El comité STAC recomienda retrasar la inyección de combustible en el ITER hasta 2027

En el año 2010 se esperaba que la inyección del primer combustible nuclear en el mayor tokamak del mundo, ITER, aún en construcción en Cadarache, Francia, sería en el año 2020, tras lo cual se ejecutaría un programa de investigación básica que nos llevaría a la producción neta de energía en 2027. Un comité de expertos ha recomendado que dicha fecha sea retrasada a 2027 y que se ejecute un programa ultrarrápido hacia la fusión que permita que en 2028 haya una producción neta de energía de 500 MW a partir de un consumo de sólo 50 MW, es decir, alcanzar un Q ≥ 10 durante unos pocos segundos en tan solo un año. El comité llamado STAC (ITER’s Science and Technology Advisory Committee) estima que se puede lograr todo ello con un gasto total de 15.000 millones de euros. En mi opinión el comité STAC es muy optimista (a la vista de los problemas financieros y técnicos que ha sufrido el ITER en el último lustro). Nos lo cuenta Declan Butler, «ITER keeps eye on prize. Construction delays force rethink of research programme, but fusion target still on track,» News, Nature, 15 Oct 2013.

En mi opinión, yo no soy experto ni mucho menos, en un solo año pasar del primer plasma tras la inyección de combustible (deuterio+tritio o DT) a la producción neta de energía me parece muy, pero que muy optimista. Pero no hay nada que sea imposible, si no está prohibido por las leyes de la física. El plasma de DT a 150 millones de grados Celsius aún oculta muchos secretos que requieren un programa de investigación básica ejecutado con rigor. No creo que acelerar la producción de energía a toda marcha, para posponer el programa de investigación básica a partir de 2028 sea una buena idea. Pero ojalá me equivoque y todo funcione a las mil maravillas (en fusión, hasta el día de hoy, nunca ha ocurrido).

Lo cierto es que un gran éxito, como sería lograr un Q ≥ 10 durantes unos segundos en 2028 tras la primera inyección de combustible en 2027, abriría un camino de rosas hacia el objetivo final de ITER, lograr un Q ≥ 10 durante entre 300 y 500 segundos, que sea repetible a un ritmo horario. Tras este gran éxito se podría ejecutar el programa de investigación básica que llevará a DEMO, el primer reactor de fusión «comercial» de demostración. Pero la física de los plasmas es muy complicada y el control de la turbulencia del plasma, evitando dañar las paredes de contención del reactor y garantizando la estabilidad necesaria para un producción sostenida de energía, todavía parece casi una utopía. Pero una utopía que los físicos haremos realidad durante la primera mitad del siglo XXI, pongo mi mano en el fuego.

Nuevo avance en la fusión aneutrónica protón-boro

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]).

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.

El estado actual de la fusión aneutrónica, la tercera vía a la fusión nuclear

Hay una alternativa a la fusión nuclear, la panacea energética del siglo XXI, que no requiere gastar miles de millones de euros de los contribuyentes. Eric J. Lerner y su equipo de la empresa Lawrenceville Plasma Physics, Inc., están explorando una tercera vía para la fusión nuclear, la fusión aneutrónica basada en plasmoides, que pretende la fusión de protones e iones de boro-11, resultando helio-3 y energía a espuertas. La fusión aneutrónica no está libre de neutrones, pero requiere que la emisión de neutrones al producir cierta cantidad de energía sea inferior al 1% de la emisión correspondiente a la fusión convencional. El último artículo de Lerner se ha publicado en la revista Physics of Plasmas de la AIP y afirman que han logrado la fusión pulsada confinada en un plasmoide de iones de deuterio (sí, la fusión D+D con emisión de neutrones); durante unos 7-30 nanosegundos han logrado una producción de 0,15 billones de neutrones en el núcleo de un plasmoide de 0,3-0,5 mm de radio y una densidad de ∼3 × 10¹⁹ cm⁻³. Según Lerner y sus coautores se ha logrado dar un gran paso hacia la fusión aneutrónica (aunque en mi opinión de inexperto aún queda bastante lejana). El artículo técnico es Eric J. Lerner, S. Krupakar Murali, Derek Shannon, Aaron M. Blake, and Fred Van Roessel, «Fusion reactions from >150 keV ions in a dense plasma focus plasmoid,» Phys. Plasmas 19: 032704, 23 March 2012 [pdf gratis]. Para quien no lo sepa, Phys. Plasmas es la revista con mayor índice de impacto dedicada en exclusiva a la física de plasmas, como nos recuerda Derek Shannon, «Acceptance to Physics of Plasmas confirms LPP is hot!,» LPP Inc., Feb. 27, 2012. Un avance previo de Lerner fue objeto de una entrada de César @EDocet, «Una tercera vía a la fusión nuclear: la fusión aneutrónica,» Experientia Docet, 24 oct. 2009, que por cierto llegó a portada en Menéame.

Lo primero, Eric J. Lerner está considerado un crackpot, un científico cuyas ideas parecen locuras, desde que escribió en 1991 un libro de divulgación afirmando que el Big Bang nunca ocurrió («The Big Bang Never Happened«). No sé si 20 años más tarde seguirá opinando lo mismo, tras la confirmación de la teoría del Big Bang obtenida por WMAP-7, pero muchos físicos al oir el nombre de Lerner piensan de forma automática en la palabra crackpot. Pero bueno, esto es solo prensa rosa.

Como nos contó César: «La máquina de Lerner se llama dispositivo de fusión por concentración de plasma denso. Funciona almacenando carga en condensadores y descargando después la electricidad acumulada rápidamente a través de electrodos introducidos en un gas que se mantiene a baja presión. Los electrodos están dispuestos como un ánodo (cargado positivamente) en el centro, rodeado de cátodos (cargados negativamente) más pequeños. Cuando los condensadores se descargan, los electrones fluyen a través del gas, “golpeando” los electrones de los átomos del gas y arrancándolos de éstos, transformando de esta manera el gas en un plasma. Comprimiendo este plasma usando campos electromagnéticos, Lerner y sus colegas han creado un plasmoide, que es una pequeña burbuja de plasma que se puede hacer que esté lo suficientemente caliente como para iniciar ciertas formas de fusión. Según la teoría, los núcleos en el plasmoide se moverían tan rápido que cuando chocan entre sí vencerían la repulsión electrostática mutua y se fusionarían. (…) Lerner [propone] golpear átomos de boro con protones (los núcleos de los átomos de hidrógeno) hasta romperlos en tres núcleos de helio (p + ¹¹B -> 3 ⁴He) liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Este proceso se conoce, perversamente, como fusión aneutrónica.»

En 2009, Lerner y su equipo aún no habían logrado demostrar la fusión aneutrónica («sus plasmoides no eran lo suficientemente calientes como para sustentar una fusión aneutrónica»). En 2012 tampoco la han logrado, aunque según ellos han dado un paso importante hacia su objetivo. Sus estimaciones teóricas indican que la lograrán cuando logren descargar un corriente pico de más de 2 MA (millones de amperios) sobre un plasmoide adecuado; en su artículo en Physics of Plasmas afirman haber alcanzado corrientes pico entre 0,9-1,1 MA, aunque sobre un plasmoide de deuterio (que es menos pesado que el boro). La idea clave de Lerner y su equipo es confinar el plasma utilizando energía magnética en lugar de energía térmica; con 1 MA (mega-amperio) afirman haber alcanzado 80 MG (mega-gauss) y una densidad de energía magnética de 3×10¹⁴ erg/cm³, unas 15 veces mayor que la densidad de energía térmica alcanzada en su experimento, de solo 2×10¹³ erg/cm³. Como el plasmoide es muy pequeño, esta densidad de energía térmica implica una temperatura muy grande, de unos 1800 millones de grados (Eric J. Lerner, «Record confinement of 1.8 billion-degree plasma published in peer reviewed journal,» LPP Inc., March 23, 2012). En opinión de Lerner, esta densidad de energía magnética es suficiente para lograr la fusión aneutrónica, pero por ahora solo están estudiando la fusión D+D. En sus propias palabras «The conditions obtained in these experiments with deuterium are of interest for aneutronic fusion, such as pB11. Theoretical work has shown that there are effects at high magnetic fields that can reduce x-ray Bremsstrahlung with pB11 plasma. Simulation has also indicated promise that fusion power may at times exceed x-ray emission. We intend to test this soon.»

Habrá que esperar a ver cómo evoluciona este campo. Como ya sabéis los lectores habituales, yo soy bastante escéptico respecto a esta vía para la fusión. Espero equivocarme.

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.

El director científico de ITER nos explica de qué va esto de ITER

http://cdsweb.cern.ch/record/1343736

«Fusion Plasma Physics in Magnetic Fusion,» DJ Campbell (la física básica de la fusión)

http://cdsweb.cern.ch/record/1344490

«Physics of Tokamak Plasmas,» DJ Campbell (detalles de la física de la fusión)

Las dos charlas de D.J. Campbell, director científico de ITER, en el CERN merecen la pena; en la primera nos cuenta los conceptos básicos (quizás ya los conozcas pero no está mal recordarlos) y la segunda profundiza en más detalles sobre la física de los plasmas en ITER, un laboratorio científico de fusión que nació en noviembre de 2006, que se empezó a diseñar 20 años antes; ITER pretende ser el proyecto clave para el desarrollo de una futura fuente de energía eléctrica basada en la fusión nuclear en tokamaks. La CEE, China, EE.UU., India, Japón, Rusia y Corea unieron sus esfuerzos científicos en fusión por confinamiento magnético en ITER, un laboratorio experimental en construcción en Cadarache, Francia (la sede de la Empresa Común Europea ‘Fusion for Energy’ que lidera ITER tiene su sede en Barcelona, España). ITER quiera estudiar la fusión D-T (deuterio-tritio), demostrando que es una vía posible; no será fácil lograr un rendimiento Q>10  (Q es el cociente entre la energía de salida tras la ignición y la energía de entrada para lograrla) durante unos cientos de segundos. No será fácil, pero en mi opinión es una vía que tenemos que explorar.

http://cdsweb.cern.ch/record/1344809

«Fusion Technology for ITER, the ITER Project,» Guenter Janeschitz (por qué ITER es como es)

http://cdsweb.cern.ch/record/1344810

«Further Development Towards a DEMO Fusion Power Plant,» Guenter Janeschitz (sobre DEMO, el futuro de ITER)

Guenter Janeschitz nos explica en estas dos charlas las tecnologías de fusión de ITER;  su primera charla trata de justificar por qué ITER es como es (comparándolo con ITER98, una máquina más grande que hubo que rediseñar para reducir su coste) y en su segunda charla nos explica las tecnologías que se estudiarán en ITER con el futuro desarrollo de DEMO en mente, el primer reactor de fusión (experimental). Guenter acaba su charla hablando de la «vía ultrarrápida hacia la fusión comercial» y estima que un programa tipo Apollo podría lograr un reactor de fusión comercial en un mínimo de 16 años, pero con un coste prohibitivo; la vía «normal» no ofrecerá un reactor comercial hasta como pronto 2050 y posiblemente no antes de 2060.

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.

El futuro de la financiación de ITER

ITER es un pozo sin fondo. ITER es un futuro sin fondos. En 2006, se proyectó ITER para que costara 5000 millones de euros. A finales de 2011 se estima que costará 15000 millones de euros. El presupuesto de investigación de la Unión Europea no puede soportar este gasto. Se necesita una partida específica. Los 2700 millones de euros que tendrá que aportar la UE durante los años 2014-2020 tendrán una partida presupuestaria específica. Aún así, no hay que ser optimistas, hay que ser cautos. Michel Claessens, portavoz de ITER, prevee que habrá «retrasos significativos» en la construcción de «casi todos los edificios en el laboratorio ITER.» Una pena. Nos lo cuenta Declan Butler, «Outcry over EU budget plan. Costly Earth-monitoring and fusion-energy projects could be stripped from main budget,» Nature 480: 19–20, 01 December 2011.