NIF no ha logrado la ignición de la fusión y se encuentra en una encrucijada de financiación

El laboratorio de fusión por confinamiento inercial mediante láser más potente del mundo, NIF (National Ignition Facility), situado en el LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory), California, no ha logrado lo que prometió para este año, la ignición de la fusión con exceso positivo de energía (producir más energía de la necesaria para lograrla). Su financiación finaliza este mes. Como no han logrado la ignición, la NNSA (National Nuclear Security Administration), parte del Departamento de Energía (DOE) de EEUU, tiene 60 días para presentar un informe explicando qué problemas han impedido lograr la prometida ignición y cómo pueden ser superados. Si el Congreso de EEUU considera aceptable su explicación, NIF recibirá financiación adicional. En caso contrario, se clausurará el programa de fusión del NIF (aunque no su programa militar de prueba de armas nucleares, que reclama más tiempo de uso de la instalación). Todo el mundo sabe que en plena crisis económica el Congreso no dudará ni un segundo en clausurar el programa (como ya lo ha hecho con otros en múltiples ocasiones). Nos lo cuenta Daniel Clery, “Laser Fusion: Ignition Facility Misses Goal, Ponders New Course,” Science 337: 1444-1445, 21 September 2012.

NIF ha sido polémico desde que se propuso en la década de 1990 el uso civil (producción de energía) de esta instalación cuyo objetivo inicial era la prueba y simulación de explosiones nucleares (EEUU abandonó las pruebas reales en 1992). Muchos expertos opinaban que el doble uso de la instalación conlleva que la tecnología utilizada para alcanzar la ignición no era la adecuada y que el proyecto sería un despilfarro. Los graves problemas técnicos que sufrió durante su construcción, que la retrasaron 7 años y triplicaron por tres su coste inicial, siempre han sido su punto débil, pero desde 2010, el 80% de los disparos del láser han sido para aplicaciones civiles (lograr la ignición). La parte difícil es conseguir que la cápsula con el combustible implosione de forma suave y simétrica, logrando un punto central suficientemente caliente para lograr la ignición, como predicen las simulaciones numéricas. Pero por ahora, todas las pruebas realizadas han requerido más energía en el pulso láser (en la actualidad unos 1,8 megajulios) que la obtenida tras la implosión. Pase lo que pase en el Congreso de EEUU, lo que parece claro es que la nueva financiación que se pueda obtener, a partir de enero de 2013 se limitará el uso de los disparos del láser para usos civiles a como mucho el 50%, pues las aplicaciones militares reclaman que el 20% es muy poco tiempo.

NIF: La puerta a la ciencia de los extremos

El National Ignition Facility, NIF, del Laboratorio Nacional de Lawrence Livermore de los EEUU, alberga el láser más grande del mundo consistente en 192 haces que depositan cerca de 2 millones de julios de luz ultravioleta en un punto en tan solo unos nanosegundos. Con 50 veces más energía que cualquier sistema láser anterior, NIF permite investigar la materia en condiciones extremas en el laboratorio:

• densidades del orden de ~ 10³ g/cm³ (unas cien veces más denso que el plomo),
• presiones mayores de 10¹¹ atm (la presión interna de la Tierra es del orden de 10⁶ atm),
• volúmenes de masa sin precedentes a temperaturas de más de 10⁸ K (la temperatura en el interior del Sol es de 1,36×10⁷ K), y
• volúmenes de masa sin precedences a temperaturas de radiación superiores a los 10⁶ K.

Únicamente en tres lugares del Universo se producen/han producido esas condiciones: durante el Big Bang, en el interior de los planetas y estrellas y  en las explosiones de armas termonucleares.

Así, NIF supone un laboratorio formidable para disciplinas como la astrofísica, la física nuclear, la física planetaria y la materia en condiciones límite y la física de haces y plasmas. En el caso de la astrofísica,  NIF puede proporcionar grandes volúmenes de materia a muy altas presiones y temperatura, simulando así condiciones de estrellas y planetas (por ejemplo, 1 MJ de energía depositada por NIF podría calentar 70 cm³ de gas a presión atmosférica a 10000 K, o 7 mm³  de hielo a un millón de grados). En el caso de la física nuclear, NIF permitirá estudiar por primera vez  experimentalmente cómo las interacciones nucleares se ven afectadas por un entorno de plasmas. En el caso de materiales, NIF puede llevar a la materia a condiciones de presión, temperatura tan extremas que la propia química de sus componentes cambia haciendo que hasta los electrones más internos de los átomos participen en los enlaces. NIF permitirá adentrarse en algunas de las cuestiones claves sobre el origen y evolución de los planetas o la producción de energía por fusión en laboratorio. En el área de plasmas NIF puede crear volúmenes nunca antes generados lo que permitirá investigar diferentes fenómenos en plasmas y haces sólo accesibles en plasmas extensos. En los siguientes párrafos veremos con más detalle algunas de las preguntas y de los experimentos que NIF puede abordar.

Laboratorio de astrofísica

Los sistemas astrofísicos suelen estar rodeados de gran cantidad de radiación intensa (rayos X y Gamma), materia ionizada y fuertes campos magnéticos. Cualitativamente, NIF puede producir esas mismas condiciones, siendo por tanto un laboratorio único para diversas investigaciones en Astrofísica.

Izquierda: Ciclo de la vida de las estrellas. Hubble Space Telescope. Crédito: NASA, Wolfgang Brandner, JPL-IPAC, Eva K. Grebel, University of Heidelberg. Derecha: Esquema del modelo de formación y procesado de granos de carbón cósmico. Fuente: Adaptado de Pascoli y Polleux, Astron. Astrophys. 359, 799 (2000); Crédito: Cesar Contreras

Simulación de Astroquímica: Orígenes y Evolución del Polvo Interestelar y las Molécula Prebióticas. El polvo es un componente importante del medio interestelar de las galaxias. En forma de grano, ese polvo es el principal constituyente de los planetas y la principal fuente de absorción de radiación en una amplia gama de entornos astrofísicos. En ambientes fríos y densos los granos de polvo proporcionan superficies catalíticas para la formación de hielos elementales ( agua, metano, metanol, amoníaco, monóxido de carbono y dióxido de carbono) que, a través de la interacción con la radiación, pueden convertirse en moléculas orgánicas complejas, como aminoácidos y azúcares. En los discos protoplanetarios estos granos de hielo se agrupan, formando cuerpos más grandes hasta llegar a cometas y planetas. La comprensión de cómo estos granos o estas capas de granos helados se forman y evolucionan bajo  entornos de radiación astrofísicos  son clave para predecir la composición de los planetas y especialmente la cantidad de material orgánico asociado con el origen de la vida. NIF ofrece oportunidades únicas para estudiar esa formación de granos desde plasmas iniciales y su evolución bajo altos flujos de radiación X (la fotoquímica de los granos y los hielos). Estos experimentos servirían para hacer predicciones de la composición química alrededor de las estrellas durante la formación de planetas, y así obtener datos sobre qué planetas son más apropiados para el desarrollo de la vida.

Explicación de la ubicuidad y propiedades de los Campos Magnéticos Cósmicos y el Origen de los Rayos Cósmicos. En el ámbito del medio interestelar e intergaláctico, NIF puede abordar mejor que ninguna otra instalación dos de los grandes misterios del Universo: la magnetización del espacio y la generación de rayos cósmicos. El Universo está bañado por campos magnéticos con fuerzas que van desde algunos femtogauss (10^-15 gauss) en los vacíos entre filamentos y acumulaciones de galaxias, pasando por varios microgauss (10^-6 gauss) en el medio intergaláctico, hasta muchos teragauss ((10^12 gauss) en las proximidades de los agujeros negros y las estrellas de neutrones ( recordad que el campo magnético terrestre es de 1 gauss). Estos campos magnéticos juegan un papel crucial en muchos fenómenos astrofísicos, como la formación y evolución de estrellas, la generación y transporte de los rayos cósmicos, la producción de chorros de materia a velocidades relativista de agujeros negros de masas estelares en los centros de las galaxias y posiblemente en la formación de otras estructuras a gran escala en el Universo.

Sobre la mesa hay diferente mecanismos propuestos para explicar el origen y fuerza de esos campos magnéticos que necesitan de experimentación para ser validados. NIF puede generar un régimen de campos magnéticos turbulentos que puedan dar respuestas a las mencionadas preguntas.

Hidrodinámica Radiativa del Nacimiento y muerte explosiva de estrellas. En cuanto a la dinámica estelar de nacimiento y muerte, uno se encuentra con sistemas hidrodinámicos en los que participan fuertes ondas de choque dónde la radiación a menudo desempeña un papel esencial. Hasta la fecha los progresos han sido más bien escasos puesto que no se podían reproducir en laboratorio ondas de choque radiativas de manera sostenida como las implicadas en la acumulación de materia que lleva a las Supernovas o la destrucción de las nubes moleculares .En segundo lugar,  tampoco se conseguían explosiones controladas en las cuales se pudiera seguir la la evolución a largo plazo de inestabilidades. Por último, la evolución de turbulencias convectivas más allá de las fases más tempranas de las explosiones tampoco ha podido ser estudiada. NIF supone un importante avance en la experimentación que permitirá estudiar la hidrodinámica de las explosiones en entornos radiativos con mucho detalle.

Física atómica de plasmas ionizados. Telescopios orbitales como Chandra o XMM-Newton han revelado importantes diferencias entre las líneas espectrales de plasmas ionizados por rayos X en comparación con plasmas ionizados por colisiones (dónde las colisiones entre electrones e iones juegan el papel fundamental en la ionización). Ejemplos de plasmas ionizados por radiación se encuentran en plasmas cercanos a agujeros negros, estrellas de neutrones y a muchas estrellas binarias. Hasta día de hoy, sólo hay modelos teóricos para interpretar su comportamiento pero NIF abre la puerta a experimentos en los que se puedan reproducir ese tipo de entornos. Además, la estructura y evolución estelar dependen esencialmente del transporte de radiación X que a su vez depende de las propiedades de absorción y emisión de la materia, en especial de los elementos de alto Z, como el hierro. Sólo NIF puede producir estados de la materia tan calientes y densos como los que hay en el interior del Sol, lo que permitiría de primera mano la medición de dichas propiedades.

Física nuclear

En las líneas actuales de investigación, el estudio de la estructura y las interacciones de los núcleos se restringe a sistemas nucleares no excitados.  Los laboratorios actuales no permiten investigar interacciones nucleares entre estados excitados porque o bien los generan en poca cantidad o bien su duración es tan corta que no permiten medición. Sin embargo,  son precisamente esos estados excitados producidos en ambientes calientes, plasmas densos, con altos flujos de electrones donde principalmente tiene lugar la nucleosíntesis. NIF ofrecerá por primera vez la oportunidad de mediciones directas en plasmas termonucleares sometidos a combustión, como ocurre en las estrellas. Así, fenómenos hidrodinámicos en estos sistemas, tales como el transporte turbulento de partículas cargadas y su efecto en los procesos nucleares podrán ser investigados en NIF. Entre otras cosas, todo este conocimiento servirá para acercarse más al objetivo de controlar las reacciones termonucleares y la obtención de energía por fusión mediante confinamiento inercial.

Nucleosíntesis estelar y del Big Bang en entornos de plasmas. NIF permitirá determinar el porcentaje de reacciones de fusión de iones ligeros que inician la nucleosíntesis y que prevalecen en las fases iniciales de la evolución de estrellas.

Formación de elementos pesados y el papel de las reacciones en los estados nucleares excitados. Los efectos en la nucleosíntesis y en la vida media de los estados nucleares excitados por interacciones con plasmas estelares también podrán ser investigados en NIF.

Materiales bajo condiciones extremas y física planetaria

A compresiones 1000 veces mayores que las normales, la química de los elementos cambia drásticamente ya que no sólo los electrones de valencia sino también los más internos participan en los enlaces. A esas presiones, las propiedades intrínsecas de los materiales como la dureza, la difusión y la evolución de defectos nos son completamente desconocidas. Experimentos de compresiones estáticas apuntan a multitud de transformaciones en las propiedades físicas como químicas de la materia como por ejemplo,  nuevas fases electrónicas, magnéticas y superconductoras.

Experimentos de compresión dinámicos a presiones de Mbar están revelando cambios fundamentales en el comportamiento de los elementos como la metalización del H, del He o de la Sílica. En estos regímenes de altas presiones, un metal como el sodio se vuelve un aislante transparente. Incluso se podría llegar a observar el derretimiento cuántico de un material predicho hace más de medio siglo.

Representación esquemática de cómo el material evoluciona bajo compresiones extremas.

De la materia cuántica a la materia de Estrellas. Las propiedades a muy altas presiones (>100 Mbar) de elementos tan básicos como el H y el He son prácticamente desconocida y todo nuestro conocimiento está basado en modelos y predicciones que necesitan ser verificados. Entre los fenómenos que se han predicho a esas presiones tenemos transiciones desde la fase líquida a la fase de plasma del H y el He, una fase superfluida y superconductora del H, … A esas presiones debería ser posible excitar reacciones nucleares mediante efecto túnel como ocurre en el Sol. Además, el estudio de mezclas de H y He a esas presiones es de vital importancia para entender la termodinámica y la hidrodinámica del interior de algunos planetas. NIF abre las puertas a toda esta investigación.

Elementos a Presiones Atómicas. El modelo tradicional de la materia a altas presiones se basa en considerar que los electrones de valencia son desplazados a una banda de conducción formando un gas casi libre rodeando a los iones. Esta perspectiva ha sido muy útil para explicar el comportamiento de materiales a presiones de millones de veces la presión atmosférica. Sin embargo, a presiones un par de ordenes mayores (>100Mbar) este modelo deja de funcionar. Hay evidencias de que para esos casos los orbitales más interiores de los átomos pasan a ocupar casi todo en volumen del sólido/líquido obligando a los electrones a estar localizados. Esta configuración redistribuye la posiciones de los átomos, haciendo desaparecer la típica periodicidad de los sólidos a corto alcance. NIF permitirá investigar estos nuevos estados.

Exploración del Interior de Planetas. Hacer converger los campos de materia condensada y física de plasmas abre todo un nuevo área a investigar en ciencia de materiales. Como ya hemos comentado,. cuerpos astrofísicos como las Supertierras, los gigantes de hielo y los gigantes gaseosos podrán ser estudiados en NIF.

Rango de presiones y temperaturas interiores de distintas clases de planetas y el correspondiente efecto de la compresión en las energías de enlace de sus componentes. (Crédito: D.J. Stevenson, 2008).

Física de haces y plasmas

A las temperaturas y presiones que NIF genera, la materia termina convirtiéndose en plasma. Por tanto, NIF es ante todo un gran laboratorio de física de plasmas, en el cual se podrán estudiar una enorme cantidad de fenómenos de transporte, radiación y aceleración de partículas como nunca antes se han podido realizar. Temas en la frontera del conocimiento en plasmas como a) la formación y aceleración de partículas en choques no-colisionales, b) el control activo del flujo de radiación y partículas en plasmas densos de alta energía, c) la generación de haces ultraintensos y transporte en plasmas densos de alta energía y d) estados complejos del plasma bajo campos láser extremos podrán ser investigados en NIF.

Conclusiones

NIF representa un amplio conjunto de oportunidades únicas en investigación que abarca cuestiones de astrofísica, física nuclear, materiales en condiciones extremas, física planetaria y física de plasmas y haces (ver resumen en tabla). Con el apoyo intelectual y económico adecuados sin duda se conseguirán grandes avances en todas estas áreas. Esperemos que la comunidad científica, y en particular la española, sepa aprovecharse de una instalación única como NIF. Un buen punto de partida es asistir al Primer Encuentro de Usuarios de NIF que tendrá lugar del 12 al 15 de febrero de 2012. ¡¡ El que pueda ir, que no se lo pierda!!

Disciplinas	Líneas de investigación
1. Laboratorio de Astrofísica	1.1 Simulación de Astroquímica: Orígenes y Evolución del Polvo Interestelar y las Molécula Prebióticas
	1.2 Explicación de la ubicuidad y propiedades de los Campos Magnéticos Cósmicos y el Origen de los Rayos Cósmicos
	1.3 Hidrodinámica Radiativa del Nacimiento de Estrellas y de la muerte explosiva de estrellas
	1.4 Física atómica de plasmas ionizados
2. Física Nuclear	2.1 Nucleosíntesis Estelar y del Big Bang en entornos de plasmas
	2.2 Formación de Elementos Pesados y el Papel de las Reacciones en los Estados Nucleares Excitados
	2.3 Física Atómica de Plasmas ionizados
3. materiales bajo Condiciones extremas y Física Planetaria	3.1 De la materia cuántica a la materia de Estrellas
	3.2 Elementos a Presiones Atómicas
	3.3 Química de Kilovóltios
	3.4 Caminos a Estados Extremos
	3.5 Exploración del Interior de Planetas
4. Física de Haces y Plasmas	4.1 Formación y aceleración de partículas en Choques no-colisionales
	4.2 Control Activo del flujo de Radiación y Partículas en Plasmas Densos de Alta Energía
	4.3 Generación de Haces Ultraintensos y Transporte en Plasmas Densos de Alta Energía
	4.4 Estados Complejos del Plasma bajo Campos Láser Extremos

Referencias

Este artículo y sus imágenes han sido sacados del Informe de la Oficina de Ciencia de la Administración de Seguridad Nuclear Nacional de los EEUU generado tras el “Workshop on Basic Research Directions on User Science at the National Ignition Facility” que tuvo lugar en Washington DC en mayo de 2011.

Para más información descargar documento en este enlace (pdf).

Este artículo es una colaboración invitada escrita por el Dr. J. Alvarez Ruiz del Instituto de Fusión Nuclear de la Universidad Politécnica de Madrid.

La ignición (con Q>1) de la fusión por confinamiento inercial queda fuera de la agenda del NIF para 2012

El año 2012 iba a ser el año de la ignición de la fusión en el  Instalación Nacional de Ignición (NIF); todo estaba planificado para ello, obtener a final de año un rendimiento total de 5 MJ (megajulios); sería la primera vez que se demostrase la ignición de la fusión por confinamiento inercial. Pero hay otras prioridades que van a retrasar esta investigación, hasta tal punto  que no se sabe si este objetivo de 2012 estará en la agenda del NIF para el año 2013. Así lo atestigua un documento no publicado al que han tenido acceso los editores de la revista Science. El problema no es el retraso de un año o dos en la agenda de la investigación en fusión en el NIF, ese problema es nimio, el problema es que mucha gente quiere leer entre líneas que este retraso es debido a que los responsables científicos del NIF no confían en lograr que la fusión sea una fuente de energía práctica, a que creen que el camino marcado por NIF no es el camino correcto. Yo no lo creo así, pero es mi opinión personal; conozco a mucha gente que utilizará este retraso como la mejor prueba posible (ahora) de que la fusión por confinamiento inercial es malgastar dinero a mansalvas. Penoso, pero cierto. Así nos lo cuenta Daniel Clery, “Energy: Laser Fusion Project Alters Goals, Fueling Concern Over Its Strategy,” Science 335: 23, 6 January 2012.

La fusión como fuente de energía tiene dos grandes vías de progreso, el confinamiento magnético, liderado por ITER, aún en construcción en Cadarache, y el confinamiento inercial inducido por láser, liderado por NIF, hasta que el proyecto HiPER de la CEE vea la luz. Las esperanzas de los investigadores en fusión de todo el mundo están puestas en NIF, hasta que ITER entre en funcionamiento (entre 2018 y 2020). El objetivo de NIF, financiado por el Departamento de Energía de EE.UU. (DOE), es utilizar 192 haces de luz del láser más potente del mundo para aplastar  una diminuta esfera de combustible en el centro de una cápsula cilíndrica (llamada hohlraum), hasta alcanzar temperaturas y presiones más altas que las que hay en el centro del Sol. No basta con lograr la ignición de la fusión, también hay que sostenerla durante un tiempo suficiente para que se fusione una fracción importante del combustible utilizado y se debe demostrar que se produce un saldo positivo de energía (una ganancia mayor de la unidad). Lograr estos objetivos es mucho más sencillo en la fisión (utilizada en los reactores de las centrales nucleares convencionales) pero en la fusión se requiere ir paso a paso.

Hasta el 21 de diciembre de 2011, los planes para el NIF durante el año 2012 eran los siguientes. A finales de marzo se tendría que lograr una evidencia firme de haber logrado la ignición, aunque con una ganancia Q<1. A finales de junio se esperaba demostrar una ganancia Q=1. Finalmente, a finales de septiembre se tendría que haber logrado una ganancia de energía, Q>1, de al menos unos 5 MJ (megajulios). El programa de investigación de NIF hacia la ignición (llamado NIC por National Ignition Campaign) que acabará en 2012 obtendría un éxito clave para el futuro de la fusión, que entraría en una nueva fase hacia un reactor de fusión comercial. Sin embargo, Edward Moses, director del NIF, presentó el 21 de diciembre los nuevos planes para 2012, que retrasan 3 meses cada una de las dos primeras etapas y excluyen la tercera etapa del NIC; la financiación para lograr la ignición de la fusión inercial con Q>1 pasa a tener un futuro  incierto. ¿Qué programa sustituirá a NIC? ¿Financiará el Congreso de los EE.UU. la continuación de un proyecto “fracasado” como NIC? Mucha gente augura grandes recortes en financiación para el NIF.

Edward Moses justifica el retraso en el proyecto NIC por la demanda de los otros usuarios de NIF, los interesados en las simulaciones de explosiones nucleares para asegurar la eficacia del arsenal nuclear, así como otros fines científicos (no especificados). Además, le ha quitado importancia a la etapa 5-MJ del NIC, asegurando que lograr Q=1 en 2012 ya es un gran objetivo cumplido para NIF; lograr una ganancia de 5 MJ debería ser solo una cuestión de afinar ciertos detalles técnicos.  Pero algunos dudan incluso de que se alcance Q=1 a finales de septiembre, cuando acabe la financiación del programa NIC. Si no se lograse, mucha gente cree que será muy difícil que NIF logre una segunda campaña de financiación con los “mismos” objetivos que NIC.

NIF ha sido polémico desde el principio. Los científicos de fusión pudieron proponer una máquina tan grande y costosa como NIF gracias a sus usos militares, pero compaginar estos estudios con el programa experimental de fusión no ha sido fácil. Además, muchos opinan que los objetivos en fusión de NIF eran demasiado ambiciosos, un salto demasiado grande respecto a los avances obtenidos en el pasado. Uno de los críticos más acérrimos es el físico Stephen Bodner, ya jubilado, que fue director de un programa de fusión láser en el NRL (Naval Research Lab); según Bodner el diseño “indirecto” de NIF no es adecuado (los láseres no inciden de forma directa sobre el combustible sino sobre el hohlraum, una cápsula que lo contiene); en su opinión, solo se logrará una ganancia Q>1 con un diseño “directo” (aunque dicho diseño requiere láseres más potentes). Otros críticos también apuntan a problemas con el diseño del hohlraum, que no garantiza una implosión simétrica del combustible.

Permíteme opinar, aunque mi opinión puede ser incorrecta. En EE.UU. toda instalación de investigación mixta, civil y militar, tiene un gran problema, los usuarios militares tienen prioridad sobre los civiles. Para el público general la NIF busca demostrar la ignición de la fusión nuclear por confinamiento inercial; pero en realidad la prioridad son las investigaciones militares de alto secreto. Para el público general los 3500 millones de dólares que ha costado el NIF, el sistema de láseres más potente del mundo situado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), California, es una inversión justificada y necesaria para el futuro de la energía en EE.UU; pero NIF fue diseñado para investigaciones militares y su usos civiles son un simple “lavado de cara.” Para el público general es urgente obtener una solución al problema de la energía, al de la crisis de las reservas de combustibles fósiles y al del cambio climático; pero los militares tienen otra visión de la realidad.

La fusión por confinamiento inercial, paso a paso, hacia la ignición

La fusión por confinamiento inercial ha pasado de ser una técnica para realizar pruebas seguras de armas nucleares a una candidata firme para la producción comercial de energía. Los reactores de fusión nuclear utilizan el combustible más abundante y barato (el agua del mar), no tienen emisiones de carbono y sus residuos nucleares son mínimos; todo son ventajas, pero la fusión nuclear tiene un gran inconveniente, nadie sabe si es viable. Nadie ha logrado mantener una reacción de fusión autosostenida por tiempo suficiente para garantizar su uso comercial como fuente de energía. Nadie sabe si algún día se logrará. Dos artículos en Science nos recuerdan que, tras sesenta años de investigación, se espera que en los próximos años se logre la ignición de un reactor de fusión por confinamiento inercial en el NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), una instalación láser que ha costado unos 3500 millones de dólares (muy barata comparada con el coste de ITER, el reactor de fusión por confinamiento magnético que se está construyendo en Cadarache, Francia. El objetivo principal de NIF no es la producción de energía, sino el estudio de armas nucleares, pero si se logra la ignición se espera un cambio radical en los objetivos de NIF. ¿Se lograra la ignición antes de que finalice la construcción de ITER? Los estadounidenses nunca pierden la esperanza y su revista estrella (Science) se hace eco de ello en Daniel Clery, “Inertial Confinement Fusion: Fusion Power’s Road Not Yet Taken,” Science 334: 445-448, 28 October 2011, y Daniel Clery, “Inertial Confinement Fusion: Step by Step, NIF Researchers Trek Toward the Light,” Science 334: 449-450, 28 October 2011.

El cambio climático, la disminución de las reservas de petróleo y la búsqueda de fuentes de energía alternativas son motivos más que suficientes para que los políticos se interesen en la fusión nuclear. Steven Chu, Secretario de Energía de EE.UU. y premio Nobel de Física, sigue con atención los esfuerzos del NIF y ha visitado el LLNL en varias ocasiones. Pero como dice Glen Wurden, del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) en Nuevo México, la ignición en el NIF será como el primer vuelo de los hermanos Wright, un hito histórico pero “la madera, la tela y el alambre de los Wright están muy alejados de un Boeing 747 comercial.”

El láser del NIF dispara los pulsos más energéticos del mundo, de 1,8 millones de julios (MJ), pero un reactor comercial tendrá que realizar entre 10 y 16 disparos por segundo (unos 1,4 millones de disparos al día). Por ahora estos números son utópicos (de hecho la configuración actual solo …), el láser del NIF no está diseñado para lograr una frecuencia de disparos tan alta. Por ello los investigadores del NIF han propuesto una ruta alternativa, más rápida y de menor riesgo hacia un reactor comercial, el proyecto piloto denominado LIFE (Laser Inertial Fusion Energy). Su propuesta es construir un reactor de fusión en 12 años (una vez se demuestre la ignición en NIF). Por supuesto, hay muchos escépticos que creen que estos números son demasiado optimistas. La idea de LIFE es utilizar 192 láseres pequeños, en lugar de uno solo, cada uno de ellos de solo 8 kilojulios (kJ), totalizando unos 1,5 MJ. El gran problema de NIF (y de LIFE) es la eficiencia de la conversión de energía inyectada en la cápsula de combustible en energía útil para la ignición. Se estima una eficiencia del 25%, luego los 1,8 MJ se reducen a solo 0,4 MJ.

Los investigadores de los Laboratorios Sandia confían en que podrán mejorar la eficiencia de la conversión de energía láser en energía para la ignición mediante un fenómeno llamado pinzamiento axial (o Z pinch). Una corriente eléctrica muy fuerte a través de un plasma conductor produce un campo magnético alrededor del plasma que produce una fuerza que comprime el plasma. Si la cápsula con el combustible tiene la forma de un cilindro con deuterio y tritio, el pinzamiento axial podría lograr una eficiencia de conversión de energía muy alta. En los laboratorios Sandia se ha desarrollado la máquina Z (cuya fotografía abre esta entrada) que almacena una enorme cantidad de energía eléctrica y produce pulsos eléctricos muy cortos, unos 100 nanosegundos, pero muy intensos, de hasta 27 mega-amperios (MA). En la actualidad la máquina Z se utiliza para producir rayos X (y para ciertas aplicaciones militares). Una versión más energética de la máquina Z podría ser útil para producir la ignición de la fusión (las estimaciones teóricas actuales indican que se requiere un mínimo de 60 MA).

También se están investigando otras alternativas, como la técnica llamada magneto-fusión inercial, que combina confinamiento inercial y confinamiento magnético para ayudar a contener el plasma de deuterio y tritio. Por el momento estas alternativas están poco estudiadas y es muy difícil saber si son prometedoras, o solo parecen prometedoras.

Lo que todo el mundo tiene muy claro en el campo de la fusión por confinamiento inercial es que recabar financiación abundante de los gobiernos requiere demostrar que la ignición es posible, no solo en teoría, sino con una demostración práctica. La instalación que lo logre se convertirá en el candidato más prometedor y será el foco de la mayor parte de la financiación. Mientras tanto, las diferentes propuestas deben competir entre ellas para ver quien es la primera que logra la ignición. Todo el mundo es optimista con su propuesta favorita, pero el gobierno no puede permitirse financiar todas ellas en pie de igualdad.

La máquina Z de los Laboratorios Nacionales Sandia

Fotografías tan espectaculares como las que abre esta entrada y el secreto con el que se mantienen algunos de los experimentos militares que se realizan con la máquina Z llevan a mucha gente a pensar que la fusión nuclear por pinzamiento axial (Z pinch) será la vencedora de la carrera hacia la financiación a espuertas. Pero debemos poner los pies sobre la tierra. En realidad la imagen que abre esta entrada es una fotografía de larga exposición de arcos eléctricos (como los rayos de una tormenta) sobre la superficie de un tanque de agua; estos arcos son un subproducto de la operación de la máquina Z y no son un objeto de investigación en sí mismos. El grupo de Electromagnetismo de los Laboratorios Sandia está investigando la generación de rayos en tormentas pero utiliza otra instalación diferente, el Simulador de Rayos Sandia (Sandia Lightning Simulator), que puede producir rayos de hasta 200 kA (kiloamperios) y trenes de rayos de cientos de amperios separados por pocos milisegundos. Estos rayos son similares a los que se producen en las tormentas, por lo que su producción controlada en el laboratorio permite estudiar cómo afectan a los almacenes de cabezas nucleares, a los dipositivos electrónicos de control de misiles, aviones militares, aviones civiles, trenes, etc. Destaca en los Sandia su grupo de supercomputación paralela, el primero en el mundo que logró superar en simulaciones electromagnéticas 1 Tflop/s (un billón de operaciones flotantes por segundo). El siguiente vídeo os muestra la instalación de simulación de rayos (mucho menos espectacular que la fotografía de arriba).

Los Laboratorios Nacionales Sandia se crearon en 1949 para la investigación de las armas nucleares que fueron desarrolladas por el Proyecto Manhattan. El objetivo original de estos laboratorios era convertir la física nuclear desarrollada en Los Alamos y en los Laboratorios Nacionales Lawrence Livermore en armas nucleares. El fin de la guerra fría y la caída de la Unión Soviética conllevaron un lavado de cara de los Laboratorios Sandia que han reorientado una parte de su investigación a aplicaciones civiles. Y la aplicación civil estrella es la producción de energía “gratis” por fusión nuclear. El siguiente vídeo nos “vende” el programa de fusión nuclear en los laboratorios Sandia.

El siguiente vídeo de youtube os muestra la construcción de la máquina Z y para qué sirve.

La máquina Z es la estrella de los Laboratorios Sandia, pero hay gran número de otras instalaciones únicas en el mundo que compiten por ser las primeras en demostrar la ignición nuclear. Nadie puede saber cual será la que vencerá en esta competición. Pero lo que está claro es que este tipo de instalaciones tienen gran número de aplicaciones más allá de lograr la fusión, por ejemplo, la máquina Z estudia plasmas de alta densidad como los que hay en el interior de los planetas, de las estrellas y en otros objetos astrofísicos. Esta investigación fundamental es complementaria a su investigación aplicada. El siguiente vídeo nos lo cuenta.

En resumen, la fusión nuclear promete ser una fuente gratis de energía y la fusión por confinamiento inercial una alternativa factible para lograrla. Pero ya sabemos que la ignición sostenida de la fusión lleva varias décadas a 20 años vista y quizás siga estándolo. Es un proceso físico muy difícil de controlar y los avances de los últimos años nos hacen tener esperanzas, pero no a corto plazo… habrá que esperar todavía unos 20 años o quizás algunos más.

PS (5 nov. 2011): Gracias a Aitor os incluyo el vídeo de la mesa redonda “ITER y la Promesa de la Fusión Nuclear” en la Universidad Politécnica de Madrid, 27 de octubre de 2010. Antonio Rivera (Instituto de Fusión Nuclear, UPM) nos habla de fusión por confinamiento inercial (NIF y HiPER) y Franscisco Castejón (CIEMAT) de fusión por confinamiento magnético (ITER). Merece la pena ver la conferencia, aunque dura unas dos horas.