La ruta de los diez años para la fusión nuclear comercial

Dibujo20130217 Development roadmap for private sector fusion systems

Los “libros blancos” son cada día más comunes en España. Se nota que estamos copiando a EE.UU. que tienen “libros blancos” para todo, incluso para ayudar a los inversores de capital riesgo a invertir en tecnologías de fusión nuclear comercial. La recomendación es invertir unos 500 M$ (millones de dólares) en 10 años, pero en dos fases. En los primeros 3 años hay que invertir unos 20 M$ para que el innovador demuestre que su diseño funciona. En la segunda fase, si el diseño ha funcionado, se invertirá el resto del dinero para obtener un prototipo comercial. Si en 10 años el innovador no ha demostrado que su prototipo comercial funciona, el inversor de capital riesgo debe abandonar de forma inmediata. Así de sencillo. Esta “hoja de ruta” para el inversor es el resultado de un comité del ARPA-E del DOE. Acojona pensarlo. Sólo 3 años y sólo 20 M$ para demostrar lo que miles de investigadores con miles de millones de dólares no han logrado en los últimos 60 años. Por fortuna, en EE.UU. hay muchos inversores de capital riesgo que están apostando por proyectos de este tipo. El beneficio esperado para quien logre desarrollar los primeros reactores de fusión comerciales ronda los diez mil millones de dólares (un factor de retorno para la inversión de 20). No es de extrañar que haya muchos proyectos que buscan obtener reactores compactos de fusión nuclear comerciales esparcidos por todo el mundo (siendo los mejor financiados los de EEUU y Canadá). El problema es que muy pocos han logrado los 20 M$ de inversión necesarios para entrar en la carrera descrita por el “libro blanco” de la fusión nuclear compacta comercial. Más información para los inversores interesados en Simon Woodruff et al., “Path to Market for Compact Modular Fusion Power Cores,” Journal of Fusion Energy 31: 305-316, August 2012.

El futuro de la fusión nuclear en Corea del Sur

Dibujo20130215 schematic sketch of the proposed K-DEMO fusion facility - South Korea National Fusion Research Institute

Corea del Sur ha aprobado una inversión de mil millones de dólares para el diseño de aquí a 2021 de un reactor nuclear de fusión tipo tokamak, llamado K-DEMO (Korean Demonstration Fusion Power Plant), cuya construcción se debería iniciar en 2022 y debería lograr la fusión por confinamiento magnético en 2036. ¿Por qué tan tarde? Porque el objetivo es aprovechar la experiencia que se adquiera en los primeros años de funcionamiento de ITER (Corea del Sur es miembro del consorcio). El gobierno espera que el proyecto K-DEMO R&D emplee a unas 2400 personas en su primera fase, que durará hasta 2016. En este proyecto colabora el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL), Nueva Jersey, del Departamento de Energía de EEUU. Su antiguo director, Robert Goldston, considera que K-DEMO es un proyecto factible (pero la opinión de Goldston está sesgada pues ayudó al diseño inicial del pequeño tokamak experimental que tiene Corea del Sur, llamado K-STAR, por Korea Superconducting Tokamak Advanced Research). Nos lo ha contó Soo Bin Park, “South Korea makes billion-dollar bet on fusion power. Reactor to be built in 2030s represents a step towards commercial use,” Nature News, 21 Jan 2013. Más información sobre K-DEMO en Hyuck Jong Kim et al., “An exploratory study on the gaps and pathways to the Korean fusion DEMO,” Fusion Engineering and Design 87: 757–763, Aug 2012.

Retorno al pasado, Nature (2005): La fusión nuclear en la mesa de un laboratorio

Cada vez que hablo de fusión nuclear en este blog, algún lector me recuerda el experimento publicado en Nature en 2005 (antes de que naciera este blog). Investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) publicaron pruebas inequívocas de haber logrado la fusión nuclear en un experimento sencillo a temperatura ambiente. Calentaron un cristal piroeléctrico (material que se carga eléctricamente cuando se calienta) dentro de un cavidad con gas de deuterio (D), provocando su ionización; los iones cercanos a un punta de wolframio, donde el campo eléctrico es muy intenso, se aceleraron hasta bombardear un blanco sólido que contenía deuterio; como resultado se midió un flujo de neutrones con un espectro de energía que correspondía a la reacción de fusión D+D. Una demostración que se vio premiada por una publicación en Nature. Obviamente, este procedimiento no sirve como fuente de energía (no permite la ignición controlada de la fusión con exceso de energía), pero puede tener aplicaciones como fuente de neutrones en radiología e imagen en medicina (aunque en 2005 el número de neutrones producido era tan pequeño que no tenía aplicación práctica razonable, los autores del estudio esperaban que en pocos años se pudiera incrementar dicho número en al menos un factor de mil). ¿Qué sabemos ahora de esta tecnología y de este experimento? En esta entrada recordaré el resultado logrado y bucearé en su estado actual. El artículo original es B. Naranjo, J.K. Gimzewski & S. Putterman, “Observation of nuclear fusion driven by a pyroelectric crystal,” Nature 434: 1115-1117, 28 April 2005 [pdf gratis], y también merece la pena leer Michael J. Saltmarsh, “Technology: Warm fusion,” News and Views, Nature 434: 1077-1080, 28 April 2005 [pdf gratis]. El investigador principal del artículo Seth Putterman es muy polémico y ha sabido buscarse gran número de enemigos entre el establishment, como nos contó Geoff Brumfiel, “Physics: Far from the frontier,” News Feature, Nature 437: 1224-1225, 27 October 2005; aún así, sus ideas son muy originales y siempre son objeto de noticias en los medios.

Naranjo, Gimzewski y Putterman lograron una fuente portátil de neutrones de alta energía (unos 2,5 MeV) basada en la reacción nuclear de fusión del deuterio D + D right arrow 3He (820 keV) + n (2,45 MeV). El dispositivo permite generar un haz de neutrones de baja intensidad, con un pico de unos 1000 por segundo. El funcionamiento del dispositivo es muy sencillo. Un cristal piroeléctrico de LiTaO3 colocado entre dos electrodos es calentado lentamente, lo que provoca que aparezca una diferencia de potencial de unos 100 kV entre dichos electrodos (ver figura de arriba). Este cristal se encuentra en una cavidad rellena de deuterio gaseoso con una presión muy baja de unos 0,7 pascales (recuerda que la presión atmosférica es de 100 000 pascales). El cristal piroeléctrico está conectado a un electrodo de wolframio en forma de aguja donde se produce un campo eléctrico enorme, de unos 10 gigavoltios por metro, que ioniza el gas de deuterio. Los iones de deuterio se ven acelerados por el campo eléctrico y se dirigen como proyectiles hacia un blanco sólido que contiene deuterio en forma de ErD3 (“deuteriuro” de erbio). Los iones colisionan con el blanco y producen neutrones con un espectro de energía centrado en 2,5 MeV que corresponde a la reacción de fusión D+D.

El calentamiento del cristal piroeléctrico es lento, su temperatura crece unos 12,4 °C por minuto, lo que induce una polarización espontánea y una diferencia de potencial que crece a un ritmo de unos 50 kV por minuto. Cuando esta diferencia de potencial crece, la punta de wolframio adquiere un campo eléctrico mayor de 25 gigavoltios por metro, capaz de ionizar el gas de deuterio. Estos iones se aceleran formando haz que incide sobre el blanco (como muestra la figura de arriba, obtenida mediante simulaciones numéricas). La corriente de estos iones es baja, unos 4 nanoamperios, lo que produce un pico máximo de unos 1000 neutrones por segundo. El haz se mantiene mientras se está calentando el cristal piroeléctrico, es decir, durantes unos pocos minutos.

¿Para qué se puede usar un haz de unos 1000 neutrones por segundo? La verdad es que es un haz con una intensidad demasiado débil para ser útil en aplicaciones prácticas (salvo para experimentos en laboratorios de física que requieran haces de neutrones débiles). Los autores del estudio afirmaban en su artículo que esperaban poder incrementar la intensidad del haz de neutrones en un factor de 1000 hasta alcanzar una intensidad de un millón de neutrones por segundo. Para ello proponían operar el sistema en condiciones criogénicas, para permitir que el calentamiento lento del cristal dure más tiempo, además utilizar una punta más delgada o un sistema de puntas. En un artículo posterior, V. Tang, G. Meyer, J. Morse, G. Schmid, C. Spadaccini, P. Kerr, B. Rusnak, S. Sampayan, B. Naranjo, S. Putterman, “Neutron production from feedback controlled thermal cycling of a pyroelectric crystal,” Rev. Sci. Instrum. 78: 123504 (2007), implementaron estas ideas. Calentando el cristal desde 10 ºC a 100 ºC, a un ritmo de  0,2 °C/s, lograron producir una corriente de iones de unos ∼10 nA y un número de neutrones de 190 000 (±30 000) por ciclo de calentamiento. El incremento no es tan grande como esperaban inicialmente (según predecían sus simulaciones numéricas). También han utilizado un blanco con tritio en lugar de deuterio en su artículo B. Naranjo, S. Putterman, T. Venhaus, “Pyroelectric fusion using a tritiated target,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 632: 43–46, 2011, lo que les permite obtener una fuente de neutrones con una energía de unos 14,1 MeV (obtuvieron un flujo mucho menor del esperado en teoría, unos 300 000 neutrones por segundo, que achacaron a impurezas en la punta de wolframio).

El trabajo de Naranjo et al. fue verificado de forma independiente por Jeffrey Geuther, Yaron Danon,  Frank Saglime, “Nuclear Reactions Induced by a Pyroelectric Accelerator,” Physical Review Letters 96: 054803, 2006 [pdf gratis], y por Don Gillich, Andrew Kovanen, Bryan Herman, Travis Fullem, Yaron Danon, “Pyroelectric crystal neutron production in a portable prototype vacuum system,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 602: 306–31 (2009); estos artículos obtuvieron un flujo de neutrones menor (quizás porque el cristal piroeléctrico utilizado era más pequeño), y tuvieron algunos problemas de reproducibilidad del experimento (el proceso de calentamiento es clave y su control es difícil). Algo típico en estos experimentos es obtener un flujo de neutrones menor que el predicho por los modelos teóricos, por ejemplo, Donald J. Gillich, Andrew Kovanen, Yaron Danon, “Deuterated target comparison for pyroelectric crystal D–D nuclear fusion experiments,” Journal of Nuclear Materials 405: 181–185, 2010.

La posibilidad de reducir el tamaño de la aguja de wolframio para lograr campos eléctricos más intensos también ha sido estudiada, aunque sin mucho éxito en Donald J. Gillich, Ranganath Teki, Travis Z. Fullema, Andrew Kovanen, Ezekiel Blain, Douglas B. Chrisey, Toh-Ming Lu, Yaron Danon, “Enhanced pyroelectric crystal D—D nuclear fusion using tungsten nanorods,” NanoToday 4: 227-234, 2009 [pdf gratis]; utilizaron nanoagujas (nanorods) de wolframio, pero obtuvieron un flujo de neutrones más pequeño que en el artículo de Nature (menos de 100 neutrones por segundo); estos autores no entienden por qué, pero creen que en el futuro podrá mejorarse este resultado. Estudios teóricos parece que lo reafirman (Birk Reichenbach, I. Solano, and P. R. Schwoebel, “A field evaporation deuterium ion source for neutron generators,” J. Appl. Phys. 103: 094912 (2008) [pdf gratis]). Algunos autores han propuesto substituir la aguja de wolframio por nanoagujas de carbono, como Arun Persaud et al, “Development of a compact neutron source based on field ionization processes,” J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. 29: 02B107, 2011 [arXiv:1010.2252], pero por ahora los logros son parcos.

Me gustaría destacar que hay que tener cuidado a la hora de interpretar los resultados de algunos de estos artículos sobre emisores de neutrones por fusión D+D. Por ejemplo, en V. Tang et al, “Intense Pulsed Neutron Emission from a Compact Pyroelectric Driven Accelerator,” J. Appl. Phys. 105: 026103, 2009 [pdf gratis en LLNL], se afirma haber logrado una producción de diez mil millones de neutrones por segundo, pero hay que leer la letra pequeña, solo durante un tiempo de cientos de nanosegundos (en realidad son unos 40 neutrones por pulso). Como ocurre muchas veces, hay que leer la letra pequeña para descubrir que no es oro todo lo que reluce.

En resumen, los reactores de fusión piroeléctricos son fuentes de neutrones en miniatura que producen flujos débiles de neutrones de alta energía que pueden tener ciertos usos prácticos pero que requieren aún mucha investigación para optimizar su diseño y hacerse un hueco en el mercado.

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.

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.

.

.

*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.

Los problemas de financiación de la fusión nuclear por confinamiento magnético e inercial

La fusión nuclear es una de las rutas más prometedoras hacia una fuente abundante de energía limpia. Hay muchos proyectos de investigación en curso en el mundo pero los dos más importantes son ITER (en construcción cerca de Cadarache, Francia) que utiliza confinamiento magnético y NIF (cuya construcción finalizó en 2009) que utiliza confinamiento inercial. La crisis económica está afectando gravemente a ambos proyectos. ITER está considerado el proyecto científico más caro de la historia y se estima que acabará costando unos 15 000 millones de euros, como mínimo; este año Europa ha tenido problemas para pagar su contribución al ITER. NIF es mucho más barato (ha costado unos 3 500 millones de dólares). Nos lo cuenta David Kramer, “DOE looks again at inertial fusion as a potential clean-energy source,” Physics Today, March 2011. Por cierto, también en este blog: “Publicado en Nature: La unión europea desviará mil millones de euros del FP7 hacia el reactor de fusión ITER,” 7 julio 2010; “Publicado en Science: La Unión Europea no puede pagar su parte en la construcción del reactor de fusión ITER, que sufrirá un nuevo retraso,” 18 marzo 2010; “Publicado en Nature: ITER, una obra faraónica con dificultades de financiación,” 2 junio 2010;

La financiación de la ciencia depende de los políticos de turno mucho más que de los propios científicos. El DOE (Departament of Energy) de los EE.UU. financia gran parte de la investigación en nuevas fuentes de energía y ha vuelto de nuevo su mirada hacia la fusión inercial. El gran proyecto de EE.UU. en esta tecnología es el NIF (National Ignition Facility), la gran competencia de la colaboración internacional ITER, aún en construcción en Francia. El NIF finalizó su construcción en 2009 (costó unos 3500 millones de dólares) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y aún no ha logrado iniciar la fusión (la ignición); se espera que lo logre en los próximos años y que además demuestre alguna ganancia en energía (ahora mismo es un saco sin fondo en cuanto a consumo de energía).

En los últimos 50 años la fusión por confinamiento inercial ha avanzado de la mano de los militares (que la utilizan para simular explosiones termonucleares) pero ahora se considera como una ruta prometedora hacia las aplicaciones civiles. En el NIF se utilizan láseres de alta potencia que provocan la implosión de diminutas cápsulas de combustible (isótopos pesados de hidrógeno). El problema del NIF es lograr la ignición reiterada del combustible; en las pruebas de armamento nuclear se puede realizar una prueba al día y punto, pero si queremos obtener rendimientos de energía netos entre 50 y 100 (veces la energía necesaria para la ignición) debemos ser capaces de provocar la ignición con suficiente rapidez. El gran problema es el enfriamiento del láser entre cada par de disparos. Los científicos del LLNL ya han propuesto un nuevo láser de estado sólido, LIFE, que sustituirá al actual cuando se demuestre la ignición y permitirá disparos reiterados.

¿Logrará el NIF la ignición? Muchos lo dudan ya que aún no se controlan bien las inestabilidades del plasma que podrían evitar la ignición. ¿Se podrán abaratar los costos? En la actualidad se estima que un planta de fusión por confinamiento inercial costará unos 8000 millones de dólares, cuando una central nuclear pequeña cuesta sólo unos 1000 millones de dólares. ¿Puede pagar el DOE su contribución a dos proyectos en competencia como NIF y ITER? ¿Debe favorecer a uno de ellos? Sólo los políticos tienen la respuesta.

Hacia una máquina que fabrique un sol en la Tierra

Permitidme un par de vídeos sobre el National Ignition Facility (NIF) en los Lawrence Livermore National Laboratories, en el norte de California. Un reactor de fusión por confinamiento inercial cuya ignición es provocada por 192 láseres de alta potencia. El primer vídeo es del programa Horizon de la BBC y el segundo del propio NIF del LLNL.