En octubre de 2013, te conté que NIF logró un gran avance hacia la fusión por confinamiento inercial. Hoy se publica en Nature el artículo técnico. Por primera vez la energía obtenida en la fusión nuclear supera a la energía consumida para generarla. Por supuesto, aún estamos muy lejos de la ignición de la fusión y aún más lejos la producción positiva de energía de forma sostenida. Sin embargo, se trata de un gran avance que merece ser publicado en Nature. El artículo técnico es O. A. Hurricane et al., “Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion,” Nature, AOP 12 Feb 2014. Recomiendo leer a Mark Herrmann, “Plasma physics: A promising advance in nuclear fusion,” Nature, AOP 12 Feb 2014.
La reacción de fusión en el NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LNLL) en California consiste en la fusión de núcleos de deuterio y tritio para dar lugar a un núcleo0 de helio (partícula α) y un neutrón. La energía liberada permite sostener el proceso de fusión (tras lograr la ignición) si se evitan las pérdidas de energía en el plasma. La ignición se produce cuando se cumple el criterio de Lawson (1957). Para un plasma de deuterio y tritio a una temperatura de 50 millones Kelvin, debe cumplirse que P τ > 25 atmósferas por segundo, donde P es la presión del plasma y τ es el tiempo de confinamiento de la energía en el plasma (es decir, la constante de tiempo asociada a la pérdida de energía en el plasma confinado). Una vez iniciada la ignición, la fusión se mantiene y produce mucha más energía de la invertida en crear el plasma.
Lograr la ignición (satisfacer el criterio de Lawson) no es fácil. Hay dos grandes enfoques. En la fusión por confinamiento magnético, un intenso campo magnético confina el plasma caliente a una presión de varias atmósferas y durante un tiempo de confinamiento de la energía de unos segundos. En la fusión por confinamiento inercial, el confinamiento es proporcionado por la inercia del propio plasma, por lo que se requieren presiones de miles de millones de atmósferas y tiempos de confinamiento de la energía de décimas de nanosegundos.
El NIF busca la fusión por confinamiento inercial enfocando 192 rayos láser en un blanco de pocos centímetros que contiene una cápsula llena de combustible. En el blanco inciden más 1,8 millones de julios de energía durante menos de 20 nanosegundos. La presión sobre el blanco es mil veces menor de la necesaria para cumplir con el criterio de Lawson. La ignición requiere comprimir el combustible con una simetría esférica casi perfecta, evitando las numerosas inestabilidades hidrodinámicas que aparecen en el plasma caliente; para ello hay que evitar que el combustible se caliente demasiado durante la implosión. ¿Realmente hay que evitarlo?
El nuevo logro publicado en Nature se basa en olvidar este último criterio y aplicar un método llamado “high-foot” (T. R. Dittrich et al., “Design of a High-Foot High-Adiabat ICF Capsule for the National Ignition Facility,” Phys. Rev. Lett. 112: 055002, 05 Feb 2014; H.-S. Park et al., “High-Adiabat High-Foot Inertial Confinement Fusion Implosion Experiments on the National Ignition Facility,” Phys. Rev. Lett. 112: 055001, 05 Feb 2014; en una futura entrada hablaré de los detalles técnicos del nuevo método). Para sorpresa de los expertos, el plasma se estabiliza más de lo esperado y el rendimiento energético se multiplica por diez. En el mejor resultado publicado se ha logrado que el combustible de fusión reciba 17 kJ de energía durante la implosión, lo que implica que se ha superado el 50% del valor P τ que satisface el criterio de Lawson. Más aún, los resultados están en buen acuerdo con las simulaciones numéricas (algo que no suele ser habitual en fusión). Las simulaciones numéricas indican los primeros indicios de calentamiento espontáneo del plasma, crucial para lograr la ignición.
Las imágenes de la implosión obtenidas con rayos X (arriba), con energías mayores de 6 keV, muestran un resultado muy simétrico, aunque no tanto como predicen las simulaciones numéricas. Lo mismo ocurre con las obtenidas con neutrones (abajo), con energías entre 6 y 17 MeV. La simetría de la implosión es clave para lograr la estabilidad del plasma y alcanzar la ignición. Por ello estos resultados son muy prometedores, aunque todavía queda un largo camino por recorrer.
El objetivo del NIF entre 2009 y 2012 era lograr la ignición, pero las implosiones que se lograron eran muy diferentes a las predicciones teóricas. Todavía nadie sabe muy bien por qué. El nuevo objetivo es realizar experimentos de ciencia básica para entender mejor el plasma y allanar el camino hacia la ignición. Y el nuevo enfoque está dando mejores resultados de lo esperado (tampoco sabemos por qué). La pregunta del millón es ¿se podrá alcanzar la ignición en el NIF? Nadie lo sabe.
En el año 2015, EEUU revisará su programa de fusión por confinamiento inercial y los nuevos resultados son clave para que el NIF logre el extra de financiación que tanto necesita. Pero lo importante es que se necesitan muchos estudios de ciencia básica y el camino emprendido es sin lugar a dudas el camino correcto. Hacer avanzar la ciencia de la fusión por confinamiento inercial, además, ayudará a muchos otros proyectos alternativos en curso.
Lograr la ignición (satisfacer el criterio de Lawson) no es fácil. Hay dos grandes enfoques. En la fusión por confinamiento magnético, un intenso campo magnético confina el plasma caliente a una presión de varias atmósferas y durante un tiempo de confinamiento de la energía de unos segundos. En la fusión por confinamiento inercial, el confinamiento es proporcionado por la inercia del propio plasma, por lo que se requieren presiones de miles de millones de atmósferas y tiempos de confinamiento de la energía de décimas de nanosegundos.
El NIF busca la fusión por confinamiento inercial enfocando 192 rayos láser en un blanco de pocos centímetros que contiene una cápsula llena de combustible. En el blanco inciden más 1,8 millones de julios de energía durante menos de 20 nanosegundos. La presión sobre el blanco es mil veces menor de la necesaria para cumplir con el criterio de Lawson. La ignición requiere comprimir el combustible con una simetría esférica casi perfecta, evitando las numerosas inestabilidades hidrodinámicas que aparecen en el plasma caliente; para ello hay que evitar que el combustible se caliente demasiado durante la implosión. ¿Realmente hay que evitarlo?
El nuevo logro publicado en Nature se basa en olvidar este último criterio y aplicar un método llamado “high-foot” (T. R. Dittrich et al., “Design of a High-Foot High-Adiabat ICF Capsule for the National Ignition Facility,” Phys. Rev. Lett. 112: 055002, 05 Feb 2014; H.-S. Park et al., “High-Adiabat High-Foot Inertial Confinement Fusion Implosion Experiments on the National Ignition Facility,” Phys. Rev. Lett. 112: 055001, 05 Feb 2014; en una futura entrada hablaré de los detalles técnicos del nuevo método). Para sorpresa de los expertos, el plasma se estabiliza más de lo esperado y el rendimiento energético se multiplica por diez. En el mejor resultado publicado se ha logrado que el combustible de fusión reciba 17 kJ de energía durante la implosión, lo que implica que se ha superado el 50% del valor P τ que satisface el criterio de Lawson. Más aún, los resultados están en buen acuerdo con las simulaciones numéricas (algo que no suele ser habitual en fusión). Las simulaciones numéricas indican los primeros indicios de calentamiento espontáneo del plasma, crucial para lograr la ignición.
Las imágenes de la implosión obtenidas con rayos X (arriba), con energías mayores de 6 keV, muestran un resultado muy simétrico, aunque no tanto como predicen las simulaciones numéricas. Lo mismo ocurre con las obtenidas con neutrones (abajo), con energías entre 6 y 17 MeV. La simetría de la implosión es clave para lograr la estabilidad del plasma y alcanzar la ignición. Por ello estos resultados son muy prometedores, aunque todavía queda un largo camino por recorrer.
El objetivo del NIF entre 2009 y 2012 era lograr la ignición, pero las implosiones que se lograron eran muy diferentes a las predicciones teóricas. Todavía nadie sabe muy bien por qué. El nuevo objetivo es realizar experimentos de ciencia básica para entender mejor el plasma y allanar el camino hacia la ignición. Y el nuevo enfoque está dando mejores resultados de lo esperado (tampoco sabemos por qué). La pregunta del millón es ¿se podrá alcanzar la ignición en el NIF? Nadie lo sabe.
En el año 2015, EEUU revisará su programa de fusión por confinamiento inercial y los nuevos resultados son clave para que el NIF logre el extra de financiación que tanto necesita. Pero lo importante es que se necesitan muchos estudios de ciencia básica y el camino emprendido es sin lugar a dudas el camino correcto. Hacer avanzar la ciencia de la fusión por confinamiento inercial, además, ayudará a muchos otros proyectos alternativos en curso.
La Ciencia de la Mula Francis
No hay comentarios