Operación de fusión: ¿Qué significa el rendimiento de 1,3 MJ del NIF para la investigación de fusión?

A principios de este mes, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) anunció al mundo que habían logrado un rendimiento récord de 1,3 MJ a partir de un experimento de fusión en su Instalación Operativa Nacional (NIF). Pero, ¿qué significa esto exactamente? Como señala su comunicado de prensa, el principal avance de estos resultados se destinará a las armas nucleares de EE. UU.

Esto concierne específicamente a las armas de fusión de EE. UU. En las que LLNL junto con el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) y otras instalaciones están involucrados en la investigación y el mantenimiento. Esto se remonta a las raíces del NIF en la década de 1990, cuando se creó el programa de gestión de existencias como alternativa a las pruebas de armas nucleares. Gran parte de esta investigación trata de examinar cómo las armas nucleares actuales están disminuyendo con el tiempo y las formas de modernizar el arsenal existente.

En base a esto, uno puede preguntarse cuál es el efecto de estos hallazgos experimentales del NIF solo para asegurar que el principio de MAD permanezca intacto. Para responder a esa pregunta, debemos mirar la fusión interna inercial (ICF), que es la tecnología en el centro de los experimentos del NIF.

Todo mejor con láseres

ICF es una de las dos ramas principales de la investigación de la fusión, la otra es el recinto de fusión magnética (MCF), que incluye los tokamaks actuales y las matrices estelares. Al igual que con el optimismo inicial en MCF y la gigantesca decepción cuando la fusión Z-pinch resultó poco práctica, ICF tuvo su propia parte de decepciones. Aunque inicialmente se consideró una forma práctica de producir energía a partir de la fusión, pronto resultó que los requisitos de energía para iniciar (encender) la fusión eran mucho más altos de lo estimado y mucho menos fáciles de lograr.

MCF encontró una segunda vida en forma de tokamak y investigaciones estelares, que eran más complicadas, pero prometían resolver los problemas de Z-pinch, especialmente las inestabilidades del plasma. ICF inició un nuevo comienzo con la invención de potentes láseres que podrían ser lo suficientemente potentes como para calentar el combustible y comenzar a derretirse. Este proceso implica someter una esfera de combustible de manera uniforme o directa a energía láser (transmisión directa) o indirectamente (transmisión indirecta).

Laser Bay 2 en el NIF.

LLNL ha estado involucrado en ICF desde la década de 1950, pero solo en la década de 1970, con la llegada de láseres más potentes, pudieron tener lugar los primeros experimentos de alta potencia. Estos incluyeron el láser Shiva en 1978 y el láser Nova a partir de 1984. Ambos sistemas láser no se encendieron y solo recibieron resultados promedio, en gran parte debido a variaciones en la radiación del rayo láser.

A pesar de una crisis financiera para la investigación de la fusión en la década de 1980, los resultados de estos experimentos finalmente ayudaron a LLNL a establecer el NIF, que puede considerarse el sucesor de los programas láser Shiva y Nova. A través de su principal objetivo de investigación para el programa de gestión nuclear de EE. UU., Se aseguró su financiamiento, aunque la construcción del NIF tomaría mucho más tiempo de lo planeado originalmente.

Similar al NIF es la instalación de energía Z-Pulsed (también conocida como la máquina Z) en los Laboratorios Nacionales Sandia en Nuevo México. Esta instalación utiliza el principio Z-pinch, que lo convierte en un sistema MCF. Aunque el MCF basado en ZF se ha descartado como una vía para la generación de energía, no obstante es útil para fines de investigación, lo que lo convierte en una parte importante del mismo programa de gestión nuclear.

Poniendo las cosas en perspectiva

Sala de destino en la instalación operativa nacional LLNL en 2008.

En resumen, los pasos en ICF para realizar la fusión implican calentar la superficie del objetivo de fusión, lo que hace que la envoltura de plasma resultante se expanda y, por lo tanto, comprima el combustible. Esta compresión aumenta la temperatura y la densidad del combustible hasta el punto en que se enciende, lo que significa que las partículas alfa producidas por la fusión quedan atrapadas dentro del combustible y contribuyen a calentarlo.

Esto, a su vez, provoca más eventos de fusión dentro del combustible, lo que desencadena una reacción en cadena que idealmente fusiona todo el combustible, liberando así toda la energía potencial.

En el caso del NIF, se utiliza un láser de 500 TW (pulso), que entrega toda la energía al objetivo en unos pocos picosegundos. Debido a las intensas tensiones en el sistema láser, el NIF está limitado a unos pocos cientos de disparos por año. El combustible generalmente no es irradiado directamente por el láser, sino que está contenido en un Hohlraum, que es un objeto hueco especialmente formado que, cuando los rayos láser ingresan a la cavidad (sin golpear el combustible) hace que emita una longitud de onda de radiación específica. . . En el caso del NIF este Hohlraum está diseñado para producir rayos X. Este Hohlraum puede tener dos orificios de entrada, o más, como se detalla p. Ej. Proyecto hohlraum de tres ejes de Longyu Kuang et al.

Estos rayos X calientan el combustible, iniciando el proceso de fusión. La ventaja de utilizar Hohlraum es que facilita aún más el calentamiento del combustible. A pesar de esto, los requisitos de energía para calentar el combustible con ICF son enormes. Esto se detalla en el siguiente diagrama de la entrada de Wikipedia en el NIF:

Diagrama de energía láser NIF a rayos X hohlraum para apuntar a la eficiencia de acoplamiento de energía de la cápsula.

Se necesitan aproximadamente 422 MJ de energía para alimentar el sistema láser (entrada total del sistema), de los cuales solo un porcentaje se transforma en energía de radio láser que finalmente llega al Hohlraum. De esta energía, la mayoría contribuye a la generación de rayos X dentro del Hohlraum, de los cuales solo una parte contribuye en última instancia a la compresión del combustible.

Teniendo en cuenta que se necesitaron 422 MJ para devolver alrededor de 1.3 MJ del objetivo en llamas, probablemente no requiera una explicación completa de por qué es poco probable que este enfoque de fusión alcance el punto de equilibrio, por lo tanto, Q de 1. El aspecto notable aquí es Es más bien que esta cantidad de energía liberada era el 70% de la energía láser de entrada, lo que significa que casi se alcanza la ignición.

No más VIDA

Entre 2008 y 2013, LLNL trabajó en el esfuerzo de Energía de fusión inercial láser (LIFE), que tenía como objetivo convertir las lecciones de NIF en una planta de energía de fusión nuclear, utilizando láseres semiconductores de estado sólido y combustible producido en masa. Sin embargo, al final de la vida del proyecto, estaba claro que una planta de energía que usaba ICF era eminentemente poco realista, especialmente a la luz de que todavía no se había llegado a ICF.

Al comparar los desafíos monumentales que enfrenta ICF compitiendo con enfoques MCF, con los tokamaks JET y HL-2M, así como con la constelación Wendelstein-7X, que muestran resultados muy prometedores en términos de estabilidad y calentamiento del plasma, sin mencionar un factor Q que está extremadamente cerca. a 1, debe quedar claro que ICF no es un jugador en el futuro juego de la planta de energía, excepto por algunos avances asombrosos.

Sin embargo, lo que contribuye a proyectos de ICF como el NIF es aumentar nuestra comprensión de la física, no solo la física nuclear, sino también las relacionadas con sistemas láser muy potentes y la física de la energía en general. Eso en sí mismo hace que este sea un evento cercano a la ignición en el NIF para regocijarse.

[Heading image: Preamplifier at the National Ignition Facility by Lawrence Livermore National Laboratory CC-BY-SA 3.0]

Ricardo Vicente
Ricardo Vicente

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