Artículo invitado: HiPER – La fusión nuclear por confinamiento inercial en Europa

Jesús Álvarez Ruiz, del Instituto de Fusión Nuclear de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), miembro del proyecto HiPER, impartirá una conferencia titulada «Fusión Inercial: Peligros y propuestas para proteger las paredes internas de un futuro reactor» en los Seminarios Internacionales de Fronteras de la Ciencia de Materiales (Aula de Seminarios, Departamento de Ciencia de Materiales, E. T. S. de Ingenieros de Caminos, UPM), el lunes 20 de Junio de 2011, a las 9:30 h. Le propuse y ha aceptado escribir una breve entrada describiendo dicho proyecto (HiPER). Espero que la disfrutéis.

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¿Qué es la Fusión Nuclear?

La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos se unen para formar un núcleo más pesado a la vez que se genera una gran cantidad de energía. Para producir las reacciones de fusión es necesario que  los núcleos atómicos de partida superen la repulsión que experimentan al estar cargados positivamente. En caso de querer utilizar la fusión como una fuente de energía, se  requiere que los núcleos atómicos tengan velocidades iniciales y probabilidades de choque altas. Hablamos de temperaturas de millones de grados para alcanzar las velocidades requeridas (a esas temperaturas, la materia está en forma de plasma) y de densidades y confinamientos de esos plasmas adecuados para garantizar las colisiones. Estas condiciones se resumen en una combinación adecuada de temperaturas, densidades y tiempos de confinamiento que se denominan criterio de Lawson.

Son las densidades del plasma y su confinamiento, las que definen los dos principales mecanismos que el hombre está explorando para obtener energía de la fusión nuclear con la reacción entre el Deuterio y el Tritio. Por un lado se encuentra la fusión por confinamiento magnético que encierra el plasma dentro de varios campos magnéticos el tiempo suficiente como para asegurar un número de choques y reacciones de fusión que generen más energía que la requerida para producir inicialmente el plasma y  su confinamiento. Y por otro lado se encuentra la fusión por confinamiento inercial que genera y confina un plasma muy denso (20 veces la densidad del plomo) en un instante, de modo que se produzcan suficientes reacciones de fusión como para compensar la energía invertida en la compresión y calentamiento instantáneo del combustible.

La fusión magnética es la más conocida y en la cuál se está invirtiendo más dinero (véase el proyecto internacional ITER), aunque la fusión inercial tomará una posición relevante en los próximos años si se cumplen las predicciones y una instalación de fusión consigue mostrar por primera vez  ganancia (la reacción de fusión produciría más energía que la que consumiría).

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Fusión Inercial – HiPER

Aunque hay varias propuestas para inducir la fusión inercial, la más extendida se base en el uso de sistemas láser muy potentes. En el concepto más sencillo, varias decenas de pulsos láser muy energéticos se enfocan simultáneamente sobre una pequeña cápsula redonda de plástico que contiene el Deuterio-Tritio. Esa energía comprime el combustible a grandes densidades y lo calienta hasta alcanzar las temperaturas necesarias para producir la fusión.

Fases de la fusión por confinamiento inercial por láser de un blanco directo. Las flechas azules representan la radiación láser; las flechas naranjas representan los fragmentos de cápsula que salen despedidos. Las flechas rojas indican la dirección en la que se transporta la energía térmica (Imagen tomada de la Wikipedia).1. La radiación calienta rápidamente la superficie, generando un plasma. 2. Por efecto de acción-reacción el plasma se expande hacia afuera y el combustible se comprime. 3. La cápsula implosiona alcanzando densidades de >200g/cm3 y temperaturas de 100 millones de grados. 4. La fusión nuclear tiene lugar en el centro y se transmite al combustible comprimido colindante, produciendo más energía que la consumida en el proceso.

La Instalación Nacional de Ignición, NIF, del Lawrence Livermore National Laboratory de los Estados Unidos, es el laboratorio que dispone del sistema láser más potente del mundo. Con sus 192 pulsos láser que depositarán unos 1.5 MJ de energía sobre el blanco, aspira a ser el primer centro en demostrar ganancia en los próximos 1 o 2 años y así fundar las bases de lo que, en un futuro, puede ser un reactor de energía de fusión.

En Europa, las dos iniciativas más importantes en fusión inercial son la francesa Laser MégaJoule, LMJ, muy similar a NIF y con fines militares únicamente, y el High Power laser Energy Research facility, HIPER.

Esquema de la instalación HiPER.

 HiPER es el proyecto europeo que pretende acercar la fusión inercial a  una planta de energía. Como siguiente paso a NIF, busca demostrar la fusión de forma repetitiva (varias veces por segundo) y aumentar la ganancia de energía reduciendo el consumo de los láseres y optimizando el proceso de compresión y calentamiento del combustible.

Las altas pérdidas en forma de calor durante la conversión de energía eléctrica en energía para amplificar los pulsos láser (mediante lámparas de flash) hacen que los láseres de NIF necesiten más de 6 horas para enfriarse y poder volver a disparar. HiPER está trabajando en el desarrollo de láseres de estado sólido bombeados por láseres de diodo, DPSSL, mucho más eficientes y que permitirán disparar con frecuencias entre 5-10 Hz.

A su vez, HiPER está trabajando en otros esquemas del blanco de combustible, como son la ignición rápida o la ignición por choque, que permitirían reducir la cantidad de energía depositada en el combustible en aproximadamente un tercio de la que se inyecta en NIF.

El proyecto HiPER se encuentra en la actualidad en la fase preparatoria de evaluación de tecnología. En caso de que los gobiernos de los distintos países participantes  promuevan su construcción (entre ellos España), se espera entrar en la fase de diseño para el 2012-2013.

Estados Unidos también está evaluando un programa similar llamado LIFE, con el firme propósito de tener un reactor experimental que genere la misma cantidad de energía que consuma (unos 300 MW) para el 2020. Su objetivo es disponer de una planta demostradora de potencia (1.5-2 GW) entre el 2025-2030.*

Aunque todavía son varios los retos que la fusión inercial tiene que afrontar (como la construcción de láseres de alta energía y alta repetición o la inyección de blancos en cámara de reacción de varios metros de radio con precisiones espaciales y temporales muy altas) esta forma de energía puede ser una realidad económicamente en las próximas dos décadas. Eso si contar con las múltiples aplicaciones en diversos campos de la física que una instalación de este estilo significaría. Hay mucho en juego y los grupos españoles que lideran el diseño del reactor pueden jugar un importante papel. Sólo el tiempo y los políticos dirán.

Jesús Álvarez, Instituto de Fusión Nuclear, UPM.

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*La principal diferencia de LIFE con el proyecto HiPER se encuentra en el tipo de blanco y en la protección interna de las paredes del reactor. LIFE utilizará blancos indirectos como los de NIF en los que la energía láser no se deposita directamente sobre la esfera de combustible sino que primero se  convierten en rayos X en las paredes internas de una cápsula que envuelve al blanco. Son los rayos X generados en las paredes internas de la cápsula los que posteriormente comprimen y calientan el combustible. Estos blancos son menos eficientes energéticamente hablando pero están más desarrollados y sufren menos inestabilidades en la compresión del combustible.

La segunda diferencia estriba en el hecho de que la radiación emitida en un blanco indirecto tiene una distribución de energía diferente a los blancos directos. En ambos casos el 70% de la energía de fusión se emite en forma de neutrones energéticos, pero mientras que en los blancos indirectos el 30% restante es fundamentalmente radiación X, en los blancos directos ese 30% aparece en forma de iones rápidos. Tanto en un caso como en el otro ese 30% de la energía va a parar a las paredes  del reactor. Para contrarrestar el efecto de los rayos X, LIFE llenará la cámara de gas Xe que absorberá la energía y la depositará sobre las paredes de forma continua. En el caso de HiPER, la pared del reactor  contará con una cubierta interna de unos cientos de micras de wolframio que hará de escudo protector.



1 Comentario

  1. Cuanto más leo sobre el tema más me convenzo de que el auténtico combustible de la fusión nuclear no va a ser el que produzca energía, sino el carburante que evite la autodestrucción de las paredes de la máquina. Por supuesto hablo sin conocimiento, pero sería lo contrario que hacer un fuego: en vez de esperar a que no se acabe la leña pues hay oxígeno para rato, esperar a que no se acabe el oxígeno pues, lo que es leña, tenemos…

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 27 abril, 2011
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Physics • Science
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