La fusión de iones pesados es un concepto de energía de fusión que utiliza una corriente de iones de alta energía provenientes 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 suministro de energía a la pastilla de combustible; los "controladores" basados en láser típicos 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 en gran medida el costo de operación y, en cierta medida, el costo de construcción de la planta en comparación con un sistema láser.
El concepto básico ya se había sugerido en alguna ocasión antes de 1970, utilizando electrones o protones. Los límites fundamentales en el enfoque del haz utilizando electrones y las distancias de frenado de los protones llevaron al concepto de utilizar iones pesados, cuya mayor masa les permite permanecer más enfocados y detenerse más rápidamente. Una importante reunión en 1976 condujo a la rápida adopción del concepto hasta finales de los años 70 y principios de los 80. A finales de los 70, la fusión de iones pesados (HIF) se describió como "el enfoque conservador" para un reactor de fusión funcional. El trabajo posterior culminó en el diseño HYLIFE-II, preparado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) a principios de los 90.
Desde entonces, a pesar del interés que ha suscitado, no se ha construido ningún dispositivo experimental a gran escala que utilice este método. Tiene la desventaja de que los aceleradores con las energías requeridas solo se pueden construir 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 método ICF.
La fusión se produce cuando los átomos se acercan y la fuerza nuclear los atrae para formar un único núcleo más grande . Contrarrestando este proceso está 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, aquellos con 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 en un gas se distribuyen en un amplio rango de energías conocido como la distribución de Maxwell-Boltzmann . A cualquier temperatura dada, la mayoría de las partículas están a energías más bajas, con una " cola larga " que contiene cantidades más pequeñas de partículas a energías mucho más altas. Entonces, si bien el umbral de 100 keV representa una temperatura de más de mil millones de grados, para producir eventos de fusión, el combustible no tiene que calentarse a esta temperatura en su totalidad; algunas reacciones ocurrirán a temperaturas 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 de nuevo en el combustible, calentándolo. Existe una temperatura crítica en la que la velocidad de las reacciones, y por tanto la energía depositada en el combustible, equilibra las pérdidas al medio ambiente a través de partículas que escapan y radiación. En este punto, la reacción se vuelve autosostenida, un punto conocido como ignición . Para el combustible DT, el autocalentamiento es principalmente a través de partículas alfa y la temperatura correspondiente está entre 50 y 100 millones de grados. La velocidad general de fusión depende de la combinación de temperatura, densidad y tiempo de confinamiento de energía, conocido como el 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 campos puede mantener el combustible alejado de las paredes del recipiente. Luego, el combustible se calienta durante un período prolongado. A las densidades que son 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 para este tipo de escala de tiempo ha demostrado ser difícil, aunque las máquinas experimentales modernas se están acercando a las condiciones necesarias para la producción neta de energía, o el punto de equilibrio . [1]
El segundo enfoque importante es el confinamiento inercial . Las partículas 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", esta distancia puede ser del orden de muchos metros, [a] pero a densidades muy altas esta distancia se reduce considerablemente, hasta micrones . El enfoque inercial aprovecha este efecto comprimiendo el combustible a una densidad extremadamente alta, en cuyo punto una pequeña gota de combustible del orden de miligramos será suficiente para permitir la ignición. Además, el colapso hace que la temperatura del combustible aumente a través del proceso adiabático , lo que proporciona dos de las tres entradas del producto triple. [1]
No se intenta mantener estas condiciones durante un período de tiempo significativo; el combustible explota hacia afuera poco después de que termina el pulso impulsor, ralentizado únicamente por la inercia de las partículas. El tiempo de confinamiento es del orden de microsegundos, por lo que las temperaturas y la densidad deben ser muy altas para que una cantidad apreciable del combustible experimente la fusión. Este enfoque ha tenido éxito en la producción de reacciones de fusión, pero hasta la fecha, los dispositivos que pueden proporcionar la compresión, típicamente láseres , requieren mucha más energía de la que producen las reacciones. [1]
El proceso de fusión por fusión tiene dos efectos independientes: uno es comprimir el combustible para que las alfas queden capturadas en su interior y el segundo es calentar el combustible a las temperaturas necesarias para que comiencen las reacciones. Para capturar las alfas de manera eficiente, se desea una densidad de aproximadamente 1000 veces la del agua, [b] lo que requiere una energía de haz de aproximadamente 10 7 julios por gramo (J/g) de masa objetivo. Por el contrario, calentar el combustible a temperaturas de fusión requiere aproximadamente 10 9 J/g. Por este motivo, se han hecho esfuerzos para encontrar formas de calentar el combustible por separado; la solución típica es moldear la entrega 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 "motor". En el caso simple en el que el láser apunta directamente al objetivo de combustible, conocido como "accionamiento directo", 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 fuertes en el tiempo de enfoque y entrega, y es difícil de lograr. Por esta razón, la mayoría de los dispositivos ICF de gran tamaño utilizan el proceso de "accionamiento indirecto", en el que el motor calienta un cilindro de metal conocido como "hohlraum" tan caliente que comienza a liberar rayos X , que a su vez brillan sobre una cápsula suspendida en el 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 la fecha, los requisitos de energía normalmente se han cumplido utilizando láseres complejos de vidrio de fosfato dopado con neodimio que tienen una eficiencia general 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. En el caso de la Instalación Nacional de Ignición , el sistema ICF más grande y poderoso hasta la fecha, solo entre 10 y 14 kJ de los 4 MJ originales de la energía del láser llegan al 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 esa cantidad, lo que implica que la relación entre la energía del láser de entrada y la energía de fusión de salida, [c] o ganancia , tiene que ser del orden de cientos o miles. Hasta la fecha, el récord en NIF es de 1,3 MJ de fusión a partir de 2 MJ de salida de láser, [5] a partir 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 ignición de la fusión utilizando pequeños grupos de partículas que se han acelerado a unos 200 km/s, un concepto que ahora se conoce como fusión por impacto de racimo . Este concepto no es similar al ICF moderno, ya que las partículas aceleradas están destinadas a sufrir la fusión directamente y no se utilizan únicamente como impulsores como en el concepto ICF. La publicación de varios artículos relacionados con el ICF a finales de la década de 1960 impulsó a Winterberg a publicar un artículo en 1968 que describe el uso de electrones o iones acelerados en lugar de los sistemas láser en una disposición ICF. [7]
Al Maschke, que trabajaba en el Sincrotrón de Gradiente Alternado (AGS) del Laboratorio Nacional de Brookhaven , sugirió el uso de un sincrotrón de protones, como el AGS, como base para un controlador de ICF. Esto podría proporcionar 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 cargas iguales y sería difícil obtener la intensidad necesaria para el 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] Estos 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 acontecimiento significativo en la historia del HIF fue una reunión de dos semanas en julio de 1976 en el Hotel Claremont de Berkeley, California, donde las ideas de Maschke fueron estudiadas por unos cincuenta participantes de todos los principales laboratorios y universidades de aceleradores de partículas y fusión. Su informe sobre la reunión demostró que no había problemas que fueran motivo de alarma 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 de ICF, John S. Foster Jr. concluyó que el 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 el Departamento de Energía finalmente fue persuadido a proporcionar algún financiamiento para formar una organización oficial que manejara estos esfuerzos, el programa de Investigación del Acelerador de Fusión de Iones Pesados, o HIFAR. Durante la siguiente década, el grupo HIFAR en Lawrence Berkeley, junto con grupos similares en Lawrence Livermore y otros lugares, continuó estudiando el concepto básico. Los estudios continuaron durante la siguiente década, dando como resultado dos propuestas de diseños completos de plantas de energía, HYLIFE y HYLIFE-II. [13]
Durante este mismo período, el enfoque clásico basado en láser para la fusión de electrones (ICF) sufrió una serie de reveses significativos. 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 se puso a prueba esta predicción 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 lo haría, pero el sistema Nova resultante construido a esta escala demostró en cambio otro conjunto de problemas significativos y una vez más no cumplió con las predicciones. [14]
Los experimentos que utilizaron armas nucleares como motor en lugar del láser, parte de Halite/Centurion, sugirieron que se necesitaban energías mucho más altas, tal vez hasta 100 MJ, muy por encima de las capacidades de cualquier sistema láser. Incluso en los mejores escenarios, con varios avances en la conformación 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 equilibrara, incluso ignorando todos los mecanismos de pérdida. [15]
Esta serie de eventos condujo a un renovado interés en el HIF. Debido a que la eficiencia del controlador era mucho mayor, la ganancia requerida era correspondientemente menor, del orden de Q = 10. Una ganancia menor significaba una dinámica de implosión mucho menos exigente, así como explosiones menos potentes que podían contenerse en un dispositivo más pequeño. Desde fines 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 sobre aceleradores adecuados. [16] [17]
Un problema práctico para el método HIF es el hecho de que para proporcionar la energía y el tiempo correctos, el acelerador tiene que ser grande. Sería deseable que la mayoría de los iones se detuvieran aproximadamente en el mismo lugar en el objetivo para producir un efecto simétrico. Para lograrlo, la energía de los iones tiene que ser bastante precisa. En el caso de un tipo de ion de uso común, 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 a los iones de plomo este nivel de energía no es pequeño ni económico, incluso para un número bajo de iones, lo que hace que sea difícil de producir en un dispositivo de pequeña escala.
En cambio, 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 ha experimentado un desarrollo; la máquina más pequeña posible sigue siendo bastante grande y cara. Para fines de desarrollo, los láseres serían más simples y menos costosos, y al mismo tiempo funcionarían de manera similar en términos de física de implosión. Dicho esto, a medida que el programa láser ICF continuó, se demostró que se requieren controladores cada vez más grandes, lo que culminó en el NIF que, con un costo de aproximadamente 4 mil millones de dólares y el tamaño de dos campos de fútbol, no es ni pequeño ni económico. [f]
En 2003, el DOE decidió centrar todos sus esfuerzos en el marco 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 prácticamente terminaron en ese momento. [15]
La energía necesaria para comprimir un objetivo de ICF a la densidad requerida es de aproximadamente 10 7 J/g, por lo que para pequeñas cantidades de combustible del orden de 1 mg, el requisito de energía es de aproximadamente 10 kJ. Sin embargo, se requiere energía adicional para calentar el combustible a 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 aproximadamente el 90% de esa energía y, por lo tanto, los impulsores deben ser del orden de 1 MJ. [8] [h]
En la década de 1970, cuando se empezó a considerar el concepto, los aceleradores más potentes, que normalmente utilizaban electrones o protones, aceleraban pequeñas cantidades de partículas hasta alcanzar energías elevadas. Los que podían alcanzar 1 MJ generalmente lo hacían con protones con energías de alrededor de 20 GeV. Estas partículas altamente relativistas pasan directamente a través de objetos pequeños sin reducir su velocidad, lo que las hace inadecuadas para el ICF. Lo ideal sería que un conductor utilizara cantidades mucho mayores de partículas de menor energía que se detuvieran más rápidamente. A energías no relativistas, inferiores a 20 MeV, tienen una probabilidad razonable de detenerse en un objeto pequeño. A estas energías, la cantidad de partículas, o "luminosidad", necesaria para entregar la energía necesaria supera con creces a cualquier tecnología existente. [8]
Pasar a partículas más pesadas tiene cierta ventaja en términos de reducción de velocidad, ya que la 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 en la velocidad no es grande. La ventaja clave es la forma en que las partículas se desaceleran dentro de un objetivo. A medida que pasan los átomos en el objetivo, su carga eléctrica ioniza los átomos del objetivo, y son estas interacciones las que desaceleran la partícula en un proceso de dispersión conocido como la colisión de Coulomb . Un efecto curioso en la colisión de Coulomb es el pico de Bragg, que es causado por la desaceleración del ion cerca del final de su trayectoria. Este efecto significa que cuando los iones se disparan en una sustancia, la mayoría de ellos se depositarán a una distancia bien definida. Para cualquier distancia de frenado seleccionada y energía de partícula elegida, un ion pesado se detendrá en aproximadamente tres órdenes de magnitud de distancia más corta que un protón, lo que hace que el sistema sea mucho más fácil de organizar. [8] [19]
Al igual que en 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; el accionamiento directo requiere una precisión del haz del controlador mucho mayor, pero entrega alrededor del 15% de la energía del controlador al combustible, mientras que el accionamiento indirecto es menos crítico en cuanto a la colocación y el tiempo del haz, mientras que entrega solo alrededor del 5% de la energía al objetivo. [18]
En el caso del accionamiento indirecto, el sistema es casi idéntico al de los sistemas accionados por láser, las diferencias se encuentran principalmente en el diseño del hohlraum. En los dispositivos láser, el hohlraum tiene forma de cilindros abiertos y los rayos láser brillan a través de los extremos y sobre las paredes internas. En el caso de un controlador de iones, la distancia de frenado haría que los rayos X se capturaran dentro de las paredes del hohlraum. En cambio, el hohlraum tiene forma de una carcasa delgada, normalmente un 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, calentándolas hasta que comienzan a emitir rayos X que llenan la carcasa. Los rayos X luego hacen que la cápsula de combustible colapse exactamente de la misma manera que en el caso del láser. Sin embargo, hay una ventaja para el controlador HIF en este caso, ya que puede oscilar rápidamente a altas frecuencias, lo que permite que los rayos se muevan dentro del hohlraum para equilibrar el calentamiento. Se ha demostrado que la formación de puntos calientes en las paredes del espacio de exposición es un problema en los dispositivos láser, que esto podría evitar. [19]
Debido a que la distancia de frenado de los iones es del orden de 1 mm, los objetivos para HIF de accionamiento directo son generalmente más grandes y mucho más gruesos que los de los sistemas láser. Un diseño típico tiene un radio de unos 4 mm, con una capa exterior de plomo u oro, un propulsor 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. Este diseño, 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 la iluminación sugieren que se requieren de 16 a 32 haces. Algunos diseños de cápsulas añaden 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 esto depositaba energía 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 condujo al concepto moderno del "pie", un período inicial de energía mucho menor que comienza el proceso de impulso mientras evita el precalentamiento, y luego el "pulso principal" que sigue cerca del final del proceso que impulsa la etapa final de alta compresión. Debido a la masa de la capa impulsora, todo el proceso es más lento que en los sistemas láser, ya que el pulso en su conjunto dura aproximadamente 35 ns, en comparación con quizás 1 ⁄ 3 de lo que duran los pulsos láser. [20]
Hay dos conceptos principales de diseño para los sistemas de controladores: los equipos estadounidenses se concentran en los aceleradores de inducción y los equipos europeos y japoneses en los aceleradores de radiofrecuencia. [21]
Los aceleradores de RF consisten en un tubo con huecos periódicos, cada uno de ellos encerrado en una cavidad resonante. Cuando se aplica una señal de radiofrecuencia a través del hueco, cada uno comienza a resonar a una frecuencia elegida. Esto produce una fuerza eléctrica a través del hueco que acelera los iones a lo largo del tubo. La señal está sincronizada de modo que alcanza un pico cuando pasa un grupo de iones. Esto significa que solo puede acelerar pulsos cortos de iones y, por lo tanto, requiere alguna forma de combinar los pulsos nuevamente. [21]
Los aceleradores de inducción consisten en una serie de solenoides espaciados a lo largo de la línea de luz. Cada uno se alimenta a medida que los iones pasan por él, acelerándolos. Esto tiene la ventaja de permitir que los aceleradores se envuelvan 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 muy baja , la dispersión de los iones en el espacio y la velocidad. Esto es esencialmente una medida de su movimiento aleatorio cuando se crean, que es una función de su temperatura. Para proporcionar la emitancia deseada, se deben desarrollar nuevos inyectores de baja temperatura. [21]
La carga eléctrica positiva de los iones los aleja unos de otros con el tiempo, lo que conduce al concepto de límite de carga espacial , el número máximo de iones en un volumen dado 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 haz paralelas que se combinan justo cuando se acercan a la cámara del objetivo. Los diseños europeos favorecen el uso de anillos de almacenamiento para esta función. En ambos casos, un pulso inicial largo 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 sufre una compresión repetida hasta que solo dura 10 ns. [21]
En cualquier versión, los diseños resultantes son muy largos. Las ilustraciones estadounidenses generalmente utilizan una línea de haz plegada que tiene forma de U, con una longitud total del orden de 1 kilómetro (0,62 mi). [22] Esta 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 a una versión de corriente más alta para un reactor de producción.
El uso de iones tiene importantes ventajas prácticas frente a los láseres. Para empezar, los láseres que pueden alcanzar los niveles de energía deseados son extremadamente ineficientes, ya que aproximadamente el 1% de la electricidad que se les suministra termina en forma de fotones en el haz. Por el contrario, los controladores HIF introducen quizás entre el 30 y el 40% de la energía de entrada en el haz. [19] Esto facilita significativamente el rendimiento requerido de los objetivos si el objetivo es producir una salida de energía neta; un láser de 4 MJ requiere aproximadamente 400 MJ de energía eléctrica y, considerando que un generador de ciclo Rankine moderno tiene una eficiencia de aproximadamente el 40%, la salida de la cápsula debe ser de al menos aproximadamente 1 GJ para recargar el láser. Por el contrario, la misma energía de haz de 4 MJ podría producirse con un controlador HIF de 10 MJ, lo que requiere aproximadamente 40 MJ de salida de fusión, un objetivo drásticamente más simple. Considerando 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 de disparar rápidamente 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, y requieren un tiempo para enfriarse antes de poder volver a utilizarse. En la práctica, esto limita los dispositivos como el NIF a quizás unos pocos "disparos" al día, y aunque esto se puede aumentar mediante el uso de sistemas de refrigeración avanzados, estos pueden reducir los tiempos de disparo a minutos o quizás decenas de segundos. En contraste, los HIF no tienen componentes de enfoque en línea o control del haz, todo eso se maneja mediante imanes que rodean las líneas de haz. Esto les permite disparar continuamente, y parece posible alcanzar velocidades de 10 a 15 disparos por segundo. [19] Esto es una enorme ventaja en el caso de una planta operativa donde el tiempo de disparo debe ser lo suficientemente rápido para que la salida 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 temporal más largo, el movimiento continuo del dispositivo debido a la inclinación y los eventos sísmicos debe tenerse en cuenta a lo largo de las largas distancias de recorrido de los haces. 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 de HIF a través de pequeños cambios de los campos en los imanes de dirección finales. Esto también se puede utilizar para dirigir los haces entre cámaras de reacción completamente diferentes, lo que ofrece operaciones de conmutación por error y la capacidad de disparar en diferentes cámaras en sucesión si la frecuencia de pulso deseada es más rápida de lo que se puede limpiar cualquier cámara. [23]
Por último, la óptica final por donde el láser entra en la cámara de reacción está sujeta a la salida directa de los eventos de fusión, incluidos neutrones de alta energía y otras partículas y radiaciones. Esto conduce a una erosión constante de las ventanas, lo que puede causar problemas importantes con la luz de alta energía. Esto ha surgido como un problema importante en los dispositivos ICF controlados por láser. [8] La capacidad del HIF de ser fácilmente dirigido ofrece una serie de soluciones simples a estos problemas, lo que permite aislar las líneas de luz de las reacciones utilizando obturadores mecánicos giratorios u otros conceptos. [24]
Durante los años 1990 y 2000 se publicaron varios estudios de diseño, con la ayuda de simulaciones cada vez mejores del proceso de 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 de HIF que utiliza flúor fundido para proteger las paredes de la cámara de reacción, así como para generar tritio como combustible. El diseño de referencia de 1 GWe dio como resultado un costo nivelado de la electricidad (LCOE) esperado 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 solo se volvió competitivo cuando el reactor aumentó de escala a un tamaño muy grande de 2 GWe, lo que limitaría significativamente su aplicabilidad comercial. [25] El artículo concluye:
Para ser competitivos con el carbón y la energía nuclear de LWR en el futuro, el costo de la electricidad debe reducirse en un factor de 2. [27]
Una revisión más moderna llega a la misma conclusión:
Por último, la investigación orientada a la reducción de costos es de importancia crítica. [28]