Nuevo avance en la fusión aneutrónica protón-boro

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La fusión aneutrónica produce neutrones de alta energía, pero muchos menos que la fusión convencional. La colisión de protones con núcleos de boro 11 produce sobre todo radiación alfa (núcleos de helio) de alta energía en lugar de neutrones. A veces se afirma que la fusión aneutrónica está “limpia” de radiación ionizante, pero en realidad lo que ocurre es que contener la radiación alfa requiere un blindaje más delgado. No todo son ventajas. La fusión p11B requiere alcanzar una temperatura del plasma mucho más alta que la fusión D-T (deuterio-tritio), lo que impide su uso en reactores de fusión por confinamiento magnético. Por fortuna, la fusión pulsada en reactores por confinamiento inercial no parece imposible, en principio, siempre que el plasma pB esté fuera del equilibrio. Christine Labaune (LULI, Ecole Polytechnique, CNRS, Francia) y sus colegas han publicado en Nature Communications un nuevo avance en esta tecnología basado en el uso de dos láseres diferentes. Un láser de picosegundos calienta el plasma de protones durante unos picosegundos y lo hace colisionar con un plasma de núcleos de boro previamente calentado por un láser de nanosegundos. Han observado la emisión de radiación alfa, sin presencia apreciable de neutrones de alta energía. Un gran éxito, aunque sólo un pequeño paso hacia la fusión aneutrónica como una realidad comercial. Sobre todo porque la escalabilidad del nuevo sistema es muy difícil y el breakeven puede tardar décadas en ser alcanzado. Nos lo cuenta Ron Cowen, “Two-laser boron fusion lights the way to radiation-free energy,” News, Nature, 8 Oct 2013; el artículo técnico es C. Labaune et al., “Fusion reactions initiated by laser-accelerated particle beams in a laser-produced plasma,” Nature Communications 4: 2506, 8 Oct 2013 (arXiv:1310.2002 [physics.plasm-ph]).

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Gran avance en la fusión por confinamiento inercial mediante láser en el NIF

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Me enteré el 4 de octubre en San Sebastián/Donostia gracias a tres tuits de Sergio Palacios (@Pr3cog) “No sé cuántos entenderéis esta noticia, pero en la madrugada del pasado sábado el NIF logró por primera vez el scientific breakeven. Eso significa que por primera vez la energía obtenida de la fusión nuclear supera a la energía consumida para generarla. En conclusión: una noticia excelente para quienes aún creemos que los reactores nucleares de fusión serán una realidad en el futuro…” Pido perdón porque no me hice eco de esta gran noticia  ya que estaba liado en el evento Naukas Quantum 2013. Sergio trabaja en la simulación por ordenador de los materiales de contención en los reactores de fusión y tiene información privilegiada. Ahora ya no lo es. Paul Rincon se ha hecho eco de esta noticia en BBC News (tuit de Sergio), “Nuclear fusion milestone passed at US lab,” 7 oct 2013.

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Importante recorte en la financiación del proyecto NIF de fusión por confinamiento inercial

Arnold Schwarzenegger, gobernador de California, en la inauguración del proyecto de fusión del National Ignition Facility (NIF), el láser más poderoso del mundo, afirmó en 2009 que este laboratorio dejaría obsoletas las predicciones de “sus amigos de Hollywood. La energía de fusión será la que sostenga a las generaciones futuras.” Pero como ya os conté el 20 de septiembre, el “NIF no ha logrado la ignición de la fusión y se encuentra en una encrucijada de financiación.” El Congreso de los EEUU ha decidido retomar el programa armamentístico del NIF (simular armas nucleares) y relegar el proyecto civil de fusión por confinamiento inercial (NIC) a un segundo plano. Tras seis años de intentos infructuosos, los responsables del Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL), Livermore, California, donde tiene su sede el NIF, han anunciado que aún se encuentran muy lejos de lograr la “ignición” prometida. El gobierno de EEUU financiará el programa de fusión del NIF con solo 280 millones de dólares al año, con el objetivo de diseñar una nueva estrategia hacia la fusión. Nos lo contó el editor de Nature en “Ignition switch,” Nature 491: 159, 08 November 2012, y Geoff Brumfiel, “Laser lab shifts focus to warheads. US ignition facility will devote less time to energy research,” Nature 491: 170-171, 08 November 2012.

¿Era realista el objetivo del NIF de demostrar la ignición de la fusión en seis años? Quizás pecaron de optimistas; enfocar 192 láseres en una cápsula cilíndrica forrada de oro para focalizar 500 TW de energía en una pequeña esfera de isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio) para lograr la fusión no parece fácil. De hecho, muchos investigadores criticaron la ruta para la fusión del NIF cuando se publicaron los primeros resultados, ya que el combustible de hidrógeno no estaba siendo comprimido correctamente y los códigos informáticos utilizados para predecir el rendimiento de la instalación daban resultados que diferían demasiado de las observaciones experimentales. Muchas voces críticas, pero desde el LLNL se insistía en que el objetivo era realista y podían cumplirlo. En apariencia todo marchaba a las mil maravillas. Pero solo en apariencia. En septiembre acabó el proyecto NIC sin éxito. Un proyecto que disponía del 80% del NIF (el 20% restante era de la NSSA, National Nuclear Security Administration, responsable de mantener el arsenal nuclear de EEUU), tendrá que conformarse a partir de ahora con menos del 50% (todavía no se ha publicado la cifra oficial). EEUU no renuncia a la vía de la fusión por confinamiento inercial, pero parece claro que apuesta por un enfoque más lento, más metódico, con pies más firmes, más en la línea de la fusión en tokamaks (que promete un reactor de fusión de demostración operativo para la década de 2050).

¿Hasta cuándo EEUU financiará la fusión por confinamiento inercial en el NIF? ¿Qué pasará cuando empiece a operar ITER a principios de 2021? Quizás la respuesta dependa  solo de cómo evolucione la crisis financiera internacional.

Nuevas simulaciones numéricas de la fusión inercial magnetizada predicen una alta ganancia energética

Me ha llamado la atención “Un paso más hacia la fusión nuclear,” Ciencia Kanija, 1 Oct. 2012 [original en inglés], que se hace eco de un nuevo artículo sobre fusión inercial de funda magnetizada (MagLIF) publicado en Physical Review Letters por investigadores del Laboratorio Nacional Sandia en Albuquerque, Nuevo México, EEUU. El resumen del artículo técnico es muy optimista y predice una ganancia energética de hasta 1000, lo que significaría que se obtiene mil veces más energía de la fusión que la necesaria para producirla. Este valor hay que tomarlo con alfileres, no solo porque se ha obtenido mediante simulaciones numéricas en dos dimensiones (2D en lugar de 3D), sino también porque los autores del artículo han definido la ganancia energética G como el cociente entre la energía de fusión alcanzada y la energía absorbida por el combustible y su cápsula durante la implosión. Obviamente, hay muchas pérdidas. En la introducción del artículo, los autores aclaran que solo un 20% de la energía utilizada es útil, es decir, acaba en la cápsula y el combustible; por tanto, un valor más realista de la ganancia energética G lograda en la fusión inercial magnetizada en estos experimentos numéricos es cinco veces menor. Por supuesto, en mi opinión incluso este valor es muy optimista, pues las simulaciones numéricas incurren en gran número de simplificaciones de la física del plasma. Sinceramente, no creo que se logre nunca una ganancia de energía en la fusión gracias a MagLIF (es decir, una ganancia Q>1), salvo que se introduzcan gran número de cambios en los diseños que han sido estudiados por estos autores. Pero quizás soy demasiado pesimista (prefiero pensar que realista). El nuevo artículo técnico es Stephen A. Slutz and Roger A. Vesey, “High-Gain Magnetized Inertial Fusion,” Physical Review Letters 108: 025003, 2012. Más información sobre MagLIF y simulaciones previas menos detalladas en S. A. Slutz et al., “Pulsed-power-driven cylindrical liner implosions of laser preheated fuel magnetized with an axial field,” Physics of Plasmas 17: 056303, 2010.

La fusión por confinamiento inercial consiste en inyectar mucha energía en una cápsula de combustible de tal forma que explote la funda de la cápsula y, por el principio de acción y reacción, implosione el combustible de su interior hasta que se logra la superar el punto de equilibro de la fusión (llamado breakeven en inglés) y denotado Q=1. La idea parece sencilla y hace 60 años parecía tan fácil de lograr como la fisión nuclear; sin embargo, tras 60 años aún nos encontramos tan verdes como entonces y aún no se ha logrado alcanzar el punto de equilibrio de la fusión por confinamiento inercial (el récord actual, logrado gracias al confinamiento magnético en el tokamak JET fue Q=0,7<1, aunque las pruebas con bombas atómicas indican que es posible y se espera que ITER logre alcanzar Q=10).

Uno de los grandes problemas de la fusión por confinamiento inercial es el diseño y el preproceso de la cápsula de combustible (pellet). Las cápsulas esféricas son mejores porque consiguen una implosión más simétrica, pero su volumen crece con el cubo del radio, luego se necesita una mayor energía para lograr la explosión de su capa exterior que logre la implosión del combustible interior. Las cápsulas cilíndricas, cuyo volumen crece con el cuadrado del radio, parecen una mejor opción, pero requieren una mayor energía para lograr una explosión radial de la funda del combustible. La técnica MagLIF trata de resolver este problema mediante el precalentamiento previo del combustible mediante magnetización. Para ello se usa una funda metálica por la que se hace pasar una corriente eléctrica muy alta que genera un gran campo magnético.

El nuevo artículo estudia la fusión deuterio-tritio (DT) en cápsulas metálicas de berilio y aluminio magnetizadas con corrientes de millones de amperios (MA) aplicadas mediante pulsos cortos de decenas de nanosegundos (ns). La ganancia energética de 1000 se obtiene en las simulaciones numéricas al aplicar una corriente de 70 MA en la cápsula durante unos 10 ns; con una corriente de unos 60 MA durante 10 ns se obtendría una ganancia energética de 100. Son números fáciles de escribir, pero son enormes y están más allá de la tecnología actual. Por ejemplo, el mayor generador de rayos X del mundo, la máquina Z del Laboratorio Nacional Sandia, logra alcanzar unos 20 MA en pulsos cortos de unos 100 ns. Alcanzar 60 MA, aunque sea en pulsos de 10 ns, requiere una nueva instalación experimental.

En resumen, el nuevo artículo técnico es llamativo, en especial a los que hacemos simulaciones numéricas, pero creo que debemos poner los pies sobre la tierra y recordar que “la realidad siempre supera a la ficción.”

PS: En la versión original de esta entrada yo usaba el término “ignición” para denotar el punto de equilibrio Q=1, cuando estrictamente hablando la ignición se logra para Q→∞. Me lo ha aclarado alfonsotwr ‏(@alfonsotwr) en Twitter; gracias.

 

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.

Artículo invitado: HiPER – La fusión nuclear por confinamiento inercial en Europa

Jesús Álvarez Ruiz, del Instituto de Fusión Nuclear de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), miembro del proyecto HiPER, impartirá una conferencia titulada “Fusión Inercial: Peligros y propuestas para proteger las paredes internas de un futuro reactor” en los Seminarios Internacionales de Fronteras de la Ciencia de Materiales (Aula de Seminarios, Departamento de Ciencia de Materiales, E. T. S. de Ingenieros de Caminos, UPM), el lunes 20 de Junio de 2011, a las 9:30 h. Le propuse y ha aceptado escribir una breve entrada describiendo dicho proyecto (HiPER). Espero que la disfrutéis.

¿Qué es la Fusión Nuclear?

La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos se unen para formar un núcleo más pesado a la vez que se genera una gran cantidad de energía. Para producir las reacciones de fusión es necesario que  los núcleos atómicos de partida superen la repulsión que experimentan al estar cargados positivamente. En caso de querer utilizar la fusión como una fuente de energía, se  requiere que los núcleos atómicos tengan velocidades iniciales y probabilidades de choque altas. Hablamos de temperaturas de millones de grados para alcanzar las velocidades requeridas (a esas temperaturas, la materia está en forma de plasma) y de densidades y confinamientos de esos plasmas adecuados para garantizar las colisiones. Estas condiciones se resumen en una combinación adecuada de temperaturas, densidades y tiempos de confinamiento que se denominan criterio de Lawson.

Son las densidades del plasma y su confinamiento, las que definen los dos principales mecanismos que el hombre está explorando para obtener energía de la fusión nuclear con la reacción entre el Deuterio y el Tritio. Por un lado se encuentra la fusión por confinamiento magnético que encierra el plasma dentro de varios campos magnéticos el tiempo suficiente como para asegurar un número de choques y reacciones de fusión que generen más energía que la requerida para producir inicialmente el plasma y  su confinamiento. Y por otro lado se encuentra la fusión por confinamiento inercial que genera y confina un plasma muy denso (20 veces la densidad del plomo) en un instante, de modo que se produzcan suficientes reacciones de fusión como para compensar la energía invertida en la compresión y calentamiento instantáneo del combustible.

La fusión magnética es la más conocida y en la cuál se está invirtiendo más dinero (véase el proyecto internacional ITER), aunque la fusión inercial tomará una posición relevante en los próximos años si se cumplen las predicciones y una instalación de fusión consigue mostrar por primera vez  ganancia (la reacción de fusión produciría más energía que la que consumiría).

Fusión Inercial – HiPER

Aunque hay varias propuestas para inducir la fusión inercial, la más extendida se base en el uso de sistemas láser muy potentes. En el concepto más sencillo, varias decenas de pulsos láser muy energéticos se enfocan simultáneamente sobre una pequeña cápsula redonda de plástico que contiene el Deuterio-Tritio. Esa energía comprime el combustible a grandes densidades y lo calienta hasta alcanzar las temperaturas necesarias para producir la fusión.

Fases de la fusión por confinamiento inercial por láser de un blanco directo. Las flechas azules representan la radiación láser; las flechas naranjas representan los fragmentos de cápsula que salen despedidos. Las flechas rojas indican la dirección en la que se transporta la energía térmica (Imagen tomada de la Wikipedia).1. La radiación calienta rápidamente la superficie, generando un plasma. 2. Por efecto de acción-reacción el plasma se expande hacia afuera y el combustible se comprime. 3. La cápsula implosiona alcanzando densidades de >200g/cm3 y temperaturas de 100 millones de grados. 4. La fusión nuclear tiene lugar en el centro y se transmite al combustible comprimido colindante, produciendo más energía que la consumida en el proceso.

La Instalación Nacional de Ignición, NIF, del Lawrence Livermore National Laboratory de los Estados Unidos, es el laboratorio que dispone del sistema láser más potente del mundo. Con sus 192 pulsos láser que depositarán unos 1.5 MJ de energía sobre el blanco, aspira a ser el primer centro en demostrar ganancia en los próximos 1 o 2 años y así fundar las bases de lo que, en un futuro, puede ser un reactor de energía de fusión.

En Europa, las dos iniciativas más importantes en fusión inercial son la francesa Laser MégaJoule, LMJ, muy similar a NIF y con fines militares únicamente, y el High Power laser Energy Research facility, HIPER.

Esquema de la instalación HiPER.

 HiPER es el proyecto europeo que pretende acercar la fusión inercial a  una planta de energía. Como siguiente paso a NIF, busca demostrar la fusión de forma repetitiva (varias veces por segundo) y aumentar la ganancia de energía reduciendo el consumo de los láseres y optimizando el proceso de compresión y calentamiento del combustible.

Las altas pérdidas en forma de calor durante la conversión de energía eléctrica en energía para amplificar los pulsos láser (mediante lámparas de flash) hacen que los láseres de NIF necesiten más de 6 horas para enfriarse y poder volver a disparar. HiPER está trabajando en el desarrollo de láseres de estado sólido bombeados por láseres de diodo, DPSSL, mucho más eficientes y que permitirán disparar con frecuencias entre 5-10 Hz.

A su vez, HiPER está trabajando en otros esquemas del blanco de combustible, como son la ignición rápida o la ignición por choque, que permitirían reducir la cantidad de energía depositada en el combustible en aproximadamente un tercio de la que se inyecta en NIF.

El proyecto HiPER se encuentra en la actualidad en la fase preparatoria de evaluación de tecnología. En caso de que los gobiernos de los distintos países participantes  promuevan su construcción (entre ellos España), se espera entrar en la fase de diseño para el 2012-2013.

Estados Unidos también está evaluando un programa similar llamado LIFE, con el firme propósito de tener un reactor experimental que genere la misma cantidad de energía que consuma (unos 300 MW) para el 2020. Su objetivo es disponer de una planta demostradora de potencia (1.5-2 GW) entre el 2025-2030.*

Aunque todavía son varios los retos que la fusión inercial tiene que afrontar (como la construcción de láseres de alta energía y alta repetición o la inyección de blancos en cámara de reacción de varios metros de radio con precisiones espaciales y temporales muy altas) esta forma de energía puede ser una realidad económicamente en las próximas dos décadas. Eso si contar con las múltiples aplicaciones en diversos campos de la física que una instalación de este estilo significaría. Hay mucho en juego y los grupos españoles que lideran el diseño del reactor pueden jugar un importante papel. Sólo el tiempo y los políticos dirán.

Jesús Álvarez, Instituto de Fusión Nuclear, UPM.

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*La principal diferencia de LIFE con el proyecto HiPER se encuentra en el tipo de blanco y en la protección interna de las paredes del reactor. LIFE utilizará blancos indirectos como los de NIF en los que la energía láser no se deposita directamente sobre la esfera de combustible sino que primero se  convierten en rayos X en las paredes internas de una cápsula que envuelve al blanco. Son los rayos X generados en las paredes internas de la cápsula los que posteriormente comprimen y calientan el combustible. Estos blancos son menos eficientes energéticamente hablando pero están más desarrollados y sufren menos inestabilidades en la compresión del combustible.

La segunda diferencia estriba en el hecho de que la radiación emitida en un blanco indirecto tiene una distribución de energía diferente a los blancos directos. En ambos casos el 70% de la energía de fusión se emite en forma de neutrones energéticos, pero mientras que en los blancos indirectos el 30% restante es fundamentalmente radiación X, en los blancos directos ese 30% aparece en forma de iones rápidos. Tanto en un caso como en el otro ese 30% de la energía va a parar a las paredes  del reactor. Para contrarrestar el efecto de los rayos X, LIFE llenará la cámara de gas Xe que absorberá la energía y la depositará sobre las paredes de forma continua. En el caso de HiPER, la pared del reactor  contará con una cubierta interna de unos cientos de micras de wolframio que hará de escudo protector.