La instalación de investigación de energía láser de alta potencia ( HiPER ), es un dispositivo experimental de fusión por confinamiento inercial (ICF) impulsado por láser que se encuentra en proceso de diseño preliminar para una posible construcción en la Unión Europea . A partir de 2019 [actualizar], el esfuerzo parece estar inactivo.
HiPER fue diseñado para estudiar el enfoque de "ignición rápida" para generar fusión nuclear , que utiliza láseres mucho más pequeños que los diseños ICF convencionales, pero produce potencia de fusión de aproximadamente la misma magnitud. Esto ofrece una " ganancia de fusión " total mucho mayor que la de dispositivos como el National Ignition Facility (NIF) y una reducción de los costes de construcción de unas diez veces. Esto abrió una ventana para que se construyera rápidamente una pequeña máquina que alcanzaría la ignición antes del NIF. Los diseños de HiPER y FIREX japonés pretendían explorar este enfoque.
Sin embargo, la investigación sobre el enfoque de encendido rápido en máquinas más pequeñas como el láser Omega en los EE. UU. demostró una serie de problemas con el concepto. Otro enfoque alternativo, el encendido por choque , comenzó a asumir el desarrollo futuro a partir de 2012. [1] HiPER y FIREX parecen no haber visto ningún desarrollo adicional desde entonces.
HiPER no debe confundirse con un dispositivo ICF anterior en Japón conocido como "HIPER", que no ha estado operativo durante algún tiempo.
Los dispositivos de fusión por confinamiento inercial (ICF) utilizan "controladores" para calentar rápidamente las capas exteriores de un "objetivo" para comprimirlo. El objetivo es una pequeña pastilla esférica que contiene unos pocos miligramos de combustible de fusión, normalmente una mezcla de deuterio y tritio , o "DT". El calor del láser quema la superficie del gránulo hasta convertirlo en plasma , que explota en la superficie. La porción restante del objetivo es impulsada hacia adentro debido a la Tercera Ley de Newton , colapsando en un pequeño punto de muy alta densidad. La rápida liberación también crea una onda de choque que viaja hacia el centro del combustible comprimido. Cuando llega al centro del combustible y recibe el impacto del otro lado del objetivo, la energía en el centro calienta y comprime aún más el pequeño volumen que lo rodea. Si la temperatura y la densidad de ese pequeño punto pueden elevarse lo suficiente, se producirán reacciones de fusión. Este enfoque se conoce ahora como "ignición de punto caliente" para distinguirlo de los nuevos enfoques. [2]
Las reacciones de fusión liberan partículas de alta energía, algunas de las cuales (principalmente partículas alfa ) chocan con el combustible de alta densidad que las rodea y disminuyen su velocidad. Esto calienta el combustible circundante y potencialmente puede causar que ese combustible también se fusione. Dadas las condiciones generales adecuadas del combustible comprimido (densidad y temperatura suficientemente altas), este proceso de calentamiento puede resultar en una reacción en cadena , quemando hacia afuera desde el centro. Esta es una condición conocida como "ignición", que puede provocar que una porción significativa del combustible en el objetivo se fusione y la liberación de cantidades significativas de energía. [3]
Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos del ICF han utilizado láseres para calentar los objetivos. Los cálculos muestran que la energía debe entregarse rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se desmonte, además de crear una onda de choque adecuada. La energía también debe concentrarse de manera extremadamente uniforme en la superficie exterior del objetivo para colapsar el combustible en un núcleo simétrico. Aunque se han sugerido otros impulsores, en particular iones pesados impulsados en aceleradores de partículas , los láseres son actualmente los únicos dispositivos con la combinación adecuada de características. [4] [5]
En el caso de HiPER, el sistema láser controlador es similar a los sistemas existentes como NIF, pero considerablemente más pequeño y menos potente.
El controlador consta de una serie de "líneas de haz" que contienen amplificadores láser de Nd:vidrio en un extremo del edificio. Justo antes de la cocción, el vidrio se "bombea" a un estado de alta energía con una serie de tubos de flash de xenón , lo que provoca una inversión poblacional de los átomos de neodimio (Nd) en el vidrio. Esto los prepara para la amplificación mediante emisión estimulada cuando una pequeña cantidad de luz láser, generada externamente en una fibra óptica , se introduce en las líneas de haz. El vidrio no es particularmente efectivo para transferir energía al haz, por lo que para recuperar la mayor cantidad de energía posible, el haz se refleja a través del vidrio cuatro veces en una cavidad espejada, ganando cada vez más potencia. [6] Cuando se completa este proceso, una celda de Pockels apaga la luz de la cavidad. [7] Un problema para el proyecto HiPER es que Nd:glass ya no se produce comercialmente, por lo que es necesario estudiar una serie de opciones para garantizar el suministro de los 1.300 discos estimados. [7]
Desde allí, la luz láser pasa a un filtro espacial muy largo para limpiar el pulso resultante. El filtro es esencialmente un telescopio que enfoca el rayo en un punto a cierta distancia, donde un pequeño orificio ubicado en el punto focal corta cualquier luz "desviada" causada por faltas de homogeneidad en el rayo láser. Luego, el haz se amplía hasta que una segunda lente lo devuelve nuevamente a un haz recto. Es el uso de filtros espaciales lo que conduce a las largas líneas de luz que se ven en los dispositivos láser ICF. En el caso de HiPER, los filtros ocupan aproximadamente el 50% de la longitud total. El ancho del haz a la salida del sistema conductor es de aproximadamente 40 cm × 40 cm. [8]
Uno de los problemas encontrados en experimentos anteriores, en particular el láser Shiva , fue que la luz infrarroja proporcionada por los láseres de Nd:vidrio (a ~1054 nm en el vacío ) se acopla fuertemente con los electrones alrededor del objetivo, perdiendo una cantidad considerable de energía que De lo contrario, calentaría el objetivo mismo. Esto generalmente se soluciona mediante el uso de un multiplicador de frecuencia óptica , que puede duplicar o triplicar la frecuencia de la luz, en verde o ultravioleta , respectivamente. Estas frecuencias más altas interactúan con menos fuerza con los electrones, lo que aporta más potencia al objetivo. HiPER utilizará la triplicación de frecuencia en los controladores. [9]
Cuando se completa el proceso de amplificación, la luz láser ingresa a la cámara experimental, que se encuentra en un extremo del edificio. Aquí se refleja en una serie de espejos deformables que ayudan a corregir las imperfecciones restantes en el frente de onda y luego las introduce en la cámara objetivo desde todos los ángulos. Dado que las distancias totales desde los extremos de las líneas de luz hasta diferentes puntos de la cámara objetivo son diferentes, se introducen retrasos en los caminos individuales para garantizar que todos lleguen al centro de la cámara al mismo tiempo, en aproximadamente 10 picosegundos (ps). El objetivo, una pastilla de combustible de fusión de aproximadamente 1 mm de diámetro en el caso del HiPER, se encuentra en el centro de la cámara. [10]
HiPER se diferencia de la mayoría de los dispositivos ICF en que también incluye un segundo conjunto de láseres para calentar directamente el combustible comprimido. El pulso de calentamiento debe ser muy corto, de aproximadamente 10 a 20 ps, pero es un tiempo demasiado corto para que los amplificadores funcionen bien. Para resolver este problema, HiPER utiliza una técnica conocida como amplificación de pulso chirrido (CPA). CPA comienza con un pulso corto de una fuente láser de ancho de banda amplio (multifrecuencia), a diferencia del controlador que utiliza una fuente monocromática (frecuencia única). La luz de este pulso inicial se divide en diferentes colores mediante un par de rejillas de difracción y retardos ópticos. Esto "estira" el pulso en una cadena de varios nanosegundos de duración. Luego, el pulso se envía a los amplificadores de forma normal. Cuando sale de las líneas de luz, se recombina en un conjunto similar de rejillas para producir un único pulso muy corto, pero debido a que el pulso ahora tiene una potencia muy alta, las rejillas tienen que ser grandes (aproximadamente 1 m) y estar en el vacío. Además, los haces individuales deben tener en general una potencia menor; el lado de compresión del sistema utiliza 40 líneas de luz de aproximadamente 5 kJ cada una para generar un total de 200 kJ, mientras que el lado de ignición requiere 24 líneas de luz de poco menos de 3 kJ para generar un total de 70 kJ. El número exacto y la potencia de las líneas de luz son actualmente objeto de investigación. [10] La multiplicación de frecuencia también se utilizará en los calentadores, pero aún no se ha decidido si se duplicará o triplicará; este último pone más potencia en el objetivo, pero es menos eficiente al convertir la luz. A partir de 2007, el diseño básico se basa en doblar hacia el green. [11]
En los dispositivos ICF tradicionales, el láser controlador se utiliza para comprimir el objetivo a densidades muy altas. La onda de choque creada por este proceso calienta aún más el combustible comprimido cuando choca en el centro de la esfera. Si la compresión es lo suficientemente simétrica, el aumento de temperatura puede crear condiciones cercanas al criterio de Lawson y provocar una ignición.
La cantidad de energía láser necesaria para comprimir eficazmente los objetivos a condiciones de ignición ha aumentado rápidamente con respecto a las estimaciones iniciales. En los "primeros días" de la investigación de la ICF en la década de 1970, se creía que tan solo 1 kilojulio (kJ) sería suficiente, [12] [13] y se construyeron varios láseres experimentales para alcanzar estos niveles de potencia. Cuando lo hicieron, una serie de problemas, generalmente relacionados con la homogeneidad del colapso, alteraron gravemente la simetría de la implosión y condujeron a temperaturas centrales mucho más frías de lo esperado originalmente. Durante la década de 1980, la energía estimada necesaria para alcanzar la ignición creció hasta alcanzar el rango de los megajulios, lo que parecía hacer que el ICF fuera poco práctico para la producción de energía de fusión. Por ejemplo, la Instalación Nacional de Ignición (NIF) utiliza alrededor de 420 MJ de energía eléctrica para bombear los láseres impulsores y, en el mejor de los casos, se espera que produzca alrededor de 20 MJ de potencia de fusión. [2] Sin mejoras espectaculares en la producción, un dispositivo de este tipo nunca sería una fuente de energía práctica.
El enfoque de encendido rápido intenta evitar estos problemas. En lugar de utilizar la onda de choque para crear las condiciones necesarias para la fusión por encima del rango de ignición, este enfoque calienta directamente el combustible. Esto es mucho más eficiente que la onda de choque, que se vuelve menos importante. En HiPER, la compresión proporcionada por el controlador es "buena", pero no se acerca a la creada por dispositivos más grandes como NIF; El conductor del HiPER es de unos 200 kJ y produce densidades de unos 300 g/cm 3 . Eso es aproximadamente un tercio del NIF, y aproximadamente lo mismo que generó el anterior láser NOVA de la década de 1980. En comparación, el plomo es de aproximadamente 11 g/cm 3 , por lo que todavía representa una cantidad considerable de compresión, especialmente si se considera que el interior del objetivo contenía combustible ligero DT de alrededor de 0,1 g/cm 3 . [10]
El encendido se inicia mediante un pulso láser muy corto (~10 picosegundos) de potencia ultraalta (~70 kJ, 4 PW), dirigido a través de un agujero en el plasma en el núcleo. La luz de este pulso interactúa con el combustible frío circundante, generando una lluvia de electrones relativistas de alta energía (3,5 MeV) que son impulsados hacia el combustible. Los electrones calientan un punto en un lado del núcleo denso y, si este calentamiento está lo suficientemente localizado, se espera que impulse el área mucho más allá de las energías de ignición. [10]
La eficiencia general de este enfoque es muchas veces mayor que la del enfoque convencional. En el caso del NIF, el láser genera aproximadamente 4 MJ de potencia infrarroja para crear una ignición que libera aproximadamente 20 MJ de energía. [2] Esto corresponde a una "ganancia de fusión" (la relación entre la potencia del láser de entrada y la potencia de fusión de salida) de aproximadamente 5. Si se utilizan los supuestos básicos para el diseño actual del HiPER, los dos láseres (controlador y calentador) producen aproximadamente 270 kJ en total, pero generan de 25 a 30 MJ, una ganancia de aproximadamente 100. [10] Considerando una variedad de pérdidas, se predice que la ganancia real será de alrededor de 72. [10] Esto no solo supera al NIF por un amplio margen, los láseres más pequeños son mucho menos costosos de construir. En términos de potencia-precio, se espera que HiPER sea un orden de magnitud menos costoso que los dispositivos convencionales como NIF.
La compresión ya es un problema bastante bien comprendido y HiPER está interesado principalmente en explorar la física precisa del rápido proceso de calentamiento. No está claro qué tan rápido se detienen los electrones en la carga de combustible; Si bien esto se conoce para la materia bajo presiones normales, no lo es para las condiciones ultradensas del combustible comprimido. Para funcionar eficientemente, los electrones deben detenerse en una distancia lo más corta posible, para liberar su energía en un pequeño punto y así elevar la temperatura (energía por unidad de volumen) lo más alto posible.
Cómo hacer llegar la luz láser a ese lugar también es un tema que requiere más investigaciones. Un enfoque utiliza un pulso corto de otro láser para calentar el plasma fuera del "núcleo" denso, esencialmente abriendo un agujero a través de él y exponiendo el combustible denso en su interior. Este enfoque se probará en el sistema OMEGA-EP en EE. UU. Otro enfoque, probado con éxito en el láser GEKKO XII en Japón, utiliza un pequeño cono de oro que corta una pequeña área del objetivo; Al calentarlo, no se crea plasma en esta área, lo que deja un agujero al que se puede apuntar haciendo brillar el láser en la superficie interior del cono. Actualmente, HiPER planea utilizar el enfoque del cono de oro, pero probablemente también estudiará la solución de combustión. [10]
En 2005, HiPER completó un estudio preliminar que describe posibles enfoques y argumentos para su construcción. El informe recibió críticas positivas de la CE en julio de 2007 y pasó a una fase de diseño preparatorio a principios de 2008 con diseños detallados para la construcción a partir de 2011 o 2012. [ cita necesaria ]
Paralelamente, el proyecto HiPER también propone construir sistemas láser más pequeños con mayores tasas de repetición. Las lámparas de destello de alta potencia utilizadas para bombear el vidrio del amplificador láser hacen que se deforme y no se puede volver a disparar hasta que se enfríe, lo que demora hasta un día. Además, sólo una cantidad muy pequeña del destello de luz blanca generada por los tubos tiene la frecuencia adecuada para ser absorbida por el Nd:vidrio y, por tanto, conducir a la amplificación; en general, sólo entre el 1 y el 1,5 % de la energía alimentada a los tubos. termina en el rayo láser. [14]
La clave para evitar estos problemas es sustituir las lámparas de flash por bombas más eficientes, normalmente basadas en diodos láser . Estos son mucho más eficientes a la hora de generar luz a partir de electricidad y, por tanto, funcionan a una temperatura mucho más fría. Más importante aún, la luz que generan es bastante monocromática y puede sintonizarse a frecuencias que se pueden absorber fácilmente. Esto significa que se necesita utilizar mucha menos energía para producir una cantidad particular de luz láser, lo que reduce aún más la cantidad total de calor que se genera. La mejora de la eficiencia puede ser espectacular; Los dispositivos experimentales existentes funcionan con aproximadamente un 10% de eficiencia general, y se cree que los dispositivos a "corto plazo" mejorarán esta eficiencia hasta en un 20%. [15]
Investigaciones adicionales sobre el enfoque de ignición rápida arrojan serias dudas sobre su futuro. En 2013, la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. concluyó que ya no era una dirección de investigación que valiera la pena y afirmó que "en este momento, la ignición rápida parece ser un enfoque menos prometedor para el IFE que otros conceptos de ignición". [dieciséis]
