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 pequeñas bolitas que, por lo general, contienen deuterio ( 2 H) y tritio ( 3 H).
La energía se deposita en la capa exterior del objetivo, que explota hacia el exterior. Esto produce una fuerza de reacción en forma de ondas de choque que recorren el objetivo. Las ondas lo comprimen y lo calientan. Las ondas de choque lo suficientemente potentes generan fusión.
La ICF es una de las dos ramas principales de la investigación sobre energía de fusión; la otra es la fusión por confinamiento magnético (MCF). Cuando se propuso por primera vez a principios de la década de 1970, la 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 llevaron a cabo experimentos para comprender la interacción de la luz láser de alta intensidad y el plasma . Estos llevaron al diseño de máquinas mucho más grandes que lograron energías generadoras de ignición.
El mayor experimento de ICF en funcionamiento es la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en los EE. UU. En 2022, la NIF produjo fusión, entregando 2,05 megajulios (MJ) de energía al objetivo, que produjo 3,15 MJ, la primera vez que un dispositivo de ICF produjo más energía de la que se entregó al objetivo. [1] [2]
Las reacciones de fusión combinan átomos más pequeños para formar átomos 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. Para superar la repulsión electrostática se necesita energía cinética suficiente para superar la barrera de Coulomb o barrera de fusión . [3]
Se necesita menos energía para provocar la fusión de núcleos más ligeros, ya que tienen menos carga eléctrica y, por lo tanto, una energía de barrera más baja. Por lo 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 fácil es una mezcla de 2 H y 3 H, conocida como DT. [3]
Las probabilidades de que se produzca una fusión son una función de la densidad y la temperatura del combustible y del tiempo que se mantengan la densidad y la temperatura. Incluso en condiciones ideales, la probabilidad de que un par D y T se fusionen 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 producto triple 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 la década de 1950. Una bomba de hidrógeno consta de dos bombas en una sola carcasa. La primera, la etapa primaria , es un dispositivo alimentado 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 consiste principalmente en el combustible de fusión. Los rayos X calientan este material y hacen que explote. Debido a la Tercera Ley de Newton , esto hace que el combustible en el interior sea impulsado hacia adentro, comprimiéndolo y calentándolo. Esto hace que el combustible de fusión alcance la temperatura y la 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, una alfa puede viajar unos 10 mm a través del combustible, pero en las condiciones ultradensas del combustible comprimido, pueden viajar unos 0,01 mm antes de que su carga eléctrica, al interactuar con el plasma circundante, haga que pierda velocidad. [7] Esto significa que la mayor parte de la energía liberada por las alfa se vuelve a depositar en el combustible. Esta transferencia de energía cinética calienta las partículas circundantes hasta las energías que necesitan para experimentar la fusión. Este proceso hace que el combustible de fusión se queme hacia afuera desde el centro. Los neutrones eléctricamente neutros viajan distancias más largas en la masa del combustible y no contribuyen a este proceso de autocalentamiento. En una bomba, se utilizan en cambio para generar tritio a través de reacciones en un combustible de deuteruro de litio, o se utilizan para dividir el combustible fisionable adicional que rodea la etapa secundaria, que a menudo forma parte de la carcasa de la bomba. [5]
El requisito de que la reacción se inicie con una bomba de fisión hace que este método sea poco práctico para la generación de energía. No sólo sería costoso producir los detonantes 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 reacción secundaria de fusión se sumaría a este rendimiento. Esto hace que sea un problema de ingeniería difícil extraer energía de las explosiones resultantes. El proyecto PACER estudió soluciones a los problemas de ingeniería [6], pero también demostró que no era económicamente viable. El costo de las bombas era mucho mayor que el valor de la electricidad resultante [8] .
La energía necesaria para superar la barrera de Coulomb corresponde a la energía de la 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 de 1,4 megajulios (MJ). [9]
En el método de energía de fusión magnética (EMF), más ampliamente desarrollado , 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 a nivel del mar tiene aproximadamente 2,7 x 10 19 partículas/cc, por lo que el método de EMF 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 conduce a un tiempo de confinamiento de alrededor de 2 x 10 −10 segundos. En densidad líquida, el tiempo de confinamiento requerido es de aproximadamente 2 x 10 −7 s. En este caso, solo alrededor del 0,1 por ciento del combustible se fusiona antes de que la gota explote. [10]
La velocidad de las reacciones de fusión es una función de la densidad, y la densidad puede mejorarse 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 velocidad total de fusión aumenta 1.000 veces mientras que el confinamiento se reduce 10 veces, una mejora de 100 veces. En este caso, el 10% del combustible sufre fusión; 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 el ICF es que no es necesario elevar toda la masa del 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 que la rodea. En la densidad líquida, las partículas alfa viajan unos 10 mm y, por lo tanto, su energía escapa del combustible. En el combustible comprimido de 0,1 mm, las partículas alfa tienen un alcance de unos 0,016 mm, lo que significa que se detendrán dentro del combustible y lo calentarán. En este caso, se puede provocar una "combustión propagada" calentando solo 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 combustión y en abordar los numerosos problemas prácticos para alcanzar la densidad deseada.
Los primeros cálculos sugerían 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 del calentamiento implicó una "modelación" 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 al combustible comprimido que se dirijan hacia el interior, hacia el centro. Cuando llegan al centro, se encuentran con las ondas que llegan desde otros lados. Esto provoca un breve período en el que la densidad en el centro alcanza valores mucho más altos, superiores a los 800 g/cm 3 . [14]
El concepto de ignición por punto caliente central fue el primero en sugerir que el ICF no sólo era una vía práctica para la fusión, sino que además era relativamente simple. Esto condujo a numerosos esfuerzos para construir sistemas que funcionaran a principios de los años 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 conformación compleja del pulso en múltiples intervalos de tiempo. [15]
El método de encendido rápido emplea un láser independiente para suministrar energía adicional directamente al centro del combustible. Esto se puede hacer mecánicamente, a menudo utilizando 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 método falló [ cita requerida ] porque el pulso láser tenía que llegar al centro en un momento preciso, mientras que el centro está oscurecido por los desechos y los electrones libres del pulso de compresión. También tiene la desventaja de requerir un segundo pulso láser, que generalmente implica un láser completamente separado.
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 onda de choque potente al combustible en un momento posterior mediante una combinación de compresión y calentamiento por choque. Esto aumenta la eficiencia del proceso y, al mismo tiempo, reduce la cantidad total de energía requerida.
En el método más simple de confinamiento inercial, el combustible se dispone como una esfera, lo que permite comprimirlo uniformemente desde todos los lados. Para generar la fuerza hacia adentro, el combustible se coloca dentro de una cápsula delgada que absorbe la energía de los rayos impulsores, lo que hace que la cubierta de la cápsula explote hacia afuera. La cubierta de la cápsula generalmente está 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.
El proceso de implosión debe ser extremadamente uniforme para evitar la asimetría debida a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor y otros efectos similares. Para una energía de haz de 1 MJ, la cápsula de combustible no puede ser más grande que unos 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 lograr en la práctica.
Otra opción es la de "impulsión indirecta", que ilumina un pequeño cilindro de metal pesado, a menudo oro o plomo , conocido como hohlraum . La energía del haz calienta el hohlraum hasta que emite rayos X. Estos rayos X llenan el interior del hohlraum y calientan la cápsula. La ventaja de la impulsión indirecta es que los haces pueden ser más grandes y menos precisos. La desventaja es que gran parte de la energía suministrada se utiliza para calentar el hohlraum hasta que esté "caliente a rayos X", por lo que la eficiencia energética de extremo a extremo es mucho menor que con el método de impulsión directa.
Los principales desafíos para aumentar el rendimiento del ICF son:
Para enfocar la onda de choque en el centro del objetivo, este debe estar fabricado con gran precisión y esfericidad , con tolerancias de no más de unos pocos micrómetros en 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 utilizando líneas de retardo en la trayectoria óptica de los haces para lograr una precisión de picosegundos .El otro problema importante es el denominado desequilibrio "haz-haz" y la anisotropía del haz . Estos problemas se producen, respectivamente, cuando la energía suministrada por un haz puede ser mayor o menor que la de otros haces que inciden y cuando hay "puntos calientes" dentro del diámetro de un haz que inciden en un objetivo, lo que induce una compresión desigual en la superficie del objetivo, lo que forma inestabilidades de Rayleigh-Taylor [16] en el combustible, mezclándolo prematuramente y reduciendo la eficacia de calentamiento en el instante de máxima compresión. La inestabilidad de Richtmyer-Meshkov también se forma durante el proceso debido a las ondas de choque.
Estos problemas se han mitigado mediante técnicas de suavizado de haz y diagnósticos de energía de haz; sin embargo, la inestabilidad de RT sigue siendo un problema importante. Los objetivos criogénicos de hielo de hidrógeno modernos tienden a congelar una capa delgada de deuterio en el interior de la carcasa mientras lo irradian con un láser infrarrojo de baja potencia para suavizar su superficie interna y lo monitorean con una cámara equipada con un microscopio , lo que permite monitorear de cerca la capa. [18] Los objetivos criogénicos llenos de DT son "autosuavizantes" debido a la pequeña cantidad de calor creada por la desintegración del tritio. Esto se conoce como " capa beta ". [19]
En el enfoque de propulsión 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 absorben una cantidad considerable de energía para calentarse, lo que reduce significativamente la eficiencia de transferencia de energía. La mayoría de las veces, los objetivos hohlraum de propulsión indirecta se utilizan para simular pruebas de armas termonucleares debido al hecho de que el combustible de fusión en las armas también implosiona principalmente por la radiación de rayos X.
Los controladores ICF están evolucionando. Los láseres han aumentado su potencia desde unos pocos julios y kilovatios hasta megajulios y cientos de teravatios, utilizando principalmente luz de frecuencia duplicada o triplicada proveniente de amplificadores de vidrio de neodimio . [ cita requerida ]
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 requeridas 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 requerida ]
La historia del ICF comenzó como parte de la conferencia " Átomos para la paz " en 1957. Se trataba de una conferencia internacional patrocinada por la ONU entre los Estados Unidos y la Unión Soviética . Se pensó en utilizar una bomba de hidrógeno para calentar una caverna llena de agua. El vapor resultante podría utilizarse para alimentar generadores convencionales y, de ese modo, proporcionar energía eléctrica. [6]
Esta reunión dio lugar a la Operación Plowshare , formada en junio de 1957 y nombrada formalmente en 1961. Incluía tres conceptos principales: la generación de energía bajo el Proyecto PACER, el uso de explosiones nucleares para excavaciones y para 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 sal sedimentada en Nuevo México. Mientras la prensa observaba, se liberó vapor radiactivo del pozo de perforación, a cierta distancia del sitio de prueba. Estudios posteriores diseñaron cavidades diseñadas para reemplazar las naturales, pero Plowshare empeoró, especialmente después del fracaso del Sedan de 1962 que produjo una importante lluvia radiactiva . PACER continuó recibiendo financiación hasta 1975, cuando un estudio de terceros demostró que el costo de la electricidad de PACER sería diez veces el costo de las plantas nucleares convencionales. [21]
Otro resultado de Atoms For Peace 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 bomba primaria de fisión. [6] Propuso construir, en efecto, diminutos explosivos de fusión total utilizando una pequeña gota de combustible DT suspendida en el centro de un hohlraum. La carcasa proporcionaba el mismo efecto que la carcasa de la bomba en una bomba H, atrapando rayos X en el interior para irradiar el combustible. La principal diferencia es que los rayos X serían suministrados por un dispositivo externo que calentaría la carcasa desde el exterior hasta que brillara en la región de rayos X. La energía sería suministrada por una fuente de energía pulsada no identificada en ese momento a la que se refería, utilizando la terminología de las bombas, como la "primaria". [22]
La principal ventaja de este esquema es la eficiencia de fusión a altas densidades. De acuerdo con el criterio de Lawson, la cantidad de energía necesaria para calentar el combustible DT hasta alcanzar las condiciones de equilibrio a presión ambiente es quizás 100 veces mayor que la energía necesaria para comprimirlo hasta una presión que proporcione la misma tasa de fusión. Por lo tanto, en teoría, el enfoque ICF podría ofrecer una ganancia drásticamente mayor. [22] Esto se puede entender 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 sus alrededores, que continúa aumentando a medida que aumenta la temperatura del combustible. En el caso de ICF, todo el hohlraum está lleno de 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 por explosivos de gran potencia. [24] En un informe desclasificado de la antigua Stasi de Alemania del Este (Staatsicherheitsdienst) se incluyen más referencias al trabajo de Winterberg en Alemania sobre microexplosiones nucleares (mininukes) . [25]
En 1964, Winterberg propuso que la ignición podría lograrse mediante un haz intenso de micropartículas aceleradas a una velocidad de 1000 km/s. [26] En 1968, propuso utilizar haces intensos 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 solo son menos costosos que los haces láser, sino que pueden atrapar los productos de reacción de fusión cargados debido al fuerte campo automagnético del haz, lo que reduce drásticamente los requisitos de compresión para los objetivos cilíndricos encendidos por haz.
En 1967, el investigador Gurgen Askaryan publicó un artículo en el que proponía el uso de rayos láser enfocados en la fusión de deuteruro de litio o deuterio. [28]
A finales de la década de 1950, colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) completaron simulaciones por computadora del concepto de ICF. A principios de 1960, realizaron una simulación completa de la implosión de 1 mg de combustible DT dentro de una capa densa. La simulación sugirió que una entrada de energía de 5 MJ al hohlraum produciría 50 MJ de salida de fusión, una ganancia de 10x. Esto fue antes de que se consideraran el láser y una variedad de otros posibles impulsores, incluidas las máquinas de energía pulsada, los aceleradores de partículas cargadas, los cañones de plasma y los cañones 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 "moldeado de pulso", lo que llevó a una mejor implosión. El segundo fue hacer la carcasa mucho más grande y delgada, formando una carcasa delgada 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. Con estas mejoras, se calculó que se necesitaría un impulsor de aproximadamente 1 MJ, [30] una reducción de cinco veces. Durante los siguientes dos años, se propusieron otros avances teóricos, en particular el desarrollo de Ray Kidder de un sistema de implosión sin hohlraum, el llamado enfoque de "impulso directo", 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 parecía presentar un mecanismo de accionamiento perfecto. A partir de 1962, el director de Livermore, John S. Foster, Jr. y Edward Teller comenzaron un pequeño estudio del láser ICF. Incluso en esta etapa temprana, la idoneidad del ICF para la investigación de armas era bien entendida y fue la razón principal para su financiación. [32] Durante la década siguiente, LLNL fabricó pequeños dispositivos experimentales para estudios básicos de interacción láser-plasma.
En 1967, Kip Siegel fundó KMS Industries. A principios de los años 70, formó KMS Fusion para comenzar a desarrollar un sistema ICF basado en láser. [33] Este desarrollo provocó una considerable oposición por parte de los laboratorios de armas, incluido el LLNL, que presentó 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 de un agresivo programa soviético de ICF, nuevos láseres de CO2 y vidrio de mayor potencia , el concepto de controlador de haz de electrones y la crisis energética que añadió ímpetu a muchos proyectos energéticos. [32]
En 1972, John Nuckolls escribió un artículo en el que presentaba el ICF y sugería que se podían crear sistemas de prueba para generar fusión con controladores en el rango de kJ y sistemas de alta ganancia con controladores de 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 fue seguido pronto por la muerte de Siegel y el final 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 de Nd: vidrio ) en LLNL y la Universidad de Rochester , y los sistemas de láseres excimer de fluoruro de criptón en Los Álamos y el Laboratorio de Investigación Naval .
Los experimentos de ICF de alta energía (varios cientos de julios por disparo) comenzaron a principios de los años 70, cuando aparecieron mejores láseres. La financiación de la investigación sobre fusión se vio estimulada por las crisis energéticas que produjeron rápidos avances en el rendimiento, y los diseños inerciales pronto alcanzaron las mismas condiciones de "por debajo del punto de equilibrio" de los mejores sistemas MCF.
En particular, el LLNL estaba bien financiado y comenzó un programa de desarrollo de fusión láser. Su láser Janus comenzó a funcionar en 1974 y validó el enfoque de usar láseres de Nd: vidrio para dispositivos de alta potencia. Se exploraron los problemas de enfoque en los láseres Long Path y Cyclops , que condujeron al láser Argus de mayor tamaño . Ninguno de ellos estaba destinado a ser un dispositivo práctico, pero aumentaron la confianza en que el enfoque era válido. Entonces se creyó que un dispositivo mucho más grande del tipo Cyclops podría comprimir y calentar los objetivos, lo que provocaría la ignición. Esta idea errónea se basó en la extrapolación de los rendimientos de fusión observados en experimentos que utilizaban la llamada cápsula de combustible "explosiva". A fines de la década de 1970 y principios de la de 1980, las estimaciones de energía láser en el objetivo necesaria 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 constatación de que los diseños de objetivos de empuje explosivos y las intensidades de irradiación láser de un solo dígito en kilojulios (kJ) nunca alcanzarían altos rendimientos condujo al esfuerzo de aumentar las energías del láser al nivel de 100 kJ en la banda ultravioleta y a la producción de diseños avanzados de objetivos de hielo DT criogénicos y abladores.
Uno de los primeros intentos a gran escala de diseñar un controlador de ICF fue el láser Shiva , un sistema láser de vidrio dopado con neodimio de 20 haces en el LLNL que comenzó a funcionar en 1978. Shiva era un diseño de "prueba de concepto" destinado a demostrar la compresión de cápsulas de combustible de fusión a muchas veces la densidad líquida del hidrógeno. En esto, Shiva tuvo éxito, 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 fusión eran bajos. Esta falla en calentar eficientemente el plasma comprimido indicó el uso de multiplicadores de frecuencia óptica como una solución que triplicaría la frecuencia de la luz infrarroja del láser en el ultravioleta a 351 nm. Los esquemas para triplicar eficientemente la frecuencia de la luz láser descubiertos en el Laboratorio de Energética Láser en 1980 se experimentaron en el láser OMEGA de 24 haces y el láser NOVETTE , al que siguió el diseño del láser Nova con 10 veces la energía del Shiva, el primer diseño con el objetivo específico de alcanzar la ignición.
Nova también fracasó, esta vez debido a una variación importante en la intensidad del láser en sus haces (y diferencias de 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 pioneras anteriores no pudieron abordar estos nuevos problemas. Este fracaso condujo a una comprensión mucho mayor del proceso de implosión, y el camino a seguir parecía nuevamente claro, a saber, aumentar la uniformidad de la irradiación, reducir los puntos calientes en los haces láser mediante técnicas de suavizado de haz para reducir las inestabilidades de Rayleigh-Taylor y aumentar la energía del láser en el objetivo al menos en un orden de magnitud. La financiación se vio limitada en la década de 1980.
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El diseño resultante de 192 haces, denominado National Ignition Facility , comenzó a construirse en LLNL en 1997. El objetivo principal de 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 de NIF establecieron nuevos récords de suministro de energía por un láser. [38] [39] Al 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 salida de energía de fusión. [43] El 8 de agosto de 2021 [44] el NIF produjo 1,3 MJ de salida, 25 veces más que el resultado de 2018, generando el 70% de la definición de equilibrio de la ignición, cuando la energía de salida es igual a la energía de entrada. [45] A 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 para hervir 1 kg de agua) para una ganancia de energía de aproximadamente 1,5. [47] [48] [49] [50]
El encendido rápido puede ofrecer una manera de calentar directamente el combustible después de la compresión, desacoplando así las fases de calentamiento y compresión. En este enfoque, el objetivo se comprime primero "normalmente" utilizando un sistema láser. Cuando la implosión alcanza la densidad máxima (en el punto de estancamiento o "momento de explosión"), un segundo láser petavatio (PW) corto y de alta potencia envía un solo pulso a un lado del núcleo, calentándolo drásticamente e iniciando el encendido. [51]
Los dos tipos de ignición rápida son el método de "perforación de plasma" [51] y el método de "cono en la cáscara". [52] En el método de perforación de plasma, el segundo láser perfora el plasma exterior de una cápsula que está implosionando, incide sobre el núcleo y lo calienta. En el método de cono en la cáscara, la cápsula se monta en el extremo de un pequeño cono de alto z (alto número atómico ) de manera que la punta del cono se proyecta hacia el núcleo. En este segundo método, cuando la cápsula está implosionada, el láser tiene una visión clara del núcleo y no utiliza energía para perforar a través de un plasma de "corona". Sin embargo, la presencia del cono afecta el proceso de implosión de maneras significativas que no se comprenden completamente. Actualmente hay varios proyectos en marcha para explorar la ignición rápida, incluidas las actualizaciones del láser OMEGA en la Universidad de Rochester y el dispositivo GEKKO XII en Japón.
HiPer es una instalación propuesta de £500 millones en la Unión Europea . En comparación con los rayos UV de 2 MJ de NIF, se planeó que el controlador de HiPER fuera de 200 kJ y el calentador de 70 kJ, aunque las ganancias de fusión previstas son mayores que las de NIF. Se emplearían láseres de diodo , que convierten la electricidad en luz láser con mucha mayor eficiencia y funcionan a menor temperatura. Esto les permite operar a frecuencias mucho más altas. HiPER propuso operar 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 alcanzó su primera línea experimental en 2002, y sus primeros disparos al blanco se realizaron en 2014. [54] La máquina estaba completa en un 75 % aproximadamente en 2016.
El dispositivo Z -Pinch utiliza un enfoque completamente diferente . El Z -Pinch utiliza corrientes eléctricas masivas que se transmiten a un cilindro compuesto por cables extremadamente finos. Los cables se vaporizan para formar un plasma de alta corriente y conductividad eléctrica. El campo magnético circunferencial resultante comprime el cilindro de plasma, haciéndolo implosionar, generando un pulso de rayos X de alta potencia que se puede utilizar para implosionar una cápsula de combustible. Los desafíos de este enfoque incluyen temperaturas de accionamiento relativamente bajas, lo que da como resultado velocidades de implosión lentas y un crecimiento potencialmente grande de la inestabilidad, y el precalentamiento causado por rayos X de alta energía. [55] [56]
Se propuso el encendido por choque para abordar los problemas del encendido rápido. [57] [58] [59] Japón desarrolló el reactor experimental de diseño KOYO-F y de prueba de fusión inercial por láser (LIFT). [60] [61] [62] En abril de 2017, la empresa emergente de energía limpia Apollo Fusion comenzó a desarrollar una tecnología de reactor híbrido de fusión-fisión. [63] [64]
En Alemania, la empresa tecnológica Marvel Fusion está trabajando en la 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 Múnich en 2019. [69] [70] Trabaja con Siemens Energy , TRUMPF y Thales . [71] La empresa se asoció con la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich en julio de 2022. [72]
En marzo de 2022, la empresa australiana HB11 anunció la fusión mediante el 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 origen de encendido rápido. [74]
Las plantas de energía de fusión inercial (IFE) se han estudiado desde fines de la década de 1970. Estos dispositivos debían entregar múltiples objetivos por segundo a la cámara de reacción y utilizar la energía resultante para impulsar una turbina de vapor convencional .
Incluso si se resolvieran todos los numerosos desafíos técnicos que plantea la ignición, abundan los problemas prácticos. Teniendo en cuenta que la eficiencia del proceso de amplificación láser es del 1 al 1,5% y que los sistemas de turbinas accionados 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 punto de equilibrio energético. [76]
Se podría 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 ajustados para producir la mayor parte de su energía en un rango de frecuencia que se absorba fuertemente. Los dispositivos experimentales iniciales ofrecen eficiencias de alrededor del 10%, y se sugiere que es posible alcanzar el 20%. [ cita requerida ]
NIF utiliza aproximadamente 330 MJ para producir los haces impulsores, 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 impulsores. 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 el reemplazo frecuente de las paredes de contención del núcleo. Otra preocupación es la humedad residual de la fusión (restos que quedan en la cámara de reacción), que podría interferir con los 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 accionamiento indirecto. Si la energía del impulsor no alcanza la pastilla de combustible por completo y golpea la cámara de contención, el material podría ensuciar la región de interacción, o 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 se llevan el calor. El FLiBe pasa a un intercambiador de calor donde calienta el 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 lo contrario debe fabricarse. Otro concepto, Sombrero, utiliza una cámara de reacción construida de 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 los neutrones y su eficiencia como agente de transferencia de calor. [78]
Otro factor que juega en contra de la IFE es el costo del combustible. Incluso cuando Nuckolls estaba desarrollando sus primeros cálculos, sus compañeros de trabajo señalaron que si una máquina de IFE produce 50 MJ de energía de fusión, una inyección podría producir quizás 10 MJ (2,8 kWh) de energía. Las tarifas mayoristas 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 intermedios, el precio real de la energía se ha mantenido más o menos parejo, y la tarifa en 2012 en Ontario, Canadá, era de aproximadamente 2,8 centavos/kWh. [79] Por lo tanto, para que una planta de IFE sea económicamente viable, las inyecciones de combustible tendrían que costar considerablemente menos de diez centavos en dólares de 2012.
Los sistemas de accionamiento directo evitan el uso de un hohlraum y, por lo tanto, pueden resultar menos costosos en términos de combustible. Sin embargo, estos sistemas aún requieren un ablador, y las consideraciones geométricas y de precisión son fundamentales. El enfoque de accionamiento directo puede no ser 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 ICF podrían usarse, por ejemplo, para ayudar a determinar cómo se degrada el rendimiento de la ojiva a medida que envejece, o como parte de un programa de diseño de armas. Retener el conocimiento y la experiencia dentro del programa de armas nucleares es otra motivación para perseguir el ICF. [80] [81] La financiación para el NIF en los Estados Unidos proviene del programa Nuclear Weapons Stockpile Stewardship, cuyos objetivos están orientados en consecuencia. [82] Se ha argumentado que algunos aspectos de la investigación 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 ICF podría conducir a la creación de un " arma de fusión pura ". [84]
El ICF tiene el potencial de producir órdenes de magnitud más neutrones que la espalación . Los neutrones son capaces de localizar átomos de hidrógeno en moléculas, resolver el movimiento térmico atómico y estudiar excitaciones colectivas de fotones con mayor eficacia 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 los motores moleculares , etc. mediante la modulación de neutrones térmicos en haces de neutrones lentos. [85] En combinación con materiales fisionables, los neutrones producidos por ICF pueden potencialmente usarse en diseños de fusión nuclear híbrida para producir energía eléctrica.
La reacción de fusión superó la cantidad de energía absorbida por el combustible