La fusión por confinamiento inercial ( ICF ) es un proceso de energía de fusión que inicia reacciones de fusión nuclear comprimiendo y calentando objetivos llenos de combustible. Los objetivos son pequeños gránulos que normalmente contienen deuterio ( 2 H) y tritio ( 3 H).
La energía se deposita en la capa exterior del objetivo, que explota hacia afuera. Esto produce una fuerza de reacción en forma de ondas de choque que atraviesan el objetivo. Las olas lo comprimen y lo calientan. Las ondas de choque suficientemente potentes generan fusión.
ICF es una de las dos ramas principales de la investigación de la energía de fusión; el otro es la fusión por confinamiento magnético (MCF). Cuando se propuso por primera vez a principios de la década de 1970, el ICF parecía ser un enfoque práctico para la producción de energía y el campo floreció. Los experimentos demostraron que la eficiencia de estos dispositivos era mucho menor de lo esperado. A lo largo de las décadas de 1980 y 1990, se realizaron experimentos para comprender la interacción de la luz láser de alta intensidad y el plasma . Esto llevó al diseño de máquinas mucho más grandes que lograban generar energías de ignición.
El experimento ICF operativo más grande es el National Ignition Facility (NIF) en los EE. UU. En 2022, el NIF produjo fusión, entregando 2,05 megajulios (MJ) de energía al objetivo, lo que produjo 3,15 MJ, la primera vez que un dispositivo ICF produjo más energía de la entregada al objetivo. [1] [2]
Las reacciones de fusión combinan átomos más pequeños para formar otros más grandes. Esto ocurre cuando dos átomos (o iones, átomos despojados de sus electrones) se acercan lo suficiente entre sí como para que la fuerza nuclear domine la fuerza electrostática que de otro modo los mantendría separados. Superar la repulsión electrostática requiere energía cinética suficiente para superar la barrera de Coulomb o barrera de fusión . [3]
Se necesita menos energía para fusionar núcleos más ligeros, ya que tienen menos carga eléctrica y, por tanto, una energía de barrera más baja. Por tanto, la barrera es más baja para el hidrógeno . Por el contrario, la fuerza nuclear aumenta con el número de nucleones , por lo que los isótopos de hidrógeno que contienen neutrones adicionales reducen la energía requerida. El combustible más sencillo es una mezcla de 2 H y 3 H, conocida como DT. [3]
Las probabilidades de que se produzca una fusión son función de la densidad y la temperatura del combustible y del período de tiempo que se mantienen la densidad y la temperatura. Incluso en condiciones ideales, la posibilidad de que un par D y T se fusione es muy pequeña. Una mayor densidad y tiempos más largos permiten más encuentros entre los átomos. Esta sección transversal depende además de las energías de los iones individuales. Esta combinación, el triple producto de fusión , debe alcanzar el criterio de Lawson , para alcanzar la ignición. [4]
Los primeros dispositivos ICF fueron las bombas de hidrógeno inventadas a principios de los años cincuenta. Una bomba de hidrógeno consta de dos bombas en una sola caja. La primera, la etapa primaria , es un dispositivo impulsado por fisión que normalmente utiliza plutonio . Cuando explota, emite una ráfaga de rayos X térmicos que llenan el interior de la carcasa de la bomba especialmente diseñada. Estos rayos X son absorbidos por un material especial que rodea la etapa secundaria , que se compone principalmente de combustible de fusión. Los rayos X calientan este material y lo hacen explotar. Debido a la Tercera Ley de Newton , esto hace que el combustible del interior sea impulsado hacia el interior, comprimiéndolo y calentándolo. Esto hace que el combustible de fusión alcance la temperatura y densidad donde comienzan las reacciones de fusión. [5] [6]
En el caso del combustible DT, la mayor parte de la energía se libera en forma de partículas alfa y neutrones. En condiciones normales, un alfa puede viajar unos 10 mm a través del combustible, pero en condiciones ultradensas en el combustible comprimido, pueden viajar unos 0,01 mm antes de que su carga eléctrica, al interactuar con el plasma circundante, les haga perder velocidad. [7] Esto significa que la mayor parte de la energía liberada por los alfa se vuelve a depositar en el combustible. Esta transferencia de energía cinética calienta las partículas circundantes hasta obtener las energías que necesitan para fusionarse. Este proceso hace que el combustible de fusión se queme hacia afuera desde el centro. Los neutrones eléctricamente neutros recorren distancias más largas en la masa de combustible y no contribuyen a este proceso de autocalentamiento. En una bomba, se utilizan para generar tritio mediante reacciones en un combustible de deuteruro de litio o para dividir combustible fisionable adicional que rodea la etapa secundaria, a menudo parte de la carcasa de la bomba. [5]
El requisito de que la reacción tenga que ser provocada por una bomba de fisión hace que este método no sea práctico para la generación de energía. No sólo sería costoso producir los desencadenantes de fisión, sino que el tamaño mínimo de una bomba de este tipo es grande, definido aproximadamente por la masa crítica del combustible de plutonio utilizado. En general, parece difícil construir dispositivos de fusión nuclear eficientes con un rendimiento mucho menor que aproximadamente 1 kilotón, y la fusión secundaria aumentaría este rendimiento. Esto hace que extraer energía de las explosiones resultantes sea un problema de ingeniería difícil. El proyecto PACER estudió soluciones a los problemas de ingeniería, [6] pero también demostró que no era económicamente viable. El coste de las bombas fue mucho mayor que el valor de la electricidad resultante. [8]
La energía necesaria para superar la barrera de Coulomb corresponde a la energía de una partícula promedio en un gas calentado a 100 millones de K. El calor específico del hidrógeno es de aproximadamente 14 julios por gramo-K, por lo que considerando una pastilla de combustible de 1 miligramo, la energía necesaria para elevar la masa en su conjunto a esta temperatura es 1,4 megajulios (MJ). [9]
En el enfoque más ampliamente desarrollado de la energía de fusión magnética (MFE), los tiempos de confinamiento son del orden de un segundo. Sin embargo, los plasmas pueden mantenerse durante minutos. En este caso, el tiempo de confinamiento representa la cantidad de tiempo que tarda la energía de la reacción en perderse en el medio ambiente, a través de una variedad de mecanismos. Para un confinamiento de un segundo, la densidad necesaria para cumplir el criterio de Lawson es de aproximadamente 10 14 partículas por centímetro cúbico (cc). [9] A modo de comparación, el aire al nivel del mar tiene aproximadamente 2,7 x 10 19 partículas/cc, por lo que el enfoque MFE se ha descrito como "un buen vacío".
Considerando una gota de 1 miligramo de combustible DT en forma líquida, el tamaño es de aproximadamente 1 mm y la densidad es de aproximadamente 4 x 10 20 /cc. Nada mantiene unido el combustible. El calor creado por los eventos de fusión hace que se expanda a la velocidad del sonido , lo que lleva a un tiempo de confinamiento de alrededor de 2 x 10 −10 segundos. A la densidad del líquido, el tiempo de confinamiento requerido es de aproximadamente 2 x 10 −7 s. En este caso, sólo alrededor del 0,1 por ciento del combustible se funde antes de que la gota se rompa. [10]
La velocidad de las reacciones de fusión es función de la densidad y la densidad se puede mejorar mediante la compresión. Si la gota se comprime de 1 mm a 0,1 mm de diámetro, el tiempo de confinamiento se reduce en el mismo factor de 10, porque las partículas tienen menos distancia que recorrer antes de escapar. Sin embargo, la densidad, que es el cubo de las dimensiones, aumenta 1.000 veces. Esto significa que la tasa general de fusión aumenta 1.000 veces mientras que el confinamiento se reduce 10 veces, una mejora de 100 veces. En este caso se fusiona el 10% del combustible; El 10% de 1 mg de combustible produce alrededor de 30 MJ de energía, 30 veces la cantidad necesaria para comprimirlo a esa densidad. [11]
El otro concepto clave en ICF es que no es necesario elevar toda la masa de combustible a 100 millones de K. En una bomba de fusión, la reacción continúa porque las partículas alfa liberadas en el interior calientan el combustible a su alrededor. En la densidad del líquido, los alfa viajan unos 10 mm y, por tanto, su energía escapa del combustible. En el combustible comprimido de 0,1 mm, los alfas tienen un alcance de aproximadamente 0,016 mm, lo que significa que se detendrán dentro del combustible y lo calentarán. En este caso, se puede provocar una "quemadura propagada" calentando sólo el centro del combustible a la temperatura necesaria. Esto requiere mucha menos energía; Los cálculos sugirieron que 1 kJ es suficiente para alcanzar el objetivo de compresión. [12]
Se necesita algún método para calentar el interior a temperaturas de fusión, y hacerlo mientras el combustible está comprimido y la densidad es lo suficientemente alta. [12] En los dispositivos ICF modernos, la densidad de la mezcla de combustible comprimida es hasta mil veces la densidad del agua, o cien veces la del plomo, alrededor de 1000 g/cm 3 . [13] Gran parte del trabajo desde la década de 1970 se ha centrado en formas de crear el punto caliente central que inicia la quema y en abordar los numerosos problemas prácticos para alcanzar la densidad deseada.
Los primeros cálculos sugirieron que la cantidad de energía necesaria para encender el combustible era muy pequeña, pero esto no coincide con la experiencia posterior.
La solución inicial al problema de la calefacción implicó una "configuración" deliberada del suministro de energía. La idea era utilizar un pulso inicial de menor energía para vaporizar la cápsula y provocar la compresión, y luego un pulso muy corto y muy potente cerca del final del ciclo de compresión. El objetivo es lanzar ondas de choque en el combustible comprimido que viajan hacia el centro. Cuando llegan al centro se encuentran con las olas que vienen de otros lados. Esto provoca un breve período en el que la densidad en el centro alcanza valores mucho más altos, superiores a 800 g/cm 3 . [14]
El concepto de ignición de punto caliente central fue el primero en sugerir que el ICF no era sólo una ruta práctica hacia la fusión, sino también relativamente simple. Esto llevó a numerosos esfuerzos para construir sistemas que funcionaran a principios de la década de 1970. Estos experimentos revelaron mecanismos de pérdida inesperados. Los primeros cálculos sugirieron que se necesitarían alrededor de 4,5x10 7 J/g, pero los cálculos modernos lo sitúan más cerca de 10 8 J/g. Una mayor comprensión condujo a una configuración compleja del pulso en múltiples intervalos de tiempo. [15]
El enfoque de encendido rápido emplea un láser separado para suministrar energía adicional directamente al centro del combustible. Esto se puede hacer mecánicamente, a menudo usando un pequeño cono de metal para perforar la pared exterior de la pastilla de combustible e inyectar la energía en el centro. En las pruebas, este enfoque falló [ cita necesaria ] porque el pulso láser tenía que llegar al centro en un momento preciso, mientras que el centro está oscurecido por desechos y electrones libres del pulso de compresión. También tiene el inconveniente de que es necesario un segundo impulso láser, para lo que normalmente se utiliza un láser completamente independiente.
El encendido por choque es similar en concepto a la técnica de punto caliente, pero en lugar de lograr el encendido mediante calentamiento por compresión, se envía una poderosa onda de choque al combustible posteriormente mediante una combinación de compresión y calentamiento por choque. Esto aumenta la eficiencia del proceso al tiempo que reduce la cantidad total de energía requerida.
En el método más sencillo de confinamiento inercial, el combustible se dispone en forma de esfera. Esto permite comprimirlo uniformemente desde todos los lados. Para producir la fuerza hacia adentro, el combustible se coloca dentro de una cápsula delgada que absorbe energía de los rayos impulsores, lo que hace que la cápsula explote hacia afuera. La cubierta de la cápsula suele estar hecha de un plástico liviano y el combustible se deposita como una capa en el interior inyectando y congelando el combustible gaseoso en la cubierta.
Hacer brillar los rayos del conductor directamente sobre la cápsula de combustible se conoce como "impulsión directa". El proceso de implosión debe ser extremadamente uniforme para evitar la asimetría debida a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor y efectos similares. Para una energía del haz de 1 MJ, la cápsula de combustible no puede ser mayor que aproximadamente 2 mm antes de que estos efectos alteren la simetría de la implosión. Esto limita el tamaño de los rayos láser a un diámetro tan estrecho que es difícil de conseguir en la práctica.
Alternativamente, el "impulso indirecto" ilumina un pequeño cilindro de metal pesado, a menudo oro o plomo , conocido como hohlraum . La energía del rayo calienta el hohlraum hasta que emite rayos X. Estos rayos X llenan el interior del hohlraum y calientan la cápsula. La ventaja del accionamiento indirecto es que los haces pueden ser más grandes y menos precisos. La desventaja es que gran parte de la energía entregada se utiliza para calentar el hohlraum hasta que esté "caliente por rayos X", por lo que la eficiencia energética de un extremo a otro es mucho menor que el método de accionamiento directo.
Los principales desafíos para aumentar el rendimiento de ICF son:
Para enfocar la onda de choque en el centro del objetivo, éste debe estar fabricado con gran precisión y esfericidad con tolerancias de no más de unos pocos micrómetros sobre su superficie (interior y exterior). Los láseres deben apuntar con precisión en el espacio y el tiempo. La sincronización del haz es relativamente simple y se resuelve mediante el uso de líneas de retardo en la trayectoria óptica de los haces para lograr una precisión de picosegundos .El otro problema importante es el llamado desequilibrio "haz-haz" y la anisotropía del haz . Estos problemas se producen, respectivamente, cuando la energía entregada por un haz puede ser mayor o menor que la de otros haces que inciden y cuando los "puntos calientes" dentro del diámetro del haz golpean un objetivo, lo que induce una compresión desigual en la superficie del objetivo, formando así inestabilidades de Rayleigh-Taylor. [16] en el combustible, mezclándolo prematuramente y reduciendo la eficacia de calentamiento en el instante de máxima compresión. Durante el proceso también se forma la inestabilidad de Richtmyer-Meshkov debido a las ondas de choque.
Estos problemas se han mitigado mediante técnicas de suavizado del haz y diagnóstico de energía del haz; sin embargo, la inestabilidad del RT sigue siendo un problema importante. Los modernos objetivos criogénicos de hielo de hidrógeno tienden a congelar una fina capa de deuterio en el interior de la cáscara mientras la irradian con un láser infrarrojo de baja potencia para alisar su superficie interior y la monitorean con una cámara equipada con un microscopio , lo que permite monitorear de cerca la capa. . [18] Los objetivos criogénicos llenos de DT se "autosuavizan" debido a la pequeña cantidad de calor creada por la descomposición del tritio. Esto se conoce como " capa beta ". [19]
En el enfoque de conducción indirecta, [20] la absorción de rayos X térmicos por el objetivo es más eficiente que la absorción directa de luz láser. Sin embargo, los hohlraums consumen una cantidad considerable de energía para calentarse, lo que reduce significativamente la eficiencia de la transferencia de energía. Muy a menudo, los objetivos hohlraum de propulsión indirecta se utilizan para simular pruebas de armas termonucleares debido a que el combustible de fusión en las armas también implosiona principalmente por radiación de rayos X.
Los controladores ICF están evolucionando. Los láseres han aumentado de unos pocos julios y kilovatios a megajulios y cientos de teravatios, utilizando principalmente luz de frecuencia duplicada o triplicada procedente de amplificadores de vidrio de neodimio . [ cita necesaria ]
Los haces de iones pesados son particularmente interesantes para la generación comercial, ya que son fáciles de crear, controlar y enfocar. Sin embargo, es difícil lograr las densidades de energía necesarias para implosionar un objetivo de manera eficiente, y la mayoría de los sistemas de haces de iones requieren el uso de un hohlraum que rodee el objetivo para suavizar la irradiación. [ cita necesaria ]
La historia de la ICF comenzó como parte de la conferencia " Átomos para la paz " en 1957. Esta fue una conferencia internacional patrocinada por la ONU entre los EE. UU. y la Unión Soviética . Se pensó en utilizar una bomba de hidrógeno para calentar una caverna llena de agua. El vapor resultante podría usarse luego para alimentar generadores convencionales y así proporcionar energía eléctrica. [6]
Esta reunión condujo a la Operación Plowshare , formada en junio de 1957 y nombrada formalmente en 1961. Incluía tres conceptos principales; la generación de energía en el marco del Proyecto PACER, el uso de explosiones nucleares para excavaciones y el fracking en la industria del gas natural . PACER se probó directamente en diciembre de 1961 cuando el dispositivo Project Gnome de 3 kt fue detonado en un lecho de sal en Nuevo México. Mientras la prensa observaba, se liberó vapor radiactivo del pozo de perforación, a cierta distancia del lugar de la prueba. Otros estudios diseñaron cavidades diseñadas para reemplazar las naturales, pero Plowshare fue de mal en peor, especialmente después del fracaso del Sedan de 1962 , que produjo importantes consecuencias . PACER continuó recibiendo financiación hasta 1975, cuando un estudio independiente demostró que el coste de la electricidad de PACER sería diez veces mayor que el de las plantas nucleares convencionales. [21]
Otro resultado de Átomos para la paz fue impulsar a John Nuckolls a considerar lo que sucede en el lado de fusión de la bomba a medida que se reduce la masa de combustible. Este trabajo sugirió que en tamaños del orden de miligramos, se necesitaría poca energía para encender el combustible, mucho menos que una primaria de fisión. [6] Propuso construir, en efecto, pequeños explosivos totalmente de fusión utilizando una pequeña gota de combustible DT suspendida en el centro de un hohlraum. El proyectil produjo el mismo efecto que la carcasa de una bomba H, atrapando rayos X en su interior para irradiar el combustible. La principal diferencia es que los rayos X serían suministrados por un dispositivo externo que calentaba el caparazón desde el exterior hasta que brillaba en la región de rayos X. La energía sería entregada por una fuente de energía pulsada no identificada a la que se refirió, usando terminología de bomba, como "primaria". [22]
La principal ventaja de este esquema es la eficiencia de la fusión a altas densidades. Según el criterio de Lawson, la cantidad de energía necesaria para calentar el combustible DT hasta condiciones de equilibrio a presión ambiente es quizás 100 veces mayor que la energía necesaria para comprimirlo a una presión que proporcionaría la misma tasa de fusión. Entonces, en teoría, el enfoque ICF podría ofrecer ganancias muchísimo mayores. [22] Esto puede entenderse considerando las pérdidas de energía en un escenario convencional donde el combustible se calienta lentamente, como en el caso de la energía de fusión magnética ; La tasa de pérdida de energía al medio ambiente se basa en la diferencia de temperatura entre el combustible y su entorno, que continúa aumentando a medida que aumenta la temperatura del combustible. En el caso del ICF, todo el hohlraum se llena con radiación de alta temperatura, lo que limita las pérdidas. [23]
En 1956 , el pionero de la fusión Carl Friedrich von Weizsäcker organizó una reunión en el Instituto Max Planck de Alemania . En esta reunión, Friedwardt Winterberg propuso la ignición sin fisión de una microexplosión termonuclear mediante una onda de choque convergente impulsada con explosivos de alta potencia. [24] En un informe desclasificado de la antigua Stasi de Alemania Oriental (Staatsicherheitsdienst) se hace referencia adicional al trabajo de Winterberg en Alemania sobre microexplosiones nucleares (mininukes) . [25]
En 1964, Winterberg propuso que la ignición podría lograrse mediante un intenso haz de micropartículas aceleradas a una velocidad de 1.000 km/s. [26] En 1968, propuso utilizar intensos haces de electrones e iones generados por generadores Marx para el mismo propósito. [27] La ventaja de esta propuesta es que los haces de partículas cargadas no sólo son menos costosos que los rayos láser, sino que pueden atrapar los productos cargados de la reacción de fusión debido al fuerte campo automagnético del haz, reduciendo drásticamente los requisitos de compresión para objetivos cilíndricos encendidos por haz. .
En 1967, el investigador Gurgen Askaryan publicó un artículo proponiendo el uso de rayos láser enfocados en la fusión de deuteruro de litio o deuterio. [28]
Hasta finales de la década de 1950, los colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) completaron simulaciones por computadora del concepto ICF. A principios de 1960, realizaron una simulación completa de la implosión de 1 mg de combustible DT dentro de una densa capa. La simulación sugirió que una entrada de energía de 5 MJ al hohlraum produciría 50 MJ de salida de fusión, una ganancia de 10 veces. Esto fue antes de que se consideraran el láser y una variedad de otros posibles impulsores, incluidas máquinas de energía pulsada, aceleradores de partículas cargadas, pistolas de plasma y pistolas de perdigones de hipervelocidad. [29]
Dos avances teóricos hicieron avanzar el campo. Uno provino de nuevas simulaciones que consideraron el momento de la energía entregada en el pulso, conocido como "conformación del pulso", lo que conduce a una mejor implosión. El segundo era hacer que el caparazón fuera mucho más grande y delgado, formando un caparazón delgado en lugar de una bola casi sólida. Estos dos cambios aumentaron drásticamente la eficiencia de la implosión y, por lo tanto, redujeron en gran medida la energía de compresión requerida. Utilizando estas mejoras, se calculó que se necesitaría un controlador de aproximadamente 1 MJ, [30] una reducción de cinco veces. Durante los dos años siguientes, se propusieron otros avances teóricos, en particular el desarrollo de Ray Kidder de un sistema de implosión sin hohlraum, el llamado enfoque de "impulsión directa", y el trabajo de Stirling Colgate y Ron Zabawski en sistemas con tan solo 1 μg de combustible DT. [31]
La introducción del láser en 1960 en los Laboratorios de Investigación Hughes en California pareció presentar un mecanismo impulsor perfecto. A partir de 1962, el director de Livermore, John S. Foster, Jr., y Edward Teller comenzaron un pequeño estudio con láser ICF. Incluso en esta etapa inicial se comprendía bien la idoneidad del ICF para la investigación de armas y fue la razón principal de su financiación. [32] Durante la siguiente década, LLNL fabricó pequeños dispositivos experimentales para estudios básicos de interacción láser-plasma.
En 1967, Kip Siegel fundó KMS Industries. A principios de la década de 1970 formó KMS Fusion para comenzar el desarrollo de un sistema ICF basado en láser. [33] Este desarrollo generó una oposición considerable por parte de los laboratorios de armas, incluido LLNL, quienes expusieron una variedad de razones por las que no se debería permitir a KMS desarrollar ICF en público. Esta oposición se canalizó a través de la Comisión de Energía Atómica , que exigió financiación. Al ruido de fondo se sumaron los rumores sobre un agresivo programa soviético ICF, nuevos láseres de CO 2 y de vidrio de mayor potencia, el concepto de controlador de haz de electrones y la crisis energética que añadió impulso a muchos proyectos energéticos. [32]
En 1972, John Nuckolls escribió un artículo presentando ICF y sugiriendo que se podrían crear sistemas de banco de pruebas para generar fusión con controladores en el rango de kJ y sistemas de alta ganancia con controladores MJ. [34] [35]
A pesar de los recursos limitados y los problemas comerciales, KMS Fusion demostró con éxito la fusión IFC el 1 de mayo de 1974. [36] Este éxito pronto fue seguido por la muerte de Siegel y el fin de KMS Fusion un año después. [33] En este punto, varios laboratorios de armas y universidades habían iniciado sus propios programas, en particular los láseres de estado sólido ( láseres Nd:glass ) en LLNL y la Universidad de Rochester , y los sistemas de láseres excimer de fluoruro de criptón en Los Alamos y el Centro de Investigación Naval. Laboratorio .
Los experimentos ICF de alta energía (varios cientos de julios por disparo) comenzaron a principios de la década de 1970, cuando aparecieron mejores láseres. La financiación para la investigación de la fusión fue estimulada por las crisis energéticas que produjeron rápidos avances en el rendimiento, y los diseños inerciales pronto alcanzaron el mismo tipo de condiciones "por debajo del punto de equilibrio" de los mejores sistemas MCF.
En particular, LLNL contó con una buena financiación y puso en marcha un programa de desarrollo de fusión láser. Su láser Janus comenzó a funcionar en 1974 y validó el enfoque de utilizar láseres de Nd:vidrio para dispositivos de alta potencia. Los problemas de enfoque se exploraron en los láseres Long Path y Cyclops , lo que condujo al láser Argus, de mayor tamaño . Ninguno de estos pretendía ser dispositivos prácticos, pero aumentaron la confianza en que el enfoque era válido. Entonces se creía que un dispositivo mucho más grande del tipo Cyclops podía comprimir y calentar objetivos, provocando su ignición. Esta idea errónea se basó en la extrapolación de los rendimientos de fusión observados en experimentos que utilizan la cápsula de combustible llamada "empujador explosivo". A finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, las estimaciones de la energía láser necesaria en el objetivo para lograr la ignición se duplicaron casi anualmente a medida que se comprendían cada vez más las inestabilidades del plasma y los modos de pérdida de acoplamiento de energía láser-plasma. La comprensión de que los diseños de objetivos de empuje explosivos y las intensidades de irradiación láser de un solo dígito de kilojulios (kJ) nunca alcanzarían altos rendimientos llevó al esfuerzo de aumentar las energías del láser al nivel de 100 kJ en la banda ultravioleta y a la producción de abladores avanzados y criogénicos. Diseños de objetivos de hielo DT.
Uno de los primeros intentos a gran escala de diseñar un controlador ICF fue el láser Shiva , un sistema láser de vidrio dopado con neodimio de 20 haces en LLNL que comenzó a funcionar en 1978. Shiva fue un diseño de "prueba de concepto" destinado a demostrar la compresión del combustible de fusión. cápsulas a muchas veces la densidad líquida del hidrógeno. En esto, Shiva lo logró, alcanzando 100 veces la densidad líquida del deuterio. Sin embargo, debido al acoplamiento del láser con electrones calientes, el calentamiento prematuro del plasma denso era problemático y los rendimientos de la fusión eran bajos. Este fracaso en calentar eficientemente el plasma comprimido apuntó al uso de multiplicadores de frecuencia óptica como una solución que triplicaría la frecuencia de la luz infrarroja del láser al ultravioleta a 351 nm. Se experimentaron esquemas para triplicar eficientemente la frecuencia de la luz láser descubiertos en el Laboratorio de Energética Láser en 1980 con el láser OMEGA de 24 haces y el láser NOVETTE , al que siguió el diseño del láser Nova con 10 veces la energía de Shiva, el primer diseño con el objetivo específico de alcanzar la ignición.
Nova también falló, esta vez debido a una severa variación en la intensidad del láser en sus haces (y diferencias en la intensidad entre haces) causada por la filamentación que resultó en una gran falta de uniformidad en la suavidad de la irradiación en el objetivo y una implosión asimétrica. Las técnicas iniciadas anteriormente no pudieron abordar estos nuevos problemas. Este fracaso condujo a una comprensión mucho mayor del proceso de implosión, y el camino a seguir nuevamente parecía claro: aumentar la uniformidad de la irradiación, reducir los puntos calientes en los rayos láser mediante técnicas de suavizado del haz para reducir las inestabilidades de Rayleigh-Taylor y aumentar energía láser sobre el objetivo en al menos un orden de magnitud. La financiación fue limitada en la década de 1980.
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El diseño resultante de 192 haces, denominado Instalación Nacional de Ignición , comenzó a construirse en LLNL en 1997. El objetivo principal del NIF es operar como el dispositivo experimental insignia del llamado programa de administración nuclear , apoyando el papel tradicional de fabricación de bombas de LLNL. Completados en marzo de 2009, [37] los experimentos del NIF establecieron nuevos récords en la entrega de energía mediante un láser. [38] [39] A partir del 27 de septiembre de 2013, por primera vez la energía de fusión generada fue mayor que la energía absorbida en el combustible de deuterio-tritio . [40] [41] [42] En junio de 2018, NIF anunció una producción récord de 54 kJ de energía de fusión. [43] El 8 de agosto de 2021 [44] el NIF produjo 1,3 MJ de producción, 25 veces más que el resultado de 2018, generando el 70 % de la definición de equilibrio de ignición, cuando la energía que sale es igual a la energía que entra. [45] A partir de diciembre de 2022, el NIF afirma [46] haberse convertido en el primer experimento de fusión en alcanzar el punto de equilibrio científico el 5 de diciembre de 2022, con un experimento que produjo 3,15 megajulios de energía a partir de una entrada de 2,05 megajulios de luz láser (algo menos que la energía necesaria). hervir 1 kg de agua) para obtener una ganancia de energía de aproximadamente 1,5. [47] [48] [49] [50]
El encendido rápido puede ofrecer una forma de calentar directamente el combustible después de la compresión, desacoplando así las fases de calentamiento y compresión. En este enfoque, primero se comprime el objetivo "normalmente" mediante un sistema láser. Cuando la implosión alcanza la densidad máxima (en el punto de estancamiento o "tiempo de explosión"), un segundo láser corto de petavatios (PW) de alta potencia envía un solo pulso a un lado del núcleo, calentándolo dramáticamente e iniciando la ignición. [51]
Los dos tipos de ignición rápida son el método de "perforación de plasma" [51] y el método de "cono en cáscara". [52] En la perforación de plasma, el segundo láser perfora el plasma exterior de una cápsula en implosión, incide sobre el núcleo y lo calienta. En el método de cono en cáscara, la cápsula se monta en el extremo de un pequeño cono de alto número atómico (alto número atómico ), de modo que la punta del cono se proyecta hacia el núcleo. En este segundo método, cuando la cápsula implosiona, el láser tiene una visión clara del núcleo y no utiliza energía para perforar un plasma de "corona". Sin embargo, la presencia del cono afecta el proceso de implosión de maneras significativas que no se comprenden completamente. Actualmente se están llevando a cabo varios proyectos para explorar la ignición rápida, incluidas actualizaciones del láser OMEGA en la Universidad de Rochester y el dispositivo GEKKO XII en Japón.
HiPer es una instalación propuesta por valor de £500 millones en la Unión Europea . En comparación con los haces UV de 2 MJ del NIF, se planeó que el controlador del HiPER fuera de 200 kJ y el calentador de 70 kJ, aunque las ganancias de fusión previstas son mayores que las del NIF. Se emplearon láseres de diodo , que convierten la electricidad en luz láser con una eficiencia mucho mayor y funcionan a menor temperatura. Esto les permite operar a frecuencias mucho más altas. HiPER propuso funcionar a 1 MJ a 1 Hz o, alternativamente, 100 kJ a 10 Hz. La actualización final del proyecto fue en 2014. Se esperaba que ofreciera una Q más alta con una reducción de 10 veces en los tiempos de costos de construcción. [53]
El láser francés Mégajoule logró su primera línea experimental en 2002, y sus primeros disparos al blanco se realizaron en 2014. [54] La máquina estaba aproximadamente completa en un 75% en 2016.
El uso de un enfoque completamente diferente es el dispositivo z -pinch . Z -pinch utiliza corrientes eléctricas masivas conmutadas en un cilindro compuesto por cables extremadamente finos. Los cables se vaporizan para formar un plasma de alta corriente eléctricamente conductor. El campo magnético circunferencial resultante comprime el cilindro de plasma, lo hace implosionar y genera un pulso de rayos X de alta potencia que puede usarse para implosionar una cápsula de combustible. Los desafíos a este enfoque incluyen temperaturas de accionamiento relativamente bajas, que dan como resultado velocidades de implosión lentas y un crecimiento de inestabilidad potencialmente grande, y el precalentamiento causado por rayos X de alta energía. [55] [56]
Se propuso el encendido por choque para solucionar los problemas del encendido rápido. [57] [58] [59] Japón desarrolló el diseño KOYO-F y el reactor experimental de prueba de fusión inercial láser (LIFT). [60] [61] [62] En abril de 2017, la startup de energía limpia Apollo Fusion comenzó a desarrollar una tecnología de reactor híbrido de fusión-fisión. [63] [64]
En Alemania, la empresa de tecnología Marvel Fusion está trabajando en una fusión por confinamiento inercial iniciada por láser. [65] La startup adoptó un láser de alta energía de pulso corto y el combustible aneutrónico pB11 . [66] [67] [68] Fue fundada en Munich 2019. [69] [70] Trabaja con Siemens Energy , TRUMPF y Thales . [71] La empresa se asoció con la Universidad Ludwig Maximilian de Munich en julio de 2022. [72]
En marzo de 2022, la empresa australiana HB11 anunció la fusión utilizando láser no térmico pB11, a una tasa de creación de partículas alfa superior a la prevista. [73] Otras empresas incluyen Longview Fusion, similar a NIF, y Focused Energy, de encendido rápido. [74]
Las centrales eléctricas de energía de fusión inercial (IFE) se vienen estudiando desde finales de los años 1970. Estos dispositivos debían entregar múltiples objetivos por segundo en la cámara de reacción, utilizando la energía resultante para impulsar una turbina de vapor convencional .
Incluso si se resolvieran todos los numerosos desafíos técnicos para alcanzar la ignición, abundan los problemas prácticos. Dada la eficiencia del 1 al 1,5% del proceso de amplificación láser y que los sistemas de turbinas impulsadas por vapor suelen tener una eficiencia de alrededor del 35%, las ganancias de fusión tendrían que ser del orden de 125 veces para alcanzar el equilibrio energético. [76]
Es posible lograr una mejora de un orden de magnitud en la eficiencia del láser mediante el uso de diseños que reemplacen las lámparas de destello con diodos láser que estén sintonizados para producir la mayor parte de su energía en un rango de frecuencia que se absorbe fuertemente. Los dispositivos experimentales iniciales ofrecen eficiencias de aproximadamente el 10%, y se sugiere que el 20% es posible. [ cita necesaria ]
NIF utiliza alrededor de 330 MJ para producir los haces conductores, lo que produce un rendimiento esperado de aproximadamente 20 MJ, con un rendimiento máximo creíble de 45 MJ.
Los sistemas ICF enfrentan algunos de los problemas de extracción de energía secundaria que los sistemas MCF. Una de las principales preocupaciones es cómo eliminar con éxito el calor de la cámara de reacción sin interferir con los objetivos y los rayos conductores. Otra preocupación es que los neutrones liberados reaccionen con la estructura del reactor, debilitándola mecánicamente y volviéndola intensamente radiactiva. Los metales convencionales como el acero tendrían una vida útil corta y requerirían un reemplazo frecuente de las paredes de contención del núcleo. Otra preocupación es la humedad residual de la fusión (desechos que quedan en la cámara de reacción), que podría interferir con disparos posteriores, incluidas las cenizas de helio producidas por la fusión, junto con el hidrógeno no quemado y otros elementos utilizados en la pastilla de combustible. Este problema es más problemático con los sistemas de transmisión indirecta. Si la energía del conductor no llega a la pastilla de combustible por completo y golpea la cámara de contención, el material podría ensuciar la región de interacción, las lentes o los elementos de enfoque.
Un concepto, como se muestra en el diseño de HYLIFE-II, es utilizar una "cascada" de FLiBe , una mezcla fundida de sales de fluoruro de litio y berilio , que protegen la cámara de los neutrones y eliminan el calor. El FLiBe pasa a un intercambiador de calor donde calienta agua para las turbinas. [77] El tritio producido al dividir los núcleos de litio se puede extraer para cerrar el ciclo de combustible termonuclear de la planta de energía, una necesidad para el funcionamiento perpetuo porque el tritio es raro y de otro modo debe fabricarse. Otro concepto, Sombrero, utiliza una cámara de reacción construida con polímero reforzado con fibra de carbono que tiene una sección transversal de neutrones baja. El enfriamiento lo proporciona una cerámica fundida, elegida por su capacidad para absorber neutrones y su eficacia como agente de transferencia de calor. [78]
Otro factor que juega en contra del IFE es el costo del combustible. Incluso mientras Nuckolls estaba desarrollando sus primeros cálculos, sus compañeros de trabajo señalaron que si una máquina IFE produce 50 MJ de energía de fusión, un disparo podría producir quizás 10 MJ (2,8 kWh) de energía. Las tarifas al por mayor de energía eléctrica en la red eran de aproximadamente 0,3 centavos/kWh en ese momento, lo que significaba que el valor monetario de la inyección era quizás de un centavo. En los 50 años transcurridos, el precio real de la energía se ha mantenido prácticamente igual, y la tarifa en 2012 en Ontario, Canadá, era de aproximadamente 2,8 centavos/kWh. [79] Por lo tanto, para que una planta IFE sea económicamente viable, las inyecciones de combustible tendrían que costar considerablemente menos de diez centavos en dólares de 2012.
Los sistemas de transmisión directa evitan el uso de hohlraum y, por lo tanto, pueden resultar menos costosos en términos de combustible. Sin embargo, estos sistemas todavía requieren un ablador y la precisión y las consideraciones geométricas son críticas. Es posible que el enfoque de accionamiento directo no sea menos costoso de operar.
Las condiciones cálidas y densas que se encuentran durante un experimento ICF son similares a las de un arma termonuclear y tienen aplicaciones en los programas de armas nucleares. Los experimentos del ICF podrían utilizarse, por ejemplo, para ayudar a determinar cómo se degrada el rendimiento de las ojivas a medida que envejecen, o como parte de un programa de diseño de armas. Conservar el conocimiento y la experiencia dentro del programa de armas nucleares es otra motivación para perseguir el ICF. [80] [81] La financiación del NIF en los Estados Unidos proviene del programa de administración de existencias de armas nucleares, cuyos objetivos están orientados en consecuencia. [82] Se ha argumentado que algunos aspectos de la investigación del ICF violan el Tratado de Prohibición Completa de Ensayos Nucleares o el Tratado de No Proliferación Nuclear . [83] A largo plazo, a pesar de los formidables obstáculos técnicos, la investigación del ICF podría conducir a la creación de un " arma de fusión pura ". [84]
El ICF tiene el potencial de producir órdenes de magnitud más de neutrones que la espalación . Los neutrones son capaces de localizar átomos de hidrógeno en las moléculas, resolver el movimiento térmico atómico y estudiar las excitaciones colectivas de los fotones de forma más eficaz que los rayos X. Los estudios de dispersión de neutrones de estructuras moleculares podrían resolver problemas asociados con el plegamiento de proteínas , la difusión a través de membranas , los mecanismos de transferencia de protones , la dinámica de motores moleculares , etc. modulando neutrones térmicos en haces de neutrones lentos. [85] En combinación con materiales fisibles, los neutrones producidos por ICF pueden potencialmente usarse en diseños de fusión nuclear híbrida para producir energía eléctrica.
La reacción de fusión excedió la cantidad de energía absorbida por el combustible.