Más energía de salida que de entrada. Durante siete décadas, los científicos que estudian la fusión han perseguido este elusivo objetivo, conocido como ganancia de energía. A la 1 de la madrugada del 5 de diciembre, los investigadores de la Instalación Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés) en California finalmente lo lograron, enfocando 2,05 megajulios de luz láser en una pequeña cápsula de combustible de fusión y provocando una explosión que produjo 3,15 megajulios de energía, el equivalente a aproximadamente tres cartuchos de dinamita.
«Esto es extremadamente emocionante, es un gran avance«, afirma Anne White, física de plasma del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), quien no participó en el estudio.
Mark Herrmann, quien dirige NIF como director del programa de física y diseño de armas en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, comenta que se siente «maravillosamente» y agrega, «estoy muy orgulloso del equipo«.
A pesar de la fanfarria, las centrales eléctricas de fusión siguen siendo un sueño lejano. NIF nunca fue diseñado para producir energía comercialmente. Su función principal es crear explosiones termonucleares en miniatura y proporcionar datos para garantizar que el arsenal de armas nucleares de EE.UU. sea seguro y confiable
El resultado, anunciado ayer por funcionarios del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE), representa una inyección de energía para los investigadores de la fusión, que durante mucho tiempo han sido criticados por prometer demasiado y no cumplir con las expectativas. La fusión promete abundante energía libre de carbono, sin muchos de los dolores de cabeza radiactivos de la energía nuclear impulsada por fisión. Pero lograr que los iones de hidrógeno se fusionen en helio y liberen energía requiere temperaturas de millones de grados centígrados, condiciones que son difíciles de lograr y mantener.
El resultado de NIF muestra que es posible, al menos por una fracción de segundo. “Tres megajulios es un infierno de mucha energía. Muestra que algo está funcionando”, indica el físico de plasma Steven Rose, del Imperial College London.
A pesar de la fanfarria, las centrales eléctricas de fusión siguen siendo un sueño lejano. NIF nunca fue diseñado para producir energía comercialmente. Su función principal es crear explosiones termonucleares en miniatura y proporcionar datos para garantizar que el arsenal de armas nucleares de EE.UU. sea seguro y confiable. Muchos investigadores creen que los tokamaks en forma de horno son un mejor diseño para la energía comercial porque pueden soportar «quemaduras» de fusión más prolongadas. En un tokamak, las microondas y los rayos de partículas calientan el combustible y los campos magnéticos lo atrapan. “El desafío es hacerlo sólido y simple”, según White.
Los tokamak
Sin embargo, el principal dispositivo tokamak, el reactor ITER en construcción en Francia, es todo menos simple. Está muy por encima del presupuesto, acumula retrasos y no alcanzará el punto de equilibrio hasta finales de la década de 2030 como muy pronto. Con el nuevo éxito de NIF, los defensores de tal «energía de fusión inercial» basada en láser presionarán para obtener fondos para ver si pueden competir con los tokamaks.
El NIF de 3.500 millones de dólares comenzó su campaña de «encendido» en 2010. Su láser emite un potente pulso infrarrojo de nanosegundos de duración dividido en 192 haces que se convierten en luz ultravioleta. Los rayos se enfocan en el objetivo: una lata de oro del tamaño de un borrador de lápiz que contiene una cápsula de combustible del tamaño de un grano de pimienta. Calentado a millones de grados, el oro emite rayos X que vaporizan la cubierta de diamante de la cápsula. El diamante explotado implosiona el combustible, comprimiéndolo y calentándolo.
Ganancia superior a uno
Si la compresión del combustible es lo suficientemente simétrica, las reacciones de fusión comienzan en un punto caliente central y se propagan suavemente hacia el exterior, con el calor de la fusión provocando más combustión. Esa quemadura autosostenida es lo que define la ignición, y después de más de una década de esfuerzo, los científicos del NIF declararon que habían logrado ese hito después de que un disparo en agosto de 2021 produjera el 70% de la energía láser de entrada. Pero el financiador de NIF, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del DOE, estableció el objetivo de NIF como una ganancia de energía superior a uno, el umbral que superó la semana pasada.
Ese camino extra no fue fácil. Después del éxito de agosto de 2021, el equipo de NIF descubrió que no podía repetirla. Usar una cápsula de diamante suave resultó ser clave: la de agosto de 2021 había sido la más perfecta y esférica que habían fabricado. “Tuvimos que aprender a mejorar las cápsulas”, recuerda Herrmann. También hicieron la cápsula un poco más gruesa, lo que proporcionó más impulso para la implosión, pero requirió un pulso láser más largo y potente. Así que ajustaron el láser para sacar más potencia, aumentando la energía de 1,9 MJ a 2,05 MJ.
Mala simetría
Un disparo láser en septiembre produjo 1,2 MJ, lo que mostró a los investigadores del NIF que estaban en el camino correcto, pero la simetría era mala: el combustible se aplastó en una tortita en lugar de una bola apretada. Al ajustar la energía entre los 192 rayos del láser, pudieron obtener una implosión más esférica, y la semana pasada finalmente consiguieron el premio gordo. “El fenómeno físico ha sido demostrado”, asegura Riccardo Betti, del Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester.
Sin embargo, si ganancia significaba producir más energía de salida que electricidad de entrada, NIF se quedó corto. Sus láseres son ineficientes y requieren cientos de megajulios de electricidad para producir 2 MJ de luz láser y 3 MJ de energía de fusión. Además, una planta de energía basada en NIF necesitaría aumentar la tasa de repetición de un disparo por día a alrededor de 10 por segundo. Se necesitaría fabricar, llenar, posicionar, bombardear y limpiar un millón de cápsulas al día, un gran desafío de ingeniería.
«Un primer paso muy importante«
El esquema NIF tiene otra ineficiencia, según Betti. Se basa en el «impulso indirecto», en el que el láser dispara la lata de oro para generar los rayos X que realmente provocan la fusión. Solo alrededor del 1% de la energía del láser llega al combustible, indica Betti. Prefiere la «impulsión directa», un enfoque seguido por su laboratorio, donde los rayos láser se disparan directamente sobre una cápsula de combustible y depositan el 5% de su energía. Pero el DOE nunca ha financiado un programa para desarrollar la fusión por inercia para la generación de energía. En 2020, el Comité Asesor de Ciencias de la Energía de Fusión de la agencia lo recomendó, en un informe en coautoría de Betti y White. “Necesitamos un nuevo paradigma”, recuerda Betti, pero “no hay un camino claro sobre cómo hacerlo”.
Ahora que NIF ha avanzado, los investigadores esperan que la fusión láser gane credibilidad y que fluya más financiación. Después del largo trabajo para llegar hasta aquí, Betti bromea sobre pasar el testigo. “Este es un primer paso muy importante”, comenta. “Lo hemos hecho, así que puedo retirarme”.
Fuente: Lawrence Livermore National Laboratory.
