Nuevo hito del NIF hacia la fusión por confinamiento inercial

La fusión por confinamiento inercial inducida por láser en el NIF (National Ignition Facility), EE UU, avanza paso a paso. Aún queda mucho para lograr la ignición de la fusión con Q > 1, generar más energía de la inyectada. Se publica en Physical Review Letters que se ha logrado que el combustible genere más energía de fusión (54 kJ) que energía cinética (~21 kJ) se alcanza en la implosión de la cápsula (hohlraum) de combustible; se estima que en el disparo récord N170827 se ha alcanzado una presión máxima de ∼360 Gbar (36 millones de gigapascales). Te recuerdo que en el NIF 192 láseres inyectan 1.5 MJ durante 7.5 ns en el hohlraum. Siendo 54 kJ un valor 28 veces más pequeño que 1.5 MJ puede parecer un hito menor, pero es más del doble de los 26 kJ que se lograron en 2014. Lo relevante de esta noticia es que NIF sigue avanzando.

Como supongo que ya sabrás, NIF es una instalación científica de 3500 millones de dólares cuyo fin era evitar las pruebas de armamento nuclear. En paralelo al programa militar se inició un programa civil cuyo objetivo es obtener energía mediante fusión. Los 192 láseres inyectan energía sobre una pequeña cápsula cilíndrica (hohlraum) que contiene en su interior una pequeñita esfera con el combustible. El cilindro focaliza la energía láser en la esfera que implosiona provocando la ignición del combustible. Midiendo el flujo de neutrones emitido se estima la energía de fusión producida por el combustible. El gran problema aún no resuelto es cómo minimizar las asimetrías en la implosión, que penalizan mucho la energía que recibe el combustible.

El artículo es S. Le Pape, L. F. Berzak Hopkins, …, O. A. Hurricane, “Fusion Energy Output Greater than the Kinetic Energy of an Imploding Shell at the National Ignition Facility,” Phys. Rev. Lett. 120: 245003 (14 Jun 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.245003; las simulaciones que menciono más abajo son de D. S. Clark, C. R. Weber, …, M. J. Edwards, “Three-dimensional simulations of low foot and high foot implosion experiments on the National Ignition Facility,” Physics of Plasmas 23: 056302 (2016), doi: 10.1063/1.4943527. Más información divulgativa en Edwin Cartlidge, “Giant lasers pass new milestone towards fusion energy,” Physics World, 18 Jun 2018.

En este blog también puedes leer “Gran avance en la fusión por confinamiento inercial en el NIF”, LCMF, 12 Feb 2014; “Nuevo hito en la fusión nuclear”, LCMF, 17 Feb 2014; “Duro varapalo a NIF y la fusión por confinamiento inercial mediante láser”, LCMF, 24 Jun 2016.

El combustible de deuterio-tritio se almacena en una pequeña esfera de 0.91 mm de radio, con una envoltura de 70 μm de carbono de alta densidad (HDC), de los cuales 20 μm (capa verde en la figura) están dopados con un 0.3% de wolframio (también conocido como tungsteno). Esta esfera se encuentra en el interior de una cápsula cilíndrica (hohlraum) con un diámetro de 6.2 mm y una altura de 11.3 mm. El uso de HDC permite usar pulsos láser más cortos (< 9 ns) lo que facilita la simetría durante la implosión (es decir, minimiza las asimetrías).

El factor que limita la eficiencia de la fusión por confinamiento inercial en el NIF es la asimetría durante la implosión de la esfera de combustible. La única manera de explorar de forma experimental la implosión es usar el flujo de neutrones producidos durante la ignición del combustible. Las figuras muestran cierta asimetría del plasma, pero no reflejan lo que indican las simulaciones por ordenador.

Hasta donde me consta, aún no se han publicado simulaciones por ordenador del disparo N170827. Esta figura muestra simulaciones de los disparos N140819 y N120321, que usaban un recubrimiento metálico para la esfera de combustible, en lugar de HDC. Puedes observar la gran asimetría de la implosión (que si hubiera sido perfectamente esférica hubiera logrado la fusión con Q>1).

Entre 2009 y 2012 en el NIF se usaba la técnica llamada low foot, que primero lanzaba pulsos cortos de baja energía para lograr la implosión sin calentar el combustible y luego se finalizaba con un pulso de alta energía para provocar la ignición. Desde 2014 se usa la técnica llamada high foot, que invierte el orden, primero lanzando un pulso de alta energía para que la implosión sea más rápida y luego se finaliza con un pulso más corto. En los nuevos resultados se usa una técnica similar a high foot, pero con un pulso más largo, junto al recubrimiento de HDC para la esfera de combustible.

Estas figuras muestran cómo funciona la técnica low foot según las simulaciones por ordenador para el disparo N140819. Para el disparo N170827 quizás se haya logrado algo más de simetría (por eso se ha duplicado la energía observada mediante neutrones). Me gustaría ver lo que muestran las simulaciones por ordenador de dicho disparo. Habrá que estar al tanto.

En resumen, un nuevo éxito de NIF que nos deja con la miel en los labios. Queda mucho trabajo de investigación para mejorar el diseño de la esfera de combustible y la técnica de disparo para lograr el ansiado objetivo, la ignición con Q>1. Lo más relevante es que se sigue trabajando (que no es moco de pavo, ya que el Gobierno de EE UU se planteó cancelar el programa civil del NIF hacia la energía de fusión tras un informe del DOE en 2016).

17 comentarios

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Víctor Víctor

Hola Francis, esa asimetría, ¿no podría ser mitigada haciendo rotar la cápsula sobre su eje?

Otra cuestión, es que entiendo que en este punto, el experimento trata de averiguar si el confinamiento inercial es -o no- una técnica viable para la fusión. Pero, que de alcanzarse ese Q > 1, me pregunto cómo podría encaminarse la investigación para hacerse industrialmente viable.

Es decir: cómo llevar a una escala órdenes de magnitud superiores el montaje actual, que a pesar de su complejidad y “aparatosidad”, no deja de ser un experimento “piloto”, casi en “miniatura”.

Saludos

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Víctor, la rotación introduce nuevas inestabilidades y asimetrías; por otro lado, NIF se diseñó para lo que se diseñó. Un reactor experimental específico será mucho menos aparatoso. Pero esta tecnología está más retrasada que los tokamak y no permitirá reactores comerciales hasta finales del siglo XXI. Hasta entonces hay tiempo de sobra para diseñar una planta piloto comercial.

sanchal sanchal

Hola, francis, muchas gracias por tu formidable trabajo. Acabo de oir que Granada se convierte en candidata europea para el proximo colisionador, en pugna con Japón. Seguro que entre tus compañeros y sin embargo amigos alguna información te habrá llegado de si los vientos son favorables a la propuesta y los investigadores de la fusión disfrutarán del pescaito frito, o está ya todo vendido y van a comer sushi…

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Sanchal, la decisión aún no está tomada y por ello se requiere el apoyo firme del Gobierno. Parece que hay cierto apoyo, Javier Morales, “El Gobierno estudiará la próxima semana la candidatura al acelerador de partículas de Granada. El ministro de Ciencia, Pedro Duque, ha asegurado que se trata de un proyecto «prioritario»,” Ideal, 14 Jun 2018. En estos temas sobran las palabras «bonitas» y se requiere financiación de los lobbies adecuados.

miguel miguel

Igual con una configuración correcta de disparos se logra logra el Santo Grial, si logran un modelo informático fiable, estoy seguro que habría potencia de computación para probarlo. Junto a los nuevos imanes superconductores que anunció el MIT … Muchas gracias Francis por tenernos informados.

Alvaro Verdion Alvaro Verdion

Entiendo que con todo y con eso, el confinamiento magnético sigue teniendo mejor pinta. ¿no?

fisivi fisivi

El confinamiento inercial me parece muy prometedor, aunque entiendo que los métodos actuales no son ampliables como para producir una energía comparable, por ejemplo, a la de un generador eólico.

Supongo que acabarán desarrollando algún método que concentre y caliente el combustible sin necesidad gran cantidad de láseres potentes apuntando con una precisión cási imposible. Quizá se podría conseguir , me imagino, mediante ondas acústicas en una gran esfera hueca muy perfecta, similar a un fullereno, con gases en su interior.

José Antonio José Antonio

Francis, aunque dices que es pronto…¿te atreves a estimar el año del Q>1?. Confío en tu intuición

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

José Antonio, por ahora todo apunta a que NIF nunca logrará Q>1; tampoco creo que el europeo LMJ (Megajoule Laser facility) que alcanza 1.8 MJ lo logre. En la fusión inercial por láser todo apunta a que habrá que esperar a HiPER, que se debería construir entre 2030 y 2038, logrando Q>1 en los 2040s. Por supuesto, espero estar equivocado y que se logre antes.

Pelau Pelau

Hola, Francis. ¿Hay alguna novedad acerca del proyecto MagLIF de Sandia? En tu entrada 2014/01/02 calificabas la técnica como muy prometedora. ¿Se sabe algo de la Máquina Z desde esas fechas hasta hoy? ¿La actualizaron, están en eso… algo, aunque más no sea un rumor?

Saludos.

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Pelau, la técnica MagLIF (magnetized liner inertial fusion) es muy prometedora. Hay varios proyectos que proponen usar MagLIF, uno de ellos en la máquina Z de Sandia. No hay ninguna noticia relevante al respecto. Cuatro años es muy, pero muy poco tiempo. Se sigue trabajando en pequeños detalles; aún les quedan muchas décadas de trabajo.

carolina gomez carolina gomez

Hola Francis

Con los simuladores cuanticos de aca a unas decadas se podra simular la fusion nuclear para poder acelerar la llegada del reactor de fusion comercial?
Y otra pregunta
Cual seria la gran ventaja de la fusion nuclear en 2050 y mas alla, comparada con gas y carbon sin co2 y energias renovables con capacidad de almacenamiento masivo barato? La potencia, el precio? no entiendo

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

No lo creo, Carolina. Los efectos cuánticos en la magnetohidrodinámica son poco relevantes. ¿La gran ventaja? La misma que la energía nuclear de fisión, pero sin residuos de larga vida, ni peligro de uso para armamento.

Horacio G. Horacio G.

Alguien conoce ¿ cuál es el porcentaje de tiempo dedicado a experimentos militares vs civil en dicha instalación ?

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