Reactor de fusión láser se acerca al hito de

En la cámara objetivo de la Instalación Nacional de Ignición, 192 rayos láser se enfocan en pellets de combustible de fusión del tamaño de granos de pimienta.

Laboratorio Nacional Lawrence Livermore

Por Daniel Clery

En octubre de 2010, en un edificio del tamaño de tres campos de fútbol de EE. UU., Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore encendieron 192 rayos láser, enfocaron su energía en un pulso con el golpe de un camión a alta velocidad y lo dispararon a una perdigón de combustible del tamaño de un grano de pimienta. Entonces comenzó una campaña de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) para lograr el objetivo que le da nombre: encender una reacción de fusión que produzca más energía de la que aporta el láser.

Una década y casi 3000 disparos después, NIF sigue generando más efervescencia que explosión, obstaculizado por el comportamiento complejo y mal entendido de los objetivos láser cuando se vaporizan e implosionan. Pero con nuevos diseños de objetivos y formas de pulso láser, junto con mejores herramientas para monitorear las explosiones en miniatura, los investigadores del NIF creen que están cerca de un importante hito intermedio conocido como “plasma ardiente”: una quemadura de fusión sostenida por el calor de la reacción en sí. que la entrada de energía láser.

El autocalentamiento es clave para quemar todo el combustible y obtener una ganancia de energía descontrolada. Una vez que el NIF alcanza el umbral, las simulaciones sugieren que tendrá un camino más fácil para la ignición, dice Mark Herrmann, que supervisa el programa de fusión de Livermore. “Estamos presionando tan fuerte como podemos”, dice. “Puedes sentir la aceleración en nuestro entendimiento”. Los forasteros también están impresionados. “Uno siente que hay un progreso constante y menos conjeturas”, dice Steven Rose, codirector del Centro de Estudios de Fusión Inercial del Imperial College de Londres. “Se están alejando de los diseños tradicionales y están probando cosas nuevas”.

Sin embargo, NIF no puede darse el lujo de tener tiempo. La proporción de disparos NIF dedicados al esfuerzo de encendido se ha reducido de un máximo de casi el 60% en 2012 a menos del 30% en la actualidad para reservar más disparos para la administración de existencias: experimentos que simulan detonaciones nucleares para ayudar a verificar la fiabilidad de las ojivas. Las solicitudes de presupuesto presidencial en los últimos años han buscado repetidamente recortar la investigación sobre la fusión del confinamiento inercial en el NIF y en otros lugares, solo para que el Congreso la preserve. El financiador de NIF, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA), está revisando el progreso de la máquina por primera vez en 5 años. Bajo presión para modernizar el arsenal nuclear, la agencia podría decidir un cambio adicional hacia la administración de las existencias. “¿Se exprimirá el programa de encendido?” pregunta Mike Dunne, quien dirigió los esfuerzos de energía de fusión de Livermore de 2010 a 2014. “El jurado está fuera”.

La fusión se ha considerado durante mucho tiempo como una fuente de energía libre de carbono, alimentada por isótopos de hidrógeno fácilmente disponibles y que no produce desechos radiactivos de larga duración. Pero sigue siendo un sueño lejano, incluso para los hornos magnéticos de combustión lenta en forma de rosquilla como el proyecto ITER en Francia, que tiene como objetivo lograr una ganancia de energía en algún momento después de 2035.

El NIF y otros dispositivos de fusión inercial serían menos como un horno y más como un motor de combustión interna, produciendo energía a través de explosiones de fuego rápido de los diminutos pellets de combustible. Mientras que algunos láseres de fusión apuntan sus rayos directamente a los gránulos, los disparos del NIF son indirectos: los rayos calientan una lata de oro del tamaño de un borrador de lápiz llamado hohlraum, que emite un pulso de rayos X destinado a encender la fusión calentando la cápsula de combustible. en su centro a decenas de millones de grados y comprimiéndolo a miles de millones de atmósferas.

Pero las inyecciones en los primeros 3 años de la campaña de encendido solo produjeron alrededor de 1 kilojulio (kJ) de energía cada una, menos de los 21 kJ bombeados a la cápsula por el pulso de rayos X y muy por debajo de los 1,8 megajulios (MJ) en el pulso láser original. Siegfried Glenzer, quien dirigió la campaña inicial, dice que el equipo era “demasiado ambicioso” acerca de alcanzar el encendido. “Dependíamos demasiado de las simulaciones”, dice Glenzer, ahora en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC.

Después de la fallida campaña de encendido, los investigadores del NIF reforzaron sus instrumentos de diagnóstico. Agregaron más detectores de neutrones para darles una vista 3D de dónde estaban ocurriendo las reacciones de fusión. También adaptaron cuatro de sus rayos láser para producir pulsos ultracortos de alta potencia momentos después de la implosión para vaporizar los cables delgados cerca del objetivo. Los cables actúan como una bombilla de rayos X, capaz de sondear el combustible mientras se comprime. “Es como una tomografía computarizada”, dice el científico planetario Raymond Jeanloz de la Universidad de California, Berkeley, quien usa NIF para replicar las presiones en el núcleo de planetas gigantes como Júpiter. (Aproximadamente el 10% de las vacunas NIF se dedican a la ciencia básica).

Con su visión más nítida, los investigadores han rastreado las fugas de energía de la pastilla de combustible que implosiona. Uno llegó en el punto donde un tubo diminuto inyectaba combustible en la cápsula antes de la inyección. Para tapar la fuga, el equipo hizo el tubo aún más delgado. Otras fugas se remontan a la carcasa de plástico de la cápsula, por lo que los investigadores renovaron la fabricación para suavizar las imperfecciones de solo una millonésima de metro. Los diagnósticos mejorados “realmente ayudan a los científicos a comprender qué mejoras se requieren”, dice Mingsheng Wei del Laboratorio de Energía Láser de la Universidad de Rochester.

Fuego por prueba

La Instalación Nacional de Ignición se ha acercado a la ignición por fusión, obteniendo más energía de la que ingresa, alterando sus pulsos y objetivos láser. Está aún más cerca de las temperaturas y presiones necesarias para un objetivo intermedio: un “plasma ardiente” que se calienta automáticamente.

EncendidoAuto-calentamiento2017-19Diamante grande cápsula, pulso largo2013-15Cápsulas de plástico, rápida implosión2011-12Cápsulas de plástico, implosión lenta06070504030201000,10,2Densidad de área del punto caliente (gramos / cm2) 0,30.40,5Temperatura del punto caliente (millones de grados Celsius)

GRÁFICO: PRAV PATEL / LLNL, ADAPTADO POR N. DESAI /CIENCIAS

El equipo también ha jugado con la forma de los pulsos láser de 20 nanosegundos. Los primeros disparos aumentaron de potencia lentamente, para evitar calentar el combustible demasiado rápido y dificultar su compresión. Los pulsos posteriores aumentaron de manera más agresiva, de modo que la cápsula de plástico tuvo menos tiempo para mezclarse con el combustible durante la compresión, una táctica que aumentó un poco los rendimientos.

En la campaña actual, que comenzó en 2017, los investigadores están aumentando las temperaturas al agrandar el hohlraum y la cápsula hasta en un 20%, aumentando la energía de rayos X que la cápsula puede absorber. Para aumentar la presión, están extendiendo la duración del pulso y cambiando de cápsulas de plástico a cápsulas de diamante más densas para comprimir el combustible de manera más eficiente.

NIF ha logrado repetidamente rendimientos cercanos a los 60 kJ. Pero Herrmann dice que una vacuna reciente, discutida en la reunión de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física a principios de este mes, ha superado eso. Se planean disparos repetidos para medir qué tan cerca se acercaron a un plasma en llamas, que se predice que ocurrirá alrededor de 100 kJ. “Es muy emocionante”, dice.

Incluso a la máxima compresión, los investigadores del NIF creen que solo el centro del combustible está lo suficientemente caliente para fusionarse. Pero en un hallazgo alentador, ven evidencia de que el punto caliente está recibiendo un impulso de calentamiento de núcleos de helio en movimiento frenético, o partículas alfa, creadas por las reacciones de fusión. Si el NIF puede inyectar un poco más de energía, debería provocar una ola que saldrá disparada del punto caliente, quemando combustible a medida que avanza.

Herrmann dice que el equipo aún tiene algunos trucos más que probar, cada uno de los cuales podría impulsar las temperaturas y presiones a niveles lo suficientemente altos como para sostener la quema de plasma y la ignición. Están probando diferentes formas de hohlraum para enfocar mejor la energía en la cápsula. Están experimentando con cápsulas de doble pared que podrían atrapar y transferir energía de rayos X de manera más eficiente. Y al empapar el combustible en una espuma dentro de la cápsula, en lugar de congelarlo como hielo en las paredes de la cápsula, esperan formar un mejor punto caliente central.

¿Será suficiente para alcanzar la ignición? Si estos pasos no son suficientes, la siguiente opción sería aumentar la energía del láser. Los investigadores de NIF han probado actualizaciones en cuatro de las líneas de luz y han logrado obtener un impulso de energía que, si las actualizaciones se aplicaran a todas las vigas, acercaría la instalación completa a 3 MJ.

Esas actualizaciones, por supuesto, llevarían tiempo y dinero, es posible que NIF no termine obteniendo. Los científicos de fusión del NIF y de otros lugares esperan ansiosamente las conclusiones de la revisión de la NNSA. “¿Hasta dónde podemos llegar?” Pregunta Herrmann. “Soy optimista. Llevaremos el NIF lo más lejos que podamos ”.

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