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Edwin Cartlidge

Un sistema láser desvalido puede ser el mejor situado para ofrecer energía de fusión competitiva.

El láser de fluoruro de argón Electra del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. [J. Steffen, Marina de los EE. UU.]

El 5 de diciembre de 2022, los físicos que trabajaban en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), EE. UU., registraron una enorme explosión de neutrones en sus detectores experimentales. NIF es el láser más grande del mundo y genera reacciones de fusión mediante la implosión rápida de bolitas de isótopos de hidrógeno utilizando destellos de luz energéticos y excepcionalmente intensos. El diluvio de neutrones señaló que, después de muchos años de intentos, los investigadores finalmente habían logrado la "ignición", produciendo aproximadamente 1,5 veces más energía de la que estaba presente en el pulso del láser.

El logro llevó a un renovado optimismo de que la fusión podría producir lo último en soluciones energéticas: una fuente de electricidad abundante, ecológica y de carga básica que no genera desechos radiactivos de larga duración. Pero aunque los científicos elogiaron el resultado, algunos no estaban convencidos de que el NIF proporcionaría la tecnología para una planta de energía de fusión en funcionamiento.

Los láseres del NIF solo iluminan los polos de un objetivo, permitiéndoles entrar por las aberturas en cada extremo de un hohlraum (arriba). [LLNL]

NIF se basa en la fusión de "impulsión indirecta", que implica triturar pastillas de combustible con rayos X producidos dirigiendo los 192 rayos láser de la instalación a una lata de oro, o "hohlraum", que rodea la pastilla. Este enfoque tiene sus ventajas, en particular que los rayos X ayudan a suavizar la implosión. Pero muchos científicos sostienen que la gran cantidad de energía perdida al generar los rayos X (unas tres cuartas partes del total) hace que el plan no sea viable para aprovechar el rendimiento de la fusión en una planta de energía comercial.

En cambio, estos expertos abogan por el “impulso directo”, conceptualmente más simple. Esto implica entrenar rayos láser en la propia cápsula de combustible, en principio transfiriendo mucha más energía del láser al combustible nuclear y simplificando el objetivo. No hay necesidad de hohlraum y las cápsulas podrían fabricarse utilizando técnicas y materiales más baratos.

La investigación en esta área se ha limitado a objetivos pequeños que producen bajos rendimientos de fusión. Pero los científicos son cada vez más optimistas en cuanto a que se puede lograr que la propulsión directa funcione, en parte debido al creciente interés en la energía de fusión entre los gobiernos y especialmente en el sector privado. Además, como señala Riccardo Betti de la Universidad de Rochester, EE. UU., la tecnología láser ha logrado grandes avances en los últimos años, en particular la capacidad de operar en anchos de banda muy altos. Esa tecnología, considera, “puede cambiar las reglas del juego” para la energía de fusión.

Los científicos son cada vez más optimistas en cuanto a que se puede lograr que la propulsión directa funcione, en parte debido al creciente interés en la energía de fusión entre los gobiernos y especialmente en el sector privado.

Aprovechar la energía de fusión implica confinar un plasma de núcleos ligeros (generalmente deuterio y tritio) a temperaturas tan altas que los núcleos superan su repulsión mutua y se fusionan, emitiendo energía. Si el plasma puede mantenerse a densidades suficientemente altas durante el tiempo suficiente, entonces los productos de reacción energética (partículas alfa) depositan suficiente calor para producir una combustión autosostenida, generando ignición y multiplicando la producción muchas veces.

Los físicos han seguido dos estrategias diferentes para lograrlo. Uno intenta maximizar el tiempo de confinamiento manteniendo un plasma bastante enrarecido dentro de una cámara grande utilizando potentes imanes. El otro, en cambio, crea densidades excepcionalmente altas durante un momento fugaz.

Es en pos de este segundo enfoque, conocido como fusión por confinamiento inercial, que se emplean láseres de alta potencia y energía. La idea es disparar pulsos láser desde todas las direcciones a una pequeña bolita de combustible, de modo que la capa exterior de la bolita sea expulsada y la conservación del impulso fuerce el resto hacia adentro a velocidades enormes (la luz por sí sola no proporciona suficiente presión de radiación).

[Agrandar gráfico] [Ilustración de Phil Saunders]

Como lo implica el nombre de la técnica, la inercia de la cápsula brinda la oportunidad de fusión: la pequeña fracción de segundo entre la implosión y la reexplosión cuando la temperatura y la presión en el plasma creado por la pastilla son lo suficientemente altas como para iniciar reacciones de fusión. Las reacciones primero tienen lugar en una pequeña región central del plasma comprimido conocida como punto caliente y luego, con suficiente calentamiento por las partículas alfa, se extienden al resto del combustible relativamente frío.

Los científicos del LLNL comenzaron a investigar sobre la fusión inercial a principios de los años 1970. Inicialmente planearon seguir el impulso directo, pero pronto se dieron cuenta de que no podían lograr la iluminación uniforme necesaria para implosiones simétricas y de alto rendimiento. Así que cambiaron a la propulsión indirecta y la han utilizado desde entonces como información experimental para las simulaciones por computadora utilizadas para mantener las armas nucleares de Estados Unidos. Tras no lograr la ignición como se había previsto originalmente en 2012, finalmente lo lograron el año pasado, produciendo 3,15 MJ a partir de 2,05 MJ de energía láser.

En cambio, algunos investigadores de otros laboratorios han persistido en el impulso directo. Al hacerlo, se han enfrentado a una serie de inestabilidades dañinas creadas cuando los rayos láser entrantes interactúan con el plasma. Uno de ellos, la transferencia de energía entre haces, se debe a que los haces interactúan en el plasma e impulsan una onda de sonido, que puede transferir energía de un haz entrante a uno saliente. Eso reduce la presión de la implosión.

Otro problema ocurre cuando los electrones en el plasma son acelerados por oscilaciones en la densidad electrónica, provocadas nuevamente por los rayos láser que se propagan. Estos electrones pueden penetrar el núcleo de la cápsula y calentar el combustible prematuramente. El calor adicional impide la compresión, lo que dificulta alcanzar las condiciones extremas necesarias para la ignición.

Según Betti, las inestabilidades del plasma pueden eliminarse si la luz láser tiene un ancho de banda suficientemente alto, lo que implica una coherencia muy limitada. Un ancho de banda de 10 terahercios (THz = 1012 Hz) equivale a un tiempo de coherencia de sólo 10 a 13 s, más corto que el período de las oscilaciones del plasma más rápidas.

Un centro líder en investigación de accionamiento directo es el Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester. Aquí se encuentra el láser OMEGA, que utiliza 60 haces de amplificadores de vidrio dopado con neodimio para entregar 30 kJ de energía y 30 TW de potencia en pastillas de combustible que miden menos de un milímetro de ancho. Estos experimentos han creado un plasma que produce energía de fusión hasta aproximadamente el 3% de la energía del láser, aunque esta última es demasiado baja para poder confinar partículas alfa de manera eficiente y, por lo tanto, autocalentar significativamente el plasma.

Parte del láser de cuarta generación de la Universidad de Rochester para experimentos de banda ultraancha (FLUX), que aumentará el ancho de banda del láser OMEGA del Laboratorio de Energética Láser para mitigar las inestabilidades del láser-plasma durante los experimentos de fusión inercial. [Laboratorio de Energética Láser / Universidad de Rochester]

El rendimiento de OMEGA se ve obstaculizado en parte por el ancho de banda del láser. Utiliza cristales gruesos no lineales para convertir la radiación infrarroja cercana del láser en frecuencias ultravioleta más útiles, pero los cristales restringen el ancho de banda a menos de 1 THz. En respuesta, los investigadores han estado trabajando en un proyecto llamado láser de cuarta generación para experimentos de banda ultraancha (FLUX). Su objetivo es aumentar el ancho de banda a entre 10 y 15 THz mediante el uso de una novedosa combinación de amplificación paramétrica óptica y generación de frecuencia suma para convertir pulsos infrarrojos de banda muy ancha en pulsos ultravioleta de alta energía y banda ancha similar.

Después de haber demostrado la tecnología en un experimento de mesa, los investigadores ahora están instalando un nuevo láser de bombeo y líneas de luz en OMEGA para generar pulsos de banda ancha con 150 J. Jonathan Zuegel, jefe de desarrollo de láser en LLE, dice que los experimentos con FLUX deberían comenzar en 2024 y que su capacidad para suprimir las inestabilidades del láser-plasma debería demostrarse para finales de 2025. En ese momento, dice, la seguridad de la capacidad de encender un objetivo debería “pasar de ser muy confiable a ser probada”.

El último conjunto de espejos dentro de las instalaciones láser de Nike en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. [Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.]

En el Laboratorio de Investigación Naval (NRL) de EE. UU., otros investigadores han estado trabajando con un tipo de láser muy diferente: uno fabricado con gas fluoruro de argón. Según Stephen Bodner, ex director del programa de fusión láser del laboratorio, el fluoruro de argón tiene varias ventajas importantes sobre el vidrio. Tiene un ancho de banda naturalmente grande de alrededor de 10 THz. También tiene una longitud de onda corta (193 nm en comparación con los 351 nm del vidrio), lo que le permite penetrar densidades de plasma más altas y, por lo tanto, depositar más energía en las reacciones de fusión.

A pesar de su atractivo para la fusión inercial y de algunos experimentos iniciales a principios de la década de 1980, el fluoruro de argón fue abandonado durante muchos años debido a la fragilidad de las fuentes de alimentación pulsadas y a los daños en la óptica. Pero Bodner y sus colegas persistieron con los láseres de gas, utilizando fluoruro de criptón, de longitud de onda ligeramente más larga y menos problemático. A partir de 1995, emplearon las instalaciones Nike del NRL para enfocar pulsos de 3 kJ en objetivos planos, demostrando que podían "hacer zoom" en el punto de luz iluminadora durante la implosión para hacer el mejor uso de la energía láser.

Alentados por el uso generalizado de fluoruro de argón para litografía por parte de la industria de semiconductores, los científicos del NRL convirtieron las instalaciones Electra del laboratorio de fluoruro de criptón a fluoruro de argón para demostrar un bombeo de electrones eficiente y con una alta tasa de repetición. Electra no dispara rayos a un objetivo, ya que su trabajo es mejorar el rendimiento del láser. Su producción sigue siendo muy modesta, pero aun así logró en 2020 un récord mundial de láser de fluoruro de argón, alcanzando unos 200 J.

Dado que los sistemas láser actuales están muy lejos de alcanzar el encendido, queda mucho trabajo por hacer en materia de accionamiento directo, y existen muchas opiniones sobre el mejor camino a seguir.

Dado que los sistemas láser actuales están muy lejos de alcanzar el encendido, queda mucho trabajo por hacer en materia de accionamiento directo, y existen muchas opiniones sobre el mejor camino a seguir. Vladimir Tikhonchuk, físico de plasma y fusión de la Universidad de Burdeos, Francia, cree que eventualmente, los láseres de gas podrían proporcionar un funcionamiento más robusto y las 24 horas del día que los amplificadores de vidrio, dada la susceptibilidad de estos últimos al daño del láser. Pero sostiene que los láseres de vidrio están actualmente "muy, muy por delante". Un problema con el gas, dice Tikhonchuk, es la necesidad de un pulso de bombeo prolongado para extraer energía del volumen del láser, mucho mayor. Para superar el desajuste temporal que se produce entre los impulsos de bombeo y de señal, es necesario alimentar estos últimos a través del amplificador láser, uno tras otro. Para garantizar que todos esos pulsos lleguen al objetivo simultáneamente, un sistema de espejos retrasa los anteriores. "Esta técnica de multiplexación complica las cosas", afirma.

Bodner minimiza el problema e insiste en que el espacio adicional y la complejidad "no son gran cosa". Sostiene que los láseres de vidrio enfrentan el verdadero problema: una dependencia no lineal de su índice de refracción de la intensidad de la luz. Según él, esto impide reducir el tiempo de coherencia de las ondas necesario para suavizar las variaciones de intensidad de un haz. Zuegel, por el contrario, sostiene que el tiempo de coherencia simplemente aumenta inversamente con el ancho de banda del láser.

Los científicos tampoco se ponen de acuerdo sobre el potencial de los diferentes esquemas de implosión. Al igual que el NIF, los láseres de accionamiento directo pueden utilizar un único pulso láser para comprimir y calentar una cápsula, y el punto caliente se crea mediante una onda de choque establecida dentro del combustible que implosiona. Pero también pueden emplear pulsos gemelos: usando el primero para comprimir el pulso con relativamente poca energía, y el segundo, más corto, para calentar el combustible mediante una onda de choque adicional.

Este último esquema, conocido como "encendido por choque", promete aumentar la ganancia de una energía láser determinada; los investigadores del NRL creen que podría aumentar la ganancia de un láser de fluoruro de argón a 160. Pero Bodner sostiene que el grupo de Rochester no podrá aprovechar esta ventaja. porque, aunque Betti inventó la técnica, los láseres de vidrio no pueden producir pulsos cortos con potencia suficiente. Betti no está de acuerdo, argumentando que OMEGA puede eludir sus limitaciones de poder utilizando objetivos más pequeños, e insiste en que lo que realmente cuenta es demostrar implosiones simétricas, no el breve segundo pulso.

Otro concepto que utiliza pulsos láser separados para calentar y comprimir el combustible es el "encendido rápido". En lugar de generar ondas de choque dentro de la cápsula, la idea aquí es calentar el combustible directamente desde el exterior. En principio, esto relaja los requisitos de simetría y ahorra energía del láser, pero genera importantes dolores de cabeza (consulte “Centrado en iones”, más adelante).

[Ampliar gráfico] [Adaptado de Focused Energy]

A pesar de sus diferencias de opinión, todos los involucrados en la investigación sobre la transmisión directa están de acuerdo en que se necesitan más datos, particularmente aquellos provenientes de experimentos en lugar de simulaciones por computadora.

Se podrían recopilar datos de mayor energía en el NIF, que se ha utilizado para la investigación de propulsión directa durante años. Pero como señala Omar Hurricane, científico jefe de fusión por confinamiento inercial de LLNL, la instalación no es ideal. Dado que los láseres están configurados para investigaciones de accionamiento indirecto, sólo iluminan los polos del objetivo. Hurricane dice que un grupo de estudio consideró instalar iluminación esférica, pero descubrió que sería muy costoso y dejaría fuera de servicio al NIF durante varios años. Añade que no parece haber "impulso en esta dirección".

En cambio, lo que se necesita, según Tikhonchuk, es un láser nuevo especialmente diseñado. Esto, dice, podría tener una energía de aproximadamente 1 MJ y una ganancia de energía de 10, y podría disparar varios tiros por hora; el NIF realiza un experimento de alto rendimiento por semana como máximo. Estima que podría ser sólo la mitad o un tercio del tamaño del NIF, pero aun así costaría entre 1.000 y 2.000 millones de dólares. "Si queremos dar el siguiente paso, necesitamos otra instalación", afirma. "La gente lo entiende, pero es una inversión".

Zuegel confía en que LLE pueda construir una instalación de próxima generación por menos de mil millones de dólares, pero no está seguro de que llegue a funcionar. Dice que el dispositivo, cuyo nombre provisional es OMEGA Next, probablemente logrará grandes anchos de banda multiplexando temporalmente haces de tipo FLUX en muchas longitudes de onda diferentes. Señala que las discusiones sobre la energía que tendrá el nuevo láser están en curso, pero prevé que la construcción comenzará alrededor de 2030 y las operaciones aproximadamente a mediados de la década.

Mientras tanto, los físicos europeos buscan reactivar un proyecto a escala de ignición conocido como Centro Europeo de Investigación de Energía Láser de Alta Potencia (HiPER). La propuesta fue abandonada luego del fracaso inicial del NIF para lograr la ignición en 2012 como estaba previsto y los desacuerdos sobre qué esquema de implosión utilizar. Pero los defensores ahora han llegado a un acuerdo sobre el encendido por choque, y Tikhonchuk dice que la instalación renovada, que costará quizás unos pocos miles de millones de euros, podría estar en funcionamiento dentro de 10 a 15 años.

Los investigadores que trabajan con el fluoruro de argón también pretenden comercializar la energía de fusión. El ex director del programa de fusión NRL, Stephen Obenschain, creó en 2022 la empresa LaserFusionX para realizar un plan de varias fases. La empresa pretende desarrollar una sola línea de luz de 30 kJ, luego construir y operar múltiples líneas de luz para demostrar la ignición y una ganancia de energía de al menos 100, antes de construir finalmente una planta de energía piloto, todo por la friolera de 5 mil a 6 mil millones de dólares, sin incluir la inflación.

El flujo de energía en una hipotética planta piloto de energía de fusión que explota un láser de fluoruro de argón de 650 kJ que funciona a 10 pulsos por segundo y genera una ganancia de energía de 160 a través de un objetivo encendido por choque. [J. Bates y S. Obenschain]

De las diversas propuestas, queda por ver cuántas pueden atraer la financiación necesaria. Todos prevén una combinación de financiación pública y privada. Obenschain, por ejemplo, pretende depender de dinero privado para la tecnología de fusión central de LaserFusionX, aunque espera que el Departamento de Energía de EE.UU. pague para superar algunos de los enormes obstáculos que enfrenta una planta de energía.

Para generar los varios cientos de megavatios de electricidad necesarios para ser competitiva, una planta de energía de fusión tendría que disparar disparos láser quizás diez veces por segundo.

Para generar los varios cientos de megavatios de electricidad necesarios para ser competitiva, una planta de este tipo tendría que disparar disparos láser quizás diez veces por segundo. Eso requeriría no sólo láseres que funcionen eficientemente a altas tasas de repetición, sino también objetivos baratos y producidos en masa, un sistema para posicionar esos objetivos con rapidez y precisión, un proceso de producción de tritio y materiales resistentes a la radiación para revestir la cámara del objetivo.

En cuanto a los láseres en sí, tanto los defensores del vidrio como los del gas creen que pueden lograr las eficiencias necesarias: entre un 15% y un 20% para el primero y alrededor del 10% para el segundo, combinado con una mayor ganancia. Pero ambos enfrentan desafíos de bombeo. Los láseres de fluoruro de argón dependen de complejos generadores de energía pulsada, mientras que los láseres de vidrio u otros de estado sólido requieren diodos, que son mucho más eficientes que las lámparas de destello tradicionales pero que actualmente son demasiado caros.

Dada la magnitud “fenomenal” del desafío, Peter Norreys, de la Universidad de Oxford (Reino Unido), cree que es prudente mantener abiertas todas las opciones. Una posibilidad, afirma, es construir un láser mucho más grande (hasta 20 MJ) para investigar múltiples conceptos que abarquen tanto el accionamiento directo como el indirecto. Admite que esto sería extraordinariamente costoso, quizás alrededor de 40 mil millones de dólares, y añade que podría requerir una organización intergubernamental como la que dirige el CERN en Suiza.

Hurricane comparte la cautela de Norreys, argumentando que todavía es demasiado pronto para “elegir un ganador para las aplicaciones de energía de fusión”, ya sea de impulso directo o indirecto. De hecho, calcula que probablemente todavía pasarán “muchas décadas” antes de que la energía de fusión se vuelva económicamente viable, si es que alguna vez lo hace.

Pero muchos están dispuestos a tomar lo que Norreys describe como el camino de “alto riesgo y alta recompensa” hacia la energía de fusión. De hecho, la empresa californiana Longview Fusion Energy Systems afirma que con la tecnología de accionamiento indirecto basada en el diseño objetivo del NIF, suministrará 50 MW a la red eléctrica para 2035.

Aquellos que buscan comercializar la tecnología de transmisión directa son un poco menos audaces, pero aún tienen horizontes temporales muy ambiciosos. Markus Roth, profesor de la TU Darmstadt y director científico de la empresa de encendido rápido Focused Energy, prevé una planta piloto para finales de la década de 2030. Obenschain, mientras tanto, prevé “el inicio de una planta piloto en 16 años”, un optimismo por el que no se disculpa. “Creo que hay que ser optimista para estar en este campo”, afirma.

Edwin Cartlidge es un escritor científico independiente que vive en Roma, Italia.

Para referencias y recursos, visite: optica-opn.org/link/0623-directdrive.

Fecha de publicación: 01 de junio de 2023