LIVERMORE, California — Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore lograron por primera vez la ignición por fusión en un experimento de laboratorio controlado, produciendo 3,15 megajulios de energía de fusión tras aplicar 2,05 megajulios de energía láser a un pequeño objetivo de combustible. El Departamento de Energía y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear anunciaron el resultado esta semana, describiendo el experimento del 5 de diciembre en la Instalación Nacional de Ignición como un hito en materia de energía científica.
Este logro supera un umbral que los investigadores de fusión han perseguido durante décadas: se generó más energía de las reacciones de fusión que la energía láser suministrada al objetivo. Se trata de un hito importante en física, pero no es lo mismo que producir electricidad neta en una central eléctrica. Los láseres del NIF consumen mucha más energía eléctrica que los 2,05 megajulios suministrados finalmente al objetivo, y un sistema energético práctico tendría que repetir los eventos de fusión rápidamente, fabricar objetivos de forma económica, capturar el calor y convertirlo en energía fiable.
Un láser de 192 haces comprime una cápsula de combustible de tamaño milimétrico
El NIF utiliza 192 haces láser dirigidos a una pequeña cavidad cilíndrica llamada hohlraum. La luz láser genera rayos X dentro del hohlraum, que comprimen una cápsula que contiene deuterio y tritio, isótopos pesados del hidrógeno. Bajo la temperatura y presión adecuadas, los núcleos se fusionan y liberan energía junto con partículas alfa que pueden calentar el combustible circundante y amplificar la reacción.
Según el informe técnico del laboratorio , el disparo del 5 de diciembre produjo 3,15 megajulios de energía de fusión a partir de 2,05 megajulios de energía láser aplicada al objetivo. La ganancia resultante en el objetivo —el rendimiento de fusión dividido por la energía láser aplicada— es superior a uno. La administradora de la NNSA, Jill Hruby, declaró el 13 de diciembre que este resultado es el resultado de más de 60 años de investigación, ingeniería y experimentación a nivel mundial.
Este hito se basa en una rápida mejora del rendimiento del NIF. Un experimento realizado el 8 de agosto de 2021 produjo aproximadamente 1,35 megajulios, cerca del 70 % de la energía láser suministrada al objetivo. El informe del NIF sobre dicho experimento describió a los investigadores como al borde de la ignición tras un aumento de 25 veces con respecto al rendimiento récord de 2018. El trabajo posterior se centró en la calidad del objetivo, la simetría de la implosión, el suministro del láser y la forma en que la energía se acopla al combustible.
El avance científico no es un avance del sistema en su conjunto
La distinción entre el objetivo y la instalación es fundamental para comprender el resultado. La cifra de 2,05 megajulios de entrada se refiere a la energía láser suministrada a la cámara objetivo, no a la electricidad extraída de la red para operar el enorme sistema láser. El NIF se construyó principalmente para la física de alta densidad energética y la gestión del arsenal nuclear, no como un generador eléctrico eficiente.
La explicación técnica de ARPA-E describe la ganancia de energía científica como el punto en el que la producción de fusión supera la energía que atraviesa el límite de contención para impulsar el plasma. Este es el parámetro correcto para la física demostrada este mes. Una planta comercial se enfrentaría a un desafío de ingeniería de sistemas mucho mayor: la instalación completa tendría que producir sustancialmente más energía útil de la que consume.
Esto significa que el avance no debe subestimarse ni confundirse con una fuente de energía comercial a corto plazo. El experimento demuestra que la fusión por confinamiento inercial puede entrar en un régimen de auto calentamiento en el que las reacciones de fusión refuerzan la combustión con la suficiente intensidad como para superar la energía láser suministrada al objetivo. Sin embargo, aún no demuestra que el proceso global sea económico, eficiente o capaz de operar de forma continua.
La seguridad nacional y la investigación energética convergen
La misión principal del NIF está ligada al arsenal de armas nucleares del país. Estados Unidos dejó de realizar pruebas nucleares explosivas en la década de 1990 y, en su lugar, recurre a experimentos, cálculos computacionales y la ciencia de los materiales para evaluar el rendimiento y el envejecimiento de las armas. Los experimentos de fusión generan temperaturas y presiones extremas que ayudan a los científicos a probar los modelos utilizados en la gestión del arsenal.
Los mismos principios físicos son relevantes para la investigación energética. La fusión combina núcleos ligeros en lugar de dividir núcleos pesados, y las reacciones de deuterio-tritio no producen dióxido de carbono durante la fusión. Si se logra diseñar un sistema práctico, la fusión podría ofrecer una alta densidad energética con características de seguridad y gestión de residuos diferentes a las de la fisión convencional. Por lo tanto, el anuncio del Departamento de Energía presenta este resultado como relevante tanto para la defensa nacional como para una posible futura tecnología de energía limpia.
Un informe de Livermore publicado el viernes describe cómo el objetivo del 5 de diciembre, de aproximadamente la mitad del tamaño de un BB, fue impulsado por el vasto complejo láser NIF. El contraste de escala ilustra el desafío de ingeniería: una instalación que abarca un gran edificio concentra una enorme potencia en una cantidad microscópica de combustible durante una fracción de segundo.
El experimento responde a una pregunta y plantea muchas más
Durante años, la pregunta central en NIF fue si el laboratorio podría alcanzar un régimen en el que la producción de fusión superara la energía láser directa que impulsaba el blanco. La respuesta a este disparo es afirmativa. Las siguientes preguntas se refieren a la reproducibilidad, la mayor ganancia, la fabricación del blanco, la eficiencia del láser, la frecuencia de repetición y la durabilidad de los componentes expuestos a intensos flujos de neutrones y fotones.
Los investigadores también deberán comprender con precisión por qué este objetivo tuvo éxito donde otros experimentos de alto rendimiento fracasaron. Pequeños defectos en la cápsula, asimetría en la compresión y variaciones en el acoplamiento del láser pueden determinar si un disparo supera el umbral de ignición. Esa sensibilidad es la razón por la que el resultado de ignición cercana de 2021 fue importante incluso antes del avance de este mes: proporcionó evidencia experimental de que el régimen subyacente estaba al alcance.
El experimento del 5 de diciembre, por lo tanto, pertenece a dos categorías a la vez. Es un logro científico concreto con una ganancia de energía cuantificada en el objetivo, y es un primer paso en un programa de ingeniería mucho más extenso si la fusión nuclear pretende convertirse alguna vez en una fuente de energía. El hito físico es real. También lo es la distancia que separa una sola ignición de una central eléctrica capaz de suministrar electricidad fiable a la red.
