Gran avance en la fusión por confinamiento inercial en el NIF

Por Francisco R. Villatoro, el 12 febrero, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 33

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En octubre de 2013, te conté que NIF logró un gran avance hacia la fusión por confinamiento inercial. Hoy se publica en Nature el artículo técnico. Por primera vez la energía obtenida en la fusión nuclear supera a la energía consumida para generarla. Por supuesto, aún estamos muy lejos de la ignición de la fusión y aún más lejos la producción positiva de energía de forma sostenida. Sin embargo, se trata de un gran avance que merece ser publicado en Nature. El artículo técnico es O. A. Hurricane et al., “Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion,” Nature, AOP 12 Feb 2014. Recomiendo leer a Mark Herrmann, “Plasma physics: A promising advance in nuclear fusion,” Nature, AOP 12 Feb 2014.

Dibujo20140214 deuterium - tritium fusion reaction - nature13057-f1

La reacción de fusión en el NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LNLL) en California consiste en la fusión de núcleos de deuterio y tritio para dar lugar a un núcleo0 de helio (partícula α) y un neutrón. La energía liberada permite sostener el proceso de fusión (tras lograr la ignición) si se evitan las pérdidas de energía en el plasma. La ignición se produce cuando se cumple el criterio de Lawson (1957). Para un plasma de deuterio y tritio a una temperatura de 50 millones Kelvin, debe cumplirse que P τ > 25 atmósferas por segundo, donde P es la presión del plasma y τ es el tiempo de confinamiento de la energía en el plasma (es decir, la constante de tiempo asociada a la pérdida de energía en el plasma confinado). Una vez iniciada la ignición, la fusión se mantiene y produce mucha más energía de la invertida en crear el plasma.

Lograr la ignición (satisfacer el criterio de Lawson) no es fácil. Hay dos grandes enfoques. En la fusión por confinamiento magnético, un intenso campo magnético confina el plasma caliente a una presión de varias atmósferas y durante un tiempo de confinamiento de la energía de unos segundos. En la fusión por confinamiento inercial, el confinamiento es proporcionado por la inercia del propio plasma, por lo que se requieren presiones de miles de millones de atmósferas y tiempos de confinamiento de la energía de décimas de nanosegundos. 

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El NIF busca la fusión por confinamiento inercial enfocando 192 rayos láser en un blanco de pocos centímetros que contiene una cápsula llena de combustible. En el blanco inciden más 1,8 millones de julios de energía durante menos de 20 nanosegundos. La presión sobre el blanco es mil veces menor de la necesaria para cumplir con el criterio de Lawson. La ignición requiere comprimir el combustible con una simetría esférica casi perfecta, evitando las numerosas inestabilidades hidrodinámicas que aparecen en el plasma caliente; para ello hay que evitar que el combustible se caliente demasiado durante la implosión. ¿Realmente hay que evitarlo?

El nuevo logro publicado en Nature se basa en olvidar este último criterio y aplicar un método llamado “high-foot” (T. R. Dittrich et al., “Design of a High-Foot High-Adiabat ICF Capsule for the National Ignition Facility,” Phys. Rev. Lett. 112: 055002, 05 Feb 2014; H.-S. Park et al., “High-Adiabat High-Foot Inertial Confinement Fusion Implosion Experiments on the National Ignition Facility,” Phys. Rev. Lett. 112: 055001, 05 Feb 2014; en una futura entrada hablaré de los detalles técnicos del nuevo método). Para sorpresa de los expertos, el plasma se estabiliza más de lo esperado y el rendimiento energético se multiplica por diez. En el mejor resultado publicado se ha logrado que el combustible de fusión reciba 17 kJ de energía durante la implosión, lo que implica que se ha superado el 50% del valor P τ que satisface el criterio de Lawson. Más aún, los resultados están en buen acuerdo con las simulaciones numéricas (algo que no suele ser habitual en fusión). Las simulaciones numéricas indican los primeros indicios de calentamiento espontáneo del plasma, crucial para lograr la ignición.

Dibujo20140212 X-ray images of the hotspot at bang-time - nif - nature

Las imágenes de la implosión obtenidas con rayos X (arriba), con energías mayores de 6 keV, muestran un resultado muy simétrico, aunque no tanto como predicen las simulaciones numéricas. Lo mismo ocurre con las obtenidas con neutrones (abajo), con energías entre 6 y 17 MeV. La simetría de la implosión es clave para lograr la estabilidad del plasma y alcanzar la ignición. Por ello estos resultados son muy prometedores, aunque todavía queda un largo camino por recorrer.

Dibujo20140212 neutron images of the hotspot at bang-time - nif - nature

El objetivo del NIF entre 2009 y 2012 era lograr la ignición, pero las implosiones que se lograron eran muy diferentes a las predicciones teóricas. Todavía nadie sabe muy bien por qué. El nuevo objetivo es realizar experimentos de ciencia básica para entender mejor el plasma y allanar el camino hacia la ignición. Y el nuevo enfoque está dando mejores resultados de lo esperado (tampoco sabemos por qué). La pregunta del millón es ¿se podrá alcanzar la ignición en el NIF? Nadie lo sabe.

En el año 2015, EEUU revisará su programa de fusión por confinamiento inercial y los nuevos resultados son clave para que el NIF logre el extra de financiación que tanto necesita. Pero lo importante es que se necesitan muchos estudios de ciencia básica y el camino emprendido es sin lugar a dudas el camino correcto. Hacer avanzar la ciencia de la fusión por confinamiento inercial, además, ayudará a muchos otros proyectos alternativos en curso.



33 Comentarios

  1. Aunque los eolicos y solares me caigan encima, el futuro de la energia esta en la fusion nuclear, la unica que puede realmente puede destronar al petroleo, que puede producir energia suficientemente barata y abundante para cumplir esa meta

    1. El futuro de la energía está en dejar de despilfarrar, y meternos los fantasmas culturales allá donde la comida fermenta y ceñirnos más a lo que la ciencia nos sugiere.

      Si siguiésemos consumiendo más y más energía, como dicen modelos delirantes de lo que es una civilización avanzada, por simple termodinámica los residuos de su consumo -las meras pérdidas entrópicas, no los residuos “sólidos”- se cargarían el planeta. Literalmente.

      El consumo en España de energía nos dice que la electricidad es el 12% del total. Toda la electricidad, eólica, solar, y… fósil. El resto de la energía es toda fósil. La fusión nuclear va a suponer un alivio enorme para la crisis energética que se nos viene encima, pero con ella no van a volar aviones ni se van a mover barcos, ni desde luego por mucha que tengamos vamos a poder aprovechar mejor las menas cada vez más pobres de minerales porque las abundantes ya las hemos fundido todas.

      La ciencia lo que tiene que enseñarnos es a no despilfarrar. Es absolutamente demencial que lo que diferencia, más que ninguna otra cosa, a esta civilización de cualquier otra, es la cantidad de basura que generamos. No hay playa del planeta que no tenga restos microscópicos de plásticos, ni ser vivo que no esté contaminado con DDT. La ciencia no nos ha enseñado a hacer eso. Eso han sido nuestros fantasmas, como decía Carl Sagan.

      Y más concretamente, si la fusión llega a ser un hecho, tampoco va a ser un chollo. La cuenta completa incluye la obtención de deuterio que se come mucha de la energía de salida. Y seguro que nos fundimos el deuterio de los océanos en un pis pas. Al tiempo.

      1. “La fusión nuclear va a suponer un alivio enorme para la crisis energética que se nos viene encima, pero con ella no van a volar aviones ni se van a mover barcos, ni desde luego por mucha que tengamos vamos a poder aprovechar mejor las menas cada vez más pobres de minerales porque las abundantes ya las hemos fundido todas.”

        Existe una cosa que se llaman motores eléctricos. Aun no tengo conocimiento de ningún avión ni prototipo de avión comercial eléctrico, pero para coches y barcos no habría problema en sustituir todos los motores de combustión por motores eléctricos.

        La fusión nuclear es la única vía de salvar la civilización humana a largo plazo. Ojalá estas investigaciones lleguen a buen puerto.

        1. Bueno, no tengas tan poca fe en el equipamiento biológico de serie de la especie humana. Podríamos hacer algo que ni los parásitos, que es sobrevivirnos a nosotros mismos. Pero efectivamente sería algo más que lamentable que todo el conocimiento acumulado se perdiera, sobre todo porque sería irrecuperable.

          El problema de los vehículos radica en las baterías. Un avión de ninguna manera puede volar con baterías, porque por muy de ciencia-ficción que sean, el peso siempre va a ser brutal respecto a la carga útil. Equipar un avión con un reactor nuclear me parece algo demasié, aunque ha habido proyectos, y no hablo de coña (militares, por supuesto). También ha habido lo que yo llamo de desvaríos en la forma de aviones cubiertos en amplias zonas del fuselaje de zonas fotoeléctricas para volar recibiendo haces de microondas. Esto, aparte de la idea absurda en sí misma (qué pasa si se interrumpe la alimentación), requiere de una infraestructura ajena al aparato que raya en lo demencial.

          Es evidente que un tren no tendrá jamás ningún problema, pero vehículos autónomos sí. Por otro lado, los países esos que llamamos “serios”, se han planteado y muy seriamente abandonar el petróleo para 2050 (me temo que se verán forzados mucho antes). Todas las propuestas pasan por recortar drásticamente el consumo. La gente oye esto y se pone en alarma, pero en realidad, si te molestas en auditar, verás que la mitad de la energía que consume nuestra civilización es puro despilfarro, con todas las letras (ni siquiera consumo suntuario). Y estamos acabando con el petróleo que siempre será imprescindible para muchas cosas, y de hacer las cosas bien podríamos cortar ese consumo por la mitad y darnos lo que nunca se puede comprar: tiempo.

          1. Pero el problema es el balance energético. Ahora usamos petróleo y derivados porque el coste es (a efectos de nuestra forma de hacer las cuentas) “nulo”, perforar la tierra y sacarlo. Pero si tienes que sintetizar hidrocarburos, vas acumulando pérdidas entrópicas proceso tras proceso, con lo que los rendimientos se caen en favor de otros mecanismos. Aquí nadie duda que seguirá habiendo aviones, el problema es el coste. Si se nos va a 100 veces el actual, entonces en avión sólo volarán cosas imprescindibles, y el transporte barato irá por otras vías.

          2. Bueno, también el desarrollo de la tecnología está consiguiendo dispositivos que integran muchos métodos a nivel de algoritmos que permiten hacer más cosas que funcionan con menos energía y menos material, quizás el modelo de como se financian éstos desarrollos debería de tener más peso por parte de los gobiernos y no sólo a escala militar, sino más bien a nivel de universidades. Porque veo muchos avances de manos de empresas privadas y éstas aunque su aporte es muy importante, nos vende la tecnología sin la trascendencia que realmente tiene, y estamos llegando a la más absoluta ridiculez en los usos de ésta. Las campañas de ahorro de energía son muy blandas, y no veo que los políticos informen sobre la gravedad y complejidad del asunto, es como si tuvieran la fe ciega de que ‘todo se solucionará’.

      2. Donde pones el hidrógeno en tu análisis….lo clasificar enxrenovables o simplemente no lo consideras?????……..lo digo por los aviones y barcos y grandes transportes!!!!!

  2. Noticias como esta hace que tenga algo de esperanza en el futuro.
    Sobre las fuentes de energía del futuro … cuantas más mejor.

    Gracias por tu trabajo Francisco.

    1. Creo que tienes razón pero hay que sentir un poco de miedo por que la sociedad actual no está preparada para una fuente de energía que es prácticamente infinita para los estándares actuales, lo que me deja tranquilo es que falta mucho para desarrollarla comercialmente

      1. Pues no estés tranquilo. Para tu desgracia y la mía me temo que el petróleo se va a acabar antes de que la energía de fusión nuclear sea operativa.
        Cuando yo era un niño faltaban 30 años pera conseguir un reactor de fusión eficiente. Han pasado 40 y siguen siempre faltando 30 años,…

          1. Luis, espero que los 30 años para la Fusión Nuclear operativa sea una cota pesimista y lo consigan antes. Y que los 30 años que dicen que quedan para que se acabe el Petróleo también sea una predicción pesimista y que dure más, crucemos los dedos, pero por favor, que los de la fusión se den prisa,…

        1. Lo de los 30 años, no por más repetido deja de ser falso. La investigación en fusión (concretamente, el producto triple) sigue una ley de Moore: http://www.euronuclear.org/e-news/images/at-fusion-power-plant.jpg

          También hay un progreso continuo (aunque no sé si sigue una ley de Moore) en el cociente Q (energía producida / energía gastada), que en el reactor JET fue de 0,65. El objetivo del ITER es Q=10.

          En esta entrevista hay un buen resumen de qué se ha conseguido y qué falta por hacer: http://beta.slashdot.org/story/167399

        2. Sed, resulto bsanatte interesante. Empece9 a escribir un post pero se me echf3 el tiempo encima y entre San Lorenzo y el trabajo Me parecereda muy raro que diese clases en Unizar porque yo a este sef1or le tengo visto de vender billetes en la estacif3n de autobuses. Nos ha llamado mucho la atencif3n siempre con nuestros amigos que este9 ahed, con todo lo que parece saber sobre fedsica.A ver si no te pierdes la siguiente ;)Un saludo.

  3. Hay un punto que nunca me había parado a pensar. La fusión por confinamiento magnético es obvio que no tiene utilidad militar, nunca se podría utilizar esto para crear, p.ej., una bomba (es siempre más barato usar el método “tradicional”). Por tanto, todo los usos del confinamiento magnético son por fuerza civiles, porque no soy capaz de ver ninguna aplicación militar viable o útil.

    Pero, esto deja de ser así en el confinamiento inercial. Si estoy equivocado, me gustaría ser corregido, pero teóricamente un proceso por confinamiento inercial, si llega a domeñarse, puede servir, análogo a una bomba de hidrógeno (que puede ser tan potente como nos dé la gana, teóricamente no hay ningún impedimento), para diseñar dispositivos explosivos. Es cierto que colocar 192 láseres de alta potencia no es algo que sea muy portátil a día de hoy, pero la cápsula de combustible no tiene mucho problema, diseñar algún tipo de haz detonador tampoco (la investigación con haces de plasma a través de canales atmosféricos donde se ha abierto vacío previamente siempre tiene su cuota en los presupuestos del DoD, no han debido ir muy lejos porque del tema nadie ha dicho nada nunca), pero, pero, al menos teóricamente, el confinamiento inercial sí podría tener aplicación militar. Y obvia. No es lo mismo transportar una bomba que colocar una pastillita y detonarla desde un satélite. Hoy puede parecernos pura ciencia-ficción (de hecho lo es), pero si es teóricamente posible, llegará a ser posible más pronto o más tarde.

    No estoy obviamente censurando nada, pero en el confinamiento inercial el único interés ajeno al mundo académico radica en convencer a la parte política de mantener los presupuestos, porque a día de hoy nadie podría abordar una inversión así (me refiero a empresas o conglomerados privados) aún en el caso de probarse su viabilidad, estamos hablando de fortunas que además retornarían la inversión a bastante largo plazo. Pero claro, convencer a los mismos políticos de que esto, aparte de poder dar el cuerno de la abundancia en electricidad, de propina me hace bombas cojonudas…

    En resumen, que en la competición por conseguir subvenciones es posible que el confinamiento magnético le hagan la cama. Ergo…

    1. Dr. Diamond dice “Si estoy equivocado, me gustaría ser corregido.” Estás completamente equivocado, lo siento. NIF se utiliza para estudiar el plasma durante las explosiones de bombas de hidrógeno sin necesidad de hacer pruebas nucleares (que están prohibidas). Pero no permite fabricar una bomba. Tu comentario no tiene ningún sentido.

      1. Pues agradezco que se me corrija, aunque es probable que me explique mal. Quizá aquí se expresen mejor:

        http://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_fusion#Inertially_confined_fusion_and_the_nuclear_weapons_program

        Lo que quiero decir, hablando más breve y mal (o quizá ahora bien), es que entiendo (mal, entiendo ahora) que el confinamiento magnético no tiene ninguna aplicación militar, y el confinamiento inercial sí. Si no entiendo mal, es lo que vienen a decir en el artículo wikipédico.

        Ergo, a la hora de pedir subvenciones, el inercial puede pedirlas por la rama militar, el otro difícilmente. Es la idea que quería decir. Creo que dejé bien claro en la parrafada que un sistema de fusión nuclear no sirve para crear armas, porque las armas mismas siempre serán infinitamente más baratas.

  4. “The scientists have not generated more energy than the experiment uses in total. The lasers unleash nearly two megajoules of energy on their target, the equivalent, roughly, of two standard sticks of dynamite. But only a tiny fraction of this reaches the fuel. Writing in Nature, the scientists say fusion reactions in the fuel released at best 17 kilojoules of energy”.

    http://www.theguardian.com/science/2014/feb/12/nuclear-fusion-breakthrough-green-energy-source

  5. Si alguna vez se logra energía comercial por fusión de tritio y deuterio:
    Cuantas reservas hay de deuterio?
    Cuantos años podremos hacer funcionar la sociedad a deuterio?
    el petroleo es principalmente usado como combustible liquido para el transporte y la química. como hace la fusión nuclear para reemplazar eso, ya que su producto es energía eléctrica?

      1. el tritio para fusion nuclear no se obtiene del agua del los oceanos.
        Dr. Stork indicated that a tritium breeding ratio of about 1.1 was all that was expected of the designs being considered. This implies that for every 10kg of tritium fed in as fuel for the fusion reaction, 11kg of tritium will be recovered from the blanket. The magnitude of the excess tritium available is probably the limiting factor on how fast fusion energy can spread once a prototype commercial fusion reactor has been demonstrated, as discussed below

        1. Antonio no uses artículos de wikipedia, el problema es el tritio, lee el articulo científico del dr Stork
          Tenes algún conocimiento en fusión de nuclear?
          Dr. Derek Stork entitled ‘Scientific and Engineering Challenges of a DEMO Fusion Reactor’

          1. Es obvio que la creación de tritio en un reactor sólo sirve para mantener la cantidad de tritio que necesita, no para abastecer a otros reactores, ya que el único neutrón producido en una fusión modifica un único átomo de litio.

            Pero eso no significa que el tritio sólo se pueda fabricar con los neutrones de la fusión.

            Para fabricar tritio a partir de litio sirven neutrones de cualquier energía; por ejemplo, los de reactores de fisión. En la transición de reactores de fisión a reactores de fusión, los primeros podrían suministrar el combustible que los segundos necesitan para comenzar.

            También se puede fabricar en reactores de fisión a partir de deuterio en vez de litio.

            Aparte, los neutrones necesarios para fabricar tritio no tienen que venir necesariamente de un reactor de fisión, hay otros métodos: http://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_source

            Por supuesto, hay que tener en cuenta el coste pero, dado que sólo se necesita esta fabricación adicional para poner en marcha el reactor de fusión y no para mantenerlo en funcionamiento, y dado que seguramente los procesos de producción se mejoren cuando la existencia de reactores de fusión aumente la presión industrial para mejorar los procesos, no me parece que vaya a ser un gran problema el conseguir tritio.

            Por supuesto, me gustaría leer el artículo, a ver si estoy equivocado.

  6. Una pregunta, cuando dices lafrase: “Por primera vez la energía obtenida en la fusión nuclear supera a la energía consumida para generarla” te refieres a que es la primera vez mediante confinamiento inercial o la primera vez absoluta, es decir que tampco se había conseguido nunca mediante confinamiento magnético. Gracias, saludos y ánimos para continuar.

  7. Como resultado de la fusion, se produce helio, Adonde ira este helio?……a las capas superiores de la atmofera?, no sera peligroso esto?

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