Duro varapalo a NIF y la fusión por confinamiento inercial mediante láser

Por Francisco R. Villatoro, el 24 junio, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 5

Dibujo20160623 nif inertial confinement fusion goal

Un informe del DOE (Department Of Energy) de EE.UU., que financia a NIF (National Ignition Facility), muestra serias dudas sobre el proyecto. Los expertos opinan que no logrará la ignición de la fusión nuclear antes de 2020. El informe lo ha preparado la NNSA (National Nuclear Security Administration) recomendando un cambio de objetivo. En lugar de perseguir la ignición, se debe hacer ciencia básica. El proyecto NIF se inició en 2009 en el LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) con la esperanza de lograr la ignición en tres años, pero fracasó. En 2012 volvió a prometer la ignición en tres años y volvió a fracasar. Ahora el informe del DOE exige menos promesas y más ciencia.

El nuevo objetivo del NIF será estudiar si la fusión por confinamiento inercial (ICF) mediante láser es viable o no lo es, si tiene futuro o no lo tiene. En caso de que se descubra que la ignición en NIF es imposible, habrá que justificar el porqué. Tras los resultados que se obtengan en 2020 se definirá una nueva hoja de ruta para la fusión por confinamiento inercial. NIF afirmó haber logrado el breakthrough, en teoría el combustible generó más energía de la que recibió, pero surgieron muchas dudas entre los expertos. La opinión mayoritaria es que no lo logró. No tiene sentido plantear como objetivo para 2020 alcanzar un Q>1, que se genere más energía útil que la que se inyecta desde el exterior. Un barreño de agua fría para quienes pensaban que NIF estaba rozando con los dedos la fusión y que la lograría antes que ITER.

El informe no tiene desperdicio, “2015 Review of the Inertial Confinement Fusion and High Energy Density Science Portfolio,” NNSA, DOE, May 2016 [PDF – 174 pp]. Confieso que he leído el informe, aunque no con toda la atención que merece. No me ha gustado que la opinión de los expertos sea expresada como tal, como una opinión. Faltan figuras y referencias a estudios físico-matemáticos que acompañen su opinión. Aún así, la mayoría parece tenerlo claro (y algunos recuerdan que ya lo dijeron antes de 2009). Sin conocer la física del plasma en detalle, todas las promesas basadas en simulaciones por ordenador son poco creíbles. Más aún, también hay serias dudas sobre el programa militar de NIF (la simulación de explosiones termonucleares). Un duro varapalo a NIF y a la fusión por confinamiento inercial.

Me he enterado gracias a “Fusion laser may never ignite,” News at a glance, Science  24 Jun 2016, doi: 10.1126/science.352.6293.1498, que cita a Daniel Clery, “Giant U.S. fusion laser might never achieve goal, report concludes,” Science, 21 Jun 2016, doi: 10.1126/science.aaf5793, quien a su vez cita a David Kramer, “NIF may never ignite, DOE admits,” Physics Today, 17 Jun 2016, doi: 10.1063/PT.5.1076, que incluye el enlace al informe del DOE.

Dibujo20160623 NIF LLNL inertial confinement fusion using laser

 

Le recuerdo a los despistados que la energía de fusión se puede lograr por dos caminos diferentes. Por un lado, el confinamiento magnético en tokamaks y stellerators es el más estudiado y por ello más prometedor. Por otro lado, el confinamiento inercial, en el que el propio plasma genera campos magnéticos que lo autoconfinan, que está mucho menos estudiado. Para algunos era igual de prometedor y su estrella es la instalación NIF del LLNL, que costó 3500 millones de dólares (barata en comparación con ITER que superará los 15000 millones de euros). Su objetivo es enfocar 192 haces láser en una cápsula cilíndrica (hohlraum) que contiene una pequeña esfera con combustible. El disparo de los láseres acumula una energía de 1,8 megajulios que en el hohlraum se transforman en rayos X que implosionan la esfera de combustible y provocan la ignición de la fusión (al menos en teoría).

La idea original en 2009 era que toda la energía de los láseres incidieran de forma directa en la esfera de combustible. Según las simulaciones por ordenador la técnica LDD (Laser-Driven Direct Drive) debería producir la ignición de la fusión. Pero por desgracia las inestabilidades del plasma destruyen la simetría esférica de la implosión de la cápsula y desvían los resultados experimentales de las predicciones teóricas. El control preciso de las inestabilidades debidas a la transferencia de energía en el cruce de haces (CBET, siglas de Cross Beam Energy Transfer) y a la pérdida de energía por la interacción entre plasmones (TPD, siglas de Two Plasmon Decay) impidieron lograr el éxito deseado. El programa ICF de la NNSA usa la técnica LDD en la máquina Omega de la Universidad de Rochester (Omega Laser Facility).

En lugar de retornar a los estudios de ciencia básica en el NIF se decidió tomar un camino más corto hacia el éxito. En 2012 se eligió la transferencia indirecta de energía de los láseres hacia la cápsula. Según las simulaciones por ordenador la técnica LID (Laser-driven Indirect Drive) logra que la cápsula reciba una quinta parte de la energía recibida con LDD, pero se reducen las pérdidas asociadas a las inestabilidades CBET y TPD, con una ignición más eficaz. Por desgracia, los resultados experimentales volvieron a diferir en gran medida de las predicciones teóricas. Por cierto, hay una tercera técnica en el programa ICF de la NNSA, llamada MDD (Magnetically-driven Direct Drive), que se ensaya en la máquina Z de los Laboratorios Nacionales Sandia. También está muy lejos de lograr el éxito prometido.

Dibujo20160623 inertial confinement fusion concept

El nuevo programa ICF de la NNSA hasta el año 2020, tras el informe de los expertos en 2015, proponer hacer ciencia básica como objetivo para NIF. Determinar si es plausible o no que se pueda alcanzar la ignición en su instalación. Las promesas que acaban en saco roto ya no son aceptables. NIF en LLNL, como Omega en Rochester y Z en Sandia, deben centrarse en la investigación básica de la fusión por confinamiento inercial. Buscar enfoques alternativos para la ignición desde un punto de vista tecnológico (gracias a ideas felices y al método de ensayo y error) no parece apropiado. Hay que entender los detalles de la física del plasma en cada una de estas instalaciones. El mismo modelo físico no sirve para las tres, ya que el diablo está en los detalles. Las inestabilidades del plasma en una instalación concreta de fusión por confinamiento inercial han de ser comprendidas con todo detalle.

Muchos ya lo predijeron hace décadas. Como Stephen Bodner en 1995 (en un famoso artículo publicado en Comments on Plasma Physics and Controlled Fusion). Sin ciencia básica no se puede progresar en el programa de fusión por confinamiento inercial. Las inestabilidades en el plasma degradarán el rendimiento hasta hacer imposible la ignición. Muchos no les creyeron, pero el tiempo parece haberles dado la razón.

Por supuesto, aunque EE.UU. no logre que su programa ICF de la NNSA funcione, otros países han iniciado iniciativas similares. Hay instalaciones láser en diseño en Rusia y China. Su objetivo combina la componente militar, evitar las pruebas de armas termonucleares, y la componente civil, estudiar el ICF para la generación de energía por fusión. También hay muchas iniciativas privadas, todas ellas necesitan los resultados de investigación básica que se obtengan en NIF. En otro caso acabarán ofreciendo nuevas promesas incumplidas.

En resumen, para muchos la fusión por confinamiento inercial es más atractiva que la que usa confinamiento magnético. El camino de los inventores, como Edison o Tesla, decorado con rosas, no siempre está libre de espinas. El paso lento y seguro de los elefantes, costosos y pesados como ellos solos, nos hace olvidar que a veces alcanzan velocidades de vértigo (hasta 40 km/h). La promesa del confinamiento inercial requiere una nueva hoja de ruta en la que prime la ciencia básica.



5 Comentarios

  1. Excelente post (aunque esto no es una novedad) pero triste, al menos para los que dimos nuestros primeros pasos en la investigación en temas relacionados con la fusión por confinamiento inercial. Me temo que durante muchos años seguirán quedando 30 para alcanzar la ignición.

    Sólo un pequeño apunte (soy muy tiquismiquis). En la fusión por confinamiento inercial, el confinamiento no se logra por campos magnéticos autogenerados por el plasma (de hecho, en los tokamaks se usan dichos campos para confinar el plasma). Es la inercia del material al implosionar (hablando de una manera poco rigurosa) la que confina el plasma durante periodos de tiempo muchísimo más cortos que en el caso de confinamiento magnético.

    Una vez más, enhorabuena por este blog.

    1. Yarlen, MTF, a mitad de camino entre MCF y ICF, está en una fase muy primitiva. La investigación en Magnetized Target Fusion está liderada por empresas privadas, que por ahora venden más humo que resultados. Por ello he omitido MTF y muchas otras alternativas menos prometedoras.

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