en longitud para producir un pulso cada vez más corto. Por ejemplo, en un diseño estadounidense, el pulso inicial tiene una duración de 27 μs y se somete a compresión repetida hasta que dura solo 10 ns. [21]
En cualquier versión, los diseños resultantes son muy largos. Las ilustraciones estadounidenses generalmente utilizan una línea de luz plegada que tiene forma de U, con una longitud total del orden de 1 kilómetro (0,62 millas). [22] Ésta es la principal desventaja del enfoque HIF; Aunque es posible construir un acelerador con menos corriente de haz para fines de prueba, los iones individuales aún requieren la misma energía y, por lo tanto, el acelerador tendrá un tamaño similar al de una versión de mayor corriente para un reactor de producción.
Existen importantes ventajas prácticas en el uso de iones sobre láseres. Para empezar, los láseres que pueden alcanzar los niveles de energía deseados son extremadamente ineficientes: del orden del 1% de la electricidad que se les suministra termina en forma de fotones en el haz. Por el contrario, los controladores HIF ponen quizás entre el 30 y el 40% de la energía de entrada en el haz. [19] Esto facilita significativamente el cumplimiento requerido de los objetivos si el objetivo es producir producción neta de energía; un láser de 4 MJ requiere aproximadamente 400 MJ de energía eléctrica, y considerando que un generador de ciclo Rankine moderno tiene aproximadamente un 40% de eficiencia, la salida de la cápsula debe ser de al menos aproximadamente 1 GJ para recargar el láser. Por el contrario, la misma energía del haz de 4 MJ podría producirse mediante un controlador HIF de 10 MJ, lo que requeriría alrededor de 40 MJ de salida de fusión, un objetivo dramáticamente más simple. Teniendo en cuenta las pérdidas adicionales en el proceso, los dispositivos HIF generalmente apuntan a una ganancia del orden de 50 a 70. [19]
Otra ventaja importante del diseño HIF es su capacidad para disparar rápidamente y en sucesión. Los sistemas de vidrio utilizados en los láseres se calientan con el paso del haz, lo que hace que se hinchen y se desenfoquen, por lo que necesitan un tiempo para enfriarse antes de poder volver a utilizarse. En la práctica, esto limita los dispositivos como NIF a quizás unos pocos "disparos" por día, y si bien esto puede aumentar mediante el uso de sistemas de enfriamiento avanzados, estos podrían reducir los tiempos de disparo a minutos o quizás decenas de segundos. Por el contrario, los HIF no tienen componentes de control de haz o enfoque en línea, todo eso es manejado por imanes que rodean las líneas de haz. Esto les permite disparar continuamente, y parecen posibles velocidades de 10 a 15 disparos por segundo. [19] Esta es una enorme ventaja en el caso de una planta operativa donde el tiempo de disparo debe ser lo suficientemente rápido para que la producción parezca relativamente continua. [19]
La capacidad de controlar el haz eléctricamente ofrece importantes ventajas operativas. La dirección del haz a pequeña escala, o "bamboleo", es útil durante el pulso para suavizar la energía. En un marco de tiempo más largo, el movimiento continuo del dispositivo debido a eventos sísmicos y hundimientos debe tenerse en cuenta a lo largo de las largas distancias de recorrido de las vigas. En un sistema láser, esto requiere un largo esfuerzo de recalibración, mientras que esto se puede realizar fácilmente, y quizás de forma continua, en el caso HIF mediante cambios menores de los campos en los imanes de dirección finales. Esto también se puede usar para dirigir los haces entre cámaras de reacción completamente diferentes, lo que ofrece operaciones de conmutación por error y la capacidad de disparar a diferentes cámaras en sucesión si la frecuencia del pulso deseada es más rápida de lo que se puede borrar cualquier cámara. [23]
Finalmente, la óptica final por donde el láser ingresa a la cámara de reacción está sujeta a la salida directa de los eventos de fusión, incluidos neutrones de alta energía y varias otras partículas y radiación. Esto provoca una erosión constante de las ventanas, lo que puede causar importantes problemas con la luz de alta energía. Esto se ha convertido en un problema importante en los dispositivos ICF accionados por láser. [8] La capacidad del HIF para dirigirse fácilmente ofrece una serie de soluciones simples a estos problemas, permitiendo aislar las líneas de luz de las reacciones mediante obturadores mecánicos giratorios u otros conceptos. [24]
Se publicaron varios estudios de diseño durante las décadas de 1990 y 2000, con la ayuda de simulaciones cada vez mejores del proceso ICF, así como de mejoras continuas en el diseño de aceleradores. Un punto culminante fue la publicación en octubre de 1990 del estudio de diseño HYLIFE-II para una planta de energía HIF que utiliza flibe fundido para proteger las paredes de la cámara de reacción, así como para generar tritio como combustible. El diseño básico de 1 GWe dio como resultado un costo nivelado esperado de la electricidad (LCOE) de 9 centavos/kWh en dólares de 1988, o equivalente a $0,23 en 2023. [25] Esta no era una cifra competitiva ni siquiera en ese momento, [i] y el sistema sólo se volvió competitivo cuando el reactor aumentó a un tamaño muy grande de 2 GWe, lo que limitaría significativamente su aplicabilidad comercial. [25] El artículo concluye:
Para ser competitivo con la futura energía nuclear a base de carbón y LWR, el coste de la electricidad debe reducirse en un factor de 2 [27] .
Una revisión más moderna llega a la misma conclusión:
Por último, la investigación encaminada a reducir los costos es de vital importancia. [28]