La fusión por confinamiento inercial, paso a paso, hacia la ignición

Por Francisco R. Villatoro, el 4 noviembre, 2011. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Política • Science ✎ 13

La fusión por confinamiento inercial ha pasado de ser una técnica para realizar pruebas seguras de armas nucleares a una candidata firme para la producción comercial de energía. Los reactores de fusión nuclear utilizan el combustible más abundante y barato (el agua del mar), no tienen emisiones de carbono y sus residuos nucleares son mínimos; todo son ventajas, pero la fusión nuclear tiene un gran inconveniente, nadie sabe si es viable. Nadie ha logrado mantener una reacción de fusión autosostenida por tiempo suficiente para garantizar su uso comercial como fuente de energía. Nadie sabe si algún día se logrará. Dos artículos en Science nos recuerdan que, tras sesenta años de investigación, se espera que en los próximos años se logre la ignición de un reactor de fusión por confinamiento inercial en el NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), una instalación láser que ha costado unos 3500 millones de dólares (muy barata comparada con el coste de ITER, el reactor de fusión por confinamiento magnético que se está construyendo en Cadarache, Francia. El objetivo principal de NIF no es la producción de energía, sino el estudio de armas nucleares, pero si se logra la ignición se espera un cambio radical en los objetivos de NIF. ¿Se lograra la ignición antes de que finalice la construcción de ITER? Los estadounidenses nunca pierden la esperanza y su revista estrella (Science) se hace eco de ello en Daniel Clery, “Inertial Confinement Fusion: Fusion Power’s Road Not Yet Taken,” Science 334: 445-448, 28 October 2011, y Daniel Clery, “Inertial Confinement Fusion: Step by Step, NIF Researchers Trek Toward the Light,” Science 334: 449-450, 28 October 2011.

El cambio climático, la disminución de las reservas de petróleo y la búsqueda de fuentes de energía alternativas son motivos más que suficientes para que los políticos se interesen en la fusión nuclear. Steven Chu, Secretario de Energía de EE.UU. y premio Nobel de Física, sigue con atención los esfuerzos del NIF y ha visitado el LLNL en varias ocasiones. Pero como dice Glen Wurden, del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) en Nuevo México, la ignición en el NIF será como el primer vuelo de los hermanos Wright, un hito histórico pero “la madera, la tela y el alambre de los Wright están muy alejados de un Boeing 747 comercial.”

El láser del NIF dispara los pulsos más energéticos del mundo, de 1,8 millones de julios (MJ), pero un reactor comercial tendrá que realizar entre 10 y 16 disparos por segundo (unos 1,4 millones de disparos al día). Por ahora estos números son utópicos (de hecho la configuración actual solo …), el láser del NIF no está diseñado para lograr una frecuencia de disparos tan alta. Por ello los investigadores del NIF han propuesto una ruta alternativa, más rápida y de menor riesgo hacia un reactor comercial, el proyecto piloto denominado LIFE (Laser Inertial Fusion Energy). Su propuesta es construir un reactor de fusión en 12 años (una vez se demuestre la ignición en NIF). Por supuesto, hay muchos escépticos que creen que estos números son demasiado optimistas. La idea de LIFE es utilizar 192 láseres pequeños, en lugar de uno solo, cada uno de ellos de solo 8 kilojulios (kJ), totalizando unos 1,5 MJ. El gran problema de NIF (y de LIFE) es la eficiencia de la conversión de energía inyectada en la cápsula de combustible en energía útil para la ignición. Se estima una eficiencia del 25%, luego los 1,8 MJ se reducen a solo 0,4 MJ.

Los investigadores de los Laboratorios Sandia confían en que podrán mejorar la eficiencia de la conversión de energía láser en energía para la ignición mediante un fenómeno llamado pinzamiento axial (o Z pinch). Una corriente eléctrica muy fuerte a través de un plasma conductor produce un campo magnético alrededor del plasma que produce una fuerza que comprime el plasma. Si la cápsula con el combustible tiene la forma de un cilindro con deuterio y tritio, el pinzamiento axial podría lograr una eficiencia de conversión de energía muy alta. En los laboratorios Sandia se ha desarrollado la máquina Z (cuya fotografía abre esta entrada) que almacena una enorme cantidad de energía eléctrica y produce pulsos eléctricos muy cortos, unos 100 nanosegundos, pero muy intensos, de hasta 27 mega-amperios (MA). En la actualidad la máquina Z se utiliza para producir rayos X (y para ciertas aplicaciones militares). Una versión más energética de la máquina Z podría ser útil para producir la ignición de la fusión (las estimaciones teóricas actuales indican que se requiere un mínimo de 60 MA).

También se están investigando otras alternativas, como la técnica llamada magneto-fusión inercial, que combina confinamiento inercial y confinamiento magnético para ayudar a contener el plasma de deuterio y tritio. Por el momento estas alternativas están poco estudiadas y es muy difícil saber si son prometedoras, o solo parecen prometedoras.

Lo que todo el mundo tiene muy claro en el campo de la fusión por confinamiento inercial es que recabar financiación abundante de los gobiernos requiere demostrar que la ignición es posible, no solo en teoría, sino con una demostración práctica. La instalación que lo logre se convertirá en el candidato más prometedor y será el foco de la mayor parte de la financiación. Mientras tanto, las diferentes propuestas deben competir entre ellas para ver quien es la primera que logra la ignición. Todo el mundo es optimista con su propuesta favorita, pero el gobierno no puede permitirse financiar todas ellas en pie de igualdad.

La máquina Z de los Laboratorios Nacionales Sandia

Fotografías tan espectaculares como las que abre esta entrada y el secreto con el que se mantienen algunos de los experimentos militares que se realizan con la máquina Z llevan a mucha gente a pensar que la fusión nuclear por pinzamiento axial (Z pinch) será la vencedora de la carrera hacia la financiación a espuertas. Pero debemos poner los pies sobre la tierra. En realidad la imagen que abre esta entrada es una fotografía de larga exposición de arcos eléctricos (como los rayos de una tormenta) sobre la superficie de un tanque de agua; estos arcos son un subproducto de la operación de la máquina Z y no son un objeto de investigación en sí mismos. El grupo de Electromagnetismo de los Laboratorios Sandia está investigando la generación de rayos en tormentas pero utiliza otra instalación diferente, el Simulador de Rayos Sandia (Sandia Lightning Simulator), que puede producir rayos de hasta 200 kA (kiloamperios) y trenes de rayos de cientos de amperios separados por pocos milisegundos. Estos rayos son similares a los que se producen en las tormentas, por lo que su producción controlada en el laboratorio permite estudiar cómo afectan a los almacenes de cabezas nucleares, a los dipositivos electrónicos de control de misiles, aviones militares, aviones civiles, trenes, etc. Destaca en los Sandia su grupo de supercomputación paralela, el primero en el mundo que logró superar en simulaciones electromagnéticas 1 Tflop/s (un billón de operaciones flotantes por segundo). El siguiente vídeo os muestra la instalación de simulación de rayos (mucho menos espectacular que la fotografía de arriba).

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=0VcOCPS2n1M]

Los Laboratorios Nacionales Sandia se crearon en 1949 para la investigación de las armas nucleares que fueron desarrolladas por el Proyecto Manhattan. El objetivo original de estos laboratorios era convertir la física nuclear desarrollada en Los Alamos y en los Laboratorios Nacionales Lawrence Livermore en armas nucleares. El fin de la guerra fría y la caída de la Unión Soviética conllevaron un lavado de cara de los Laboratorios Sandia que han reorientado una parte de su investigación a aplicaciones civiles. Y la aplicación civil estrella es la producción de energía “gratis” por fusión nuclear. El siguiente vídeo nos “vende” el programa de fusión nuclear en los laboratorios Sandia.

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=TVaIvAPMd_g&hd=1]

El siguiente vídeo de youtube os muestra la construcción de la máquina Z y para qué sirve.

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=4_tklE8ZOFA&hd=1]

La máquina Z es la estrella de los Laboratorios Sandia, pero hay gran número de otras instalaciones únicas en el mundo que compiten por ser las primeras en demostrar la ignición nuclear. Nadie puede saber cual será la que vencerá en esta competición. Pero lo que está claro es que este tipo de instalaciones tienen gran número de aplicaciones más allá de lograr la fusión, por ejemplo, la máquina Z estudia plasmas de alta densidad como los que hay en el interior de los planetas, de las estrellas y en otros objetos astrofísicos. Esta investigación fundamental es complementaria a su investigación aplicada. El siguiente vídeo nos lo cuenta.

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=3kBjAQA_gJw&feature=BF&hd=1]

En resumen, la fusión nuclear promete ser una fuente gratis de energía y la fusión por confinamiento inercial una alternativa factible para lograrla. Pero ya sabemos que la ignición sostenida de la fusión lleva varias décadas a 20 años vista y quizás siga estándolo. Es un proceso físico muy difícil de controlar y los avances de los últimos años nos hacen tener esperanzas, pero no a corto plazo… habrá que esperar todavía unos 20 años o quizás algunos más.

PS (5 nov. 2011): Gracias a Aitor os incluyo el vídeo de la mesa redonda “ITER y la Promesa de la Fusión Nuclear” en la Universidad Politécnica de Madrid, 27 de octubre de 2010. Antonio Rivera (Instituto de Fusión Nuclear, UPM) nos habla de fusión por confinamiento inercial (NIF y HiPER) y Franscisco Castejón (CIEMAT) de fusión por confinamiento magnético (ITER). Merece la pena ver la conferencia, aunque dura unas dos horas.

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=TWar7j3eSZY&hd=1]



13 Comentarios

  1. Estupenda entrada que pone de relieve que existen otras alternativas a la fusión además de la de confinamiento magnético.
    La fusión por confinamiento inercial, sea mediante láseres, por Z-pinch o por otros métodos es una seria candidata a convertirse en una fuente de energía para la sociedad.
    Tan sólo, una pequeña aclaración sobre la conversión de energía de instalaciones como NIF o LIFE.
    Ese 25% de eficiencia que se comenta en el texto corresponde al porcentaje de quemado(fusión) del combustible y no a la eficiencia de conversión energía láser – energía de fusión.
    De hecho, NIF espera demostrar ganancia 1 (energía láser = energía generada en fusión) el próximo año y pasar a ganancias mayores (se plantean ganancias de 30-50) en los próximos años.

      1. Sin duda.
        En esta situación de crisis generalizada, ningún gobierno está dispuesto a invertir dinero a menos que sea a “caballo ganador”. En ese aspecto, todos los países europeos participantes en HiPER, incluido España, están a la espera de que NIF demuestre ignición y ganancia, asegurando el éxito de la empresa. Un valioso tiempo que estamos perdiendo en la carrera y el posicionamiento de Europa frente a esta “nueva” forma de energía.

      2. En las sociedades desarrolladas, la investigación energética no es una opción (al igual que la sanidad y la educación). Lo que delimitará el riesgo y conducirá al éxito será la diversidad de líneas de investigación con evidencias científicas de las que se disponga. Además el HiPER no es la misma tecnología que el NIF así que la ignorancia que están demostrando es notable.

  2. “…utilizan el combustible más abundante y barato (el agua del mar)…”

    Una pregunta, el agua utilizada ¿es restituída posteriormente de alguna forma? (por ejemplo como pasa con los coches de hidrógeno; en que se disocian las moléculas de agua para luego recombinarlas).

    Se que la cantidad de agua necesaria es muy pequeña, pero no dudo que de funcionar este sistema la demanda de energía se multiplicará exponencialmente.

    ¡Gracias!

    1. Del agua lo que se extrae son los átomos de deuterio que, junto con los de Tritio, forman el combustible.
      (Por cada 6500 átomos de H en el agua(H2O), 1 es de deuterio). Hay “agua deuterada” más que de sobra para miles de años.

  3. Recomiendo mucho este video: http://www.youtube.com/watch?v=TWar7j3eSZY es una conferencia en la Universidad Politécnica de Madrid en la que se muestran los últimos adelantos tanto en ignición por confinamiento inercial en NIF como con ITER. Aclara varios putnos sobre lo “gratis” que puede ser esa energia y que tan conmtaminante o no peude ser en realidad. La verdad es que el confinamiento inercial ha avanzado bastante ultimamente. como muestran ahi ya han conseguido igniciones y se ve prometedor el asunto.

    1. Aitor, gracias por el vídeo, muy interesante, pero me parece que te equivocas, no es verdad que en el vídeo “muestran [que] ya han conseguido igniciones,” de hecho, la primera charla habla de la posible ignición en NIF en un experimento integrado realizado el 6 de octubre de 2010 y dice el conferenciante (a finales de octubre de 2010) que lo van a publicar en Science en 2011. Estamos a noviembre de 2011 y todavía no ha sido publicado. El artículo de Daniel Clery (un periodista científico) publicado la semana pasada en Science lo que dice es que todavía no se ha logrado la ignición. Por tanto, si todavía no está publicado que se haya conseguido la ignición, no podemos afirmar ni creer que así ha sido. Antonio, en su charla, concluye (alrededor del minuto 44′) que “puede que ya esté hecho” y lo repite “puede que ya esté hecho.”

      1. Lo siento, lo decia por la fotografia que muestra con el aparato donde se pone el combustible destruido, el conferenciante casi que da a entender que fue una ignicion, debio ser una falsa alarma seguramente. Gracias por notarlo.

  4. Y mientras tanto el dichoso “e-cat” sigue volando bajo, si es un timo ya es un super-timo esta llegando lejos, me imagino como estan de nerviosos en el ITER o en el STAR si despues de tanta plata invertida el “e-cat” sigue haciendo ruido… deben estar ansiosos porque que se defina si es real o no, aunque estén muy seguros de que es timo, algo de duda deben tener…

  5. am hola yo pedi para q sirven mas no los comentarios lo siento pero esta informacion no me gusta
    kiero algo mas relevante porfa…
    si no es muxa molestia plis sisisisisisisisisisisisisisisisisisisisisisisiisiisis…
    no sean haci…

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