El año pasado, cuando la Instalación Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés) disparó sus 192 rayos láser a un cilindro de oro que encerraba una pequeña esfera de isótopos de hidrógeno, hizo más que desencadenar una reacción de fusión histórica. El disparo, el primero en producir más energía que la emitida por los láseres, también provocó un estallido de optimismo entre algunos científicos de fusión de que el mismo enfoque general algún día podría conducir a una planta de energía comercial.
Si es así, la forma de la energía de fusión podría ser muy diferente de los hornos magnéticos gigantes conocidos como tokamaks que son el foco de la mayoría de las esperanzas actuales, incluido el megaproyecto internacional llamado ITER. La energía de fusión basada en el enfoque NIF, conocida como fusión por confinamiento inercial (ICF), se parecería a las explosiones rápidas de un motor de combustión interna. Los desafíos técnicos siguen siendo enormes. El disparo de NIF fue único, pero una planta de energía basada en ICF puede necesitar disparar hasta 10 disparos de láser por segundo, consumir casi 1 millón de objetivos por día y producir mucha más energía por disparo que NIF.
Los optimistas en un puñado de nuevas empresas de ICF no se desaniman. Ed Moses, ex director de NIF, fundó una empresa, Longview Fusion, que espera comenzar a construir una planta de prueba en 5 años con el doble de rayos láser que NIF. Dispararía a 10 objetivos por segundo, envueltos en plomo en lugar de oro para reducir los costos, en una cámara de reacción y los explotaría para producir una serie de explosiones de fusión de fuego rápido. “No es difícil”, dice Moses. “Toda la tecnología está disponible, solo tiene que integrarse”.
Las empresas que buscan ICF son pequeñas, con un respaldo de unas pocas decenas de millones de dólares cada una. Pero esperan que el gran avance de NIF atraiga a más inversores a sus puertas. “Todo el mundo con el que hablas está muy entusiasmado, es simplemente fantástico”, dice Debra Callahan, que trabajó en NIF durante 20 años antes de unirse a la startup Focused Energy, con sede en Estados Unidos y Alemania.
Otros son mucho más cautelosos. “No sabemos cómo construir una planta de energía”, dice Tammy Ma, quien dirige el esfuerzo de energía de fusión inercial en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el hogar de NIF. A fines del mes pasado, el Departamento de Energía (DOE) publicó un informe esbozando un largo programa de investigación que sería necesario hacer para desarrollar centrales eléctricas basadas en ICF.
Aunque el disparo de diciembre de 2022 en NIF produjo un récord de 3,15 megajulios de energía a partir de un pulso láser de 2,05 megajulios, una ganancia de aproximadamente 1,5, generar ese pulso consumió cientos de megajulios de electricidad, y NIF solo puede hacer un disparo por día. La mayoría de los expertos en fusión aún dan mejores probabilidades a los tokamaks, dispositivos en forma de rosquilla que usan poderosos campos magnéticos para atrapar un gas ionizado de los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio y calentarlo a 100 millones de grados centígrados para que los núcleos choquen juntos con suficiente energía cinética para fusionarse. . Pero una gran ventaja que tienen las instalaciones ICF sobre los tokamaks es que sus diferentes elementos (láseres, cámaras de reacción, objetivos) se pueden desarrollar y probar por separado antes de que sea necesario combinarlos. Construir un tokamak es todo o nada y extremadamente difícil de cambiar una vez terminado.
Para los investigadores del DOE, lo primero en la agenda son más estudios ICF con NIF y Omega, otra instalación de fusión láser en la Universidad de Rochester. “Necesitamos comprender la física fundamental”, dice Ma y, lo que es más importante, aumentar la ganancia. Mientras tanto, los científicos del DOE evaluarán qué láseres o alternativas, como los haces de iones, vale la pena seguir y también perfeccionarán los diseños de objetivos.
En última instancia, dice Ma, se necesitará una nueva instalación, tal vez de menor potencia que NIF pero con una tasa de repetición más alta, para que el campo pueda «aprender más rápido». Los láseres de NIF se basan en vidrio de fosfato dopado con neodimio, que se bombea con energía por
lámparas de flash de xenón que consumen mucha energía. Desde que se diseñó NIF en la década de 1990, se han desarrollado otros tipos de láseres, como los que usan gases de fluoruro de criptón o fluoruro de argón, que son más eficientes y pueden disparar con más frecuencia, pero ninguno está listo para el horario de máxima audiencia.
Los científicos también tendrán que descubrir el mejor diseño para los objetivos de combustible. Livermore siempre ha favorecido encerrar las cápsulas llenas de hidrógeno del tamaño de un grano de pimienta dentro de cilindros de metal, que convierten la luz láser en rayos X que luego implosionan el combustible. Por el contrario, el laboratorio de láser de Rochester ha sido pionero en el «accionamiento directo»: disparar el láser directamente sobre la cápsula. Este enfoque es más eficiente, pero requiere rayos láser más perfectos para que las cápsulas de combustible implosionen simétricamente.
Longview está jugando a lo seguro manteniéndose cerca del enfoque de impulso indirecto de NIF: «el único proceso de fusión probado en la Tierra», dice Moses. Al igual que NIF, el esquema de la compañía usaría láseres de vidrio, pero un diseño más eficiente que puede disparar a una velocidad mayor. El sistema será «hipermodular», dice Moses, con cada rayo láser generado por una caja de 10 metros de largo que se puede reemplazar para actualizar o reparar. Con el doble de rayos que NIF, su pulso láser tendría un 50% más de energía, lo que permitiría una mayor ganancia.
Toda la tecnología está disponible, solo hay que integrarla.
Focused Energy está buscando otra variante de ICF, conocida como encendido rápido, que utiliza dos láseres separados para realizar las funciones del pulso de láser único de NIF: comprimir el combustible y encender la combustión de fusión. La pastilla de combustible de NIF debe implosionar simétricamente para crear un punto central lo suficientemente caliente como para encenderse espontáneamente. Eliminar la necesidad de un punto caliente significa que la implosión puede ser más suave y requiere una «simetría menos estricta», dice Pravesh Patel de Focused Energy, otro veterano de NIF. En cambio, el encendido rápido utiliza un segundo láser para encender la quemadura una vez que el combustible alcanza la densidad máxima. El segundo pulso de láser, disparando desde un lado, golpeará una hoja de metal curvada, generando un haz de protones que proporcionará la chispa.
Patel dice que el equipo quiere construir un prototipo en 8 o 9 años con un láser de compresión de 100 haces que produzca pulsos de 500 kilojulios, una cuarta parte de la energía de los NIF. Para los pulsos de encendido cortos, planean usar láseres desarrollados para la Infraestructura de Luz Extrema de Europa, una instalación de investigación. Cada uno produce pulsos de 1,5 kilojulios, por lo que Focused Energy necesitará 100 de ellos, combinando su salida en un solo haz para encender el combustible.
First Light Fusion está adoptando un enfoque aún más radical: prescindir por completo de los láseres y depender de un proyectil de alta velocidad para implosionar el combustible. El fundador Nick Hawker se inspiró en su Ph.D. sobre la física del camarón pistola, que chasquea su garra de gran tamaño para emitir ondas de choque capaces de incapacitar a peces más grandes que él. La empresa, con sede en el Reino Unido, cerca de Oxford, está disparando proyectiles con un cañón electromagnético a una velocidad de hasta 20 kilómetros por segundo para aplastar un pequeño cubo de metal con una cápsula de combustible incrustada en su interior. El cubo tiene una estructura interna compleja de diferentes metales que acelera y canaliza la onda de choque resultante, envolviéndola alrededor de la cápsula central para comprimir el combustible.
“Es un problema de optimización de la geometría”, dice Hawker, señalando que los objetivos no requieren materiales inusuales o costosos. Con modelos y experimentos, el equipo está trabajando para obtener la mejor compresión esférica de su controlador unidireccional. La compañía anunció el mes pasado que comenzará a construir una nueva máquina el próximo año. El objetivo es demostrar la ganancia de energía golpeando objetivos con proyectiles que viajan a 60 kilómetros por segundo.
Steven Cowley, director del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, el principal laboratorio de fusión del DOE, califica el disparo récord de NIF como un «resultado espectacular», pero se muestra escéptico de que ICF pueda reinventarse rápidamente como fuente de energía. Para producir un verdadero exceso de energía, NIF necesitaría lograr una ganancia de alrededor de 100, lo que produciría una «explosión increíblemente destructiva». Una instalación de energía ICF tendría que soportar eso, 10 veces por segundo, y limpiar los escombros entre cada explosión de fusión. “Hay mucho trabajo por hacer”, dice Cowley.