Nuevos récords en energía de fusión por confinamiento inercial en NIF y magnético en JET

Por Francisco R. Villatoro, el 11 febrero, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 23

El camino hacia el éxito del tokamak ITER (aún en construcción) está decorado de récords de otros reactores de fusión experimentales que son más pequeños y menos ambiciosos. El pasado 21 de diciembre de 2021, el tokamak británico JET (Joint European Torus) produjo 59 megajulios de energía estimada durante 5 segundos, con un valor de Q = 0.33, es decir, produjo un tercio de la energía consumida; recuerda que hace ya 24 años produjo 21.7 megajulios durante 4 segundos con Q = 0.67. La competencia de la fusión por confinamiento magnético es la que usa el confinamiento inercial; también ha logrado un récord la instalación estadounidense NIF (National Ignition Facility), el pasado 8 de agosto de 2021 produjo una energía estimada de 1.35 MJ durante unos 4 nanosegundos con un valor de Q = 0.71. Nota que el objetivo de ITER es alcanzar Q = 10 durante más de 10 minutos (hito que se espera que logre circa 2040); la tecnología de ITER está inspirada en la de JET y el nuevo hito de JET no deja ninguna duda de que ITER logrará su objetivo con creces.

No se ha publicado ningún artículo científico con los detalles del hito de JET, sin embargo, los detalles del hito de NIF se publicaron en dos artículos el 26 de enero de 2022 en Nature y Nature Physics. Ambos estudian la fusión deuterio-tritio, D + T → α (3.5 MeV) + n (14 MeV), es decir, el deuterio 2H y el tritio 3H se fusionan produciendo una partícula alfa 4He y un neutrón 1n, produciendo una energía total de 17.5 MeV. Como NIF necesita eco mediático, en lugar de concentrar su hito en el Q = 0.71 y en la energía del neutrón (la que sería aprovechable), se decidió poner el foco mediático en la energía de la partícula alfa, que debería cumplir Qα = Q/5. El objetivo de ITER es lograr un Qα = 2 (Q = 10), mientras JET solo logró un Qα  = 0.13 (Q = 0.67). ¿Por qué una campaña de promoción basada en un cambio de unidades trivial? Porque NIF ha logrado en 2021 un Qα = 1.34 ± 0.07; aunque no ha logrado Q > 1, pues se estima a partir de las simulaciones numéricas que solo ha alcanzado un Q ≈ 0.7. ¿Cómo es posible si en un tokamak un valor Qα > 1 implica Q > 1? Pues por eso, porque NIF no es un tokamak y no cumple dicha condición cuando se estima Qα usando el llamado criterio Hurricane. NIF prometió Q > 1 circa 2010 y luego circa 2020; su financiación peligra y por ello necesita una buena campaña de promoción. Promocionar que ha logrado Qα  > 1 le viene muy bien para seguir recabando financiación (recuerda que NIF la tiene garantizada para su programa militar, pero para su programa civil siempre la tiene en la cuerda floja).

Los dos ensayos más exitosos de NIF en 2021 son N210207 con Qα = 1.4–1.6, con una energía adquirida (α-heating) en las partículas alfa de Eα ≈ 33 kJ, y N210220 con Qα ≈ 1.3–2.0, con Eα ≈ 31 kJ (nota que con JET se habla de MJ de energía, pero con NIF solo de kJ). Lograr Qα > 1 se ha llamado alcanzar el «quemado del plasma» (burning plasma); así que NIF ha logrado el quemado del plasma, pero no ha logrado la ignición de la fusión, que exige Q > 1. ¿Logrará NIF la ignición en la década de los 2020? Todos lo deseamos (aunque su logro se limite a unos nanosegundos), pero a mi pesar yo tengo serias dudas. El artículo es A. B. Zylstra, O. A. Hurricane, …, G. B. Zimmerman, «Burning plasma achieved in inertial fusion,» Nature 601: 542-548 (26 Jan 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04281-w; A. L. Kritcher, C. V. Young, …, G. B. Zimmerman, «Design of inertial fusion implosions reaching the burning plasma regime,» Nature Physics (26 Jan 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-021-01485-9. Más información divulgativa en Nigel Woolsey, «Self-heating plasmas offer hope for energy from fusion,» Nature 601: 514-515 (26 Jan 2022), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00124-4; Daniel Clery, «With explosive new result, laser-powered fusion effort nears ‘ignition’. National Ignition Facility’s latest fusion shot records a major jump in energy yield,» News, Science (17 Aug 2021), doi: https://doi.org/10.1126/science.abl9769.

Sobre el hito de JET recomiendo Elizabeth Gibney, «Nuclear-fusion reactor smashes energy record,» News, Nature (09 Feb 2022), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00391-1; doi: Daniel Clery, «European fusion reactor sets record for sustained energy,» News, Science (09 Feb 2022), doi: https://doi.org/10.1126/science.ada1098.

En este blog me he hecho eco de los progresos de NIF en «Gran avance en la fusión por confinamiento inercial mediante láser en el NIF,» LCMF, 09 oct 2013; «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; «El láser del NIF comprime un diamante hasta cinco terapascales», LCMF, 16 jul 2014; «Nuevo hito del NIF hacia la fusión por confinamiento inercial», LCMF, 20 jun 2018; entre otras.

El NIF se encuentra en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California. Usa 192 rayos láser que inciden con una energía de 1.9 MJ en una cápsula cilíndrica (hohlraum) donde se reflejan en sus paredes interiores y se convierten en rayos X que inciden sobre una pequeña cápsula esférica con deuterio y tritio. Una técnica indirecta que provoca la implosión de la cápsula y el inicio de la reacción de fusión DT. Uno de los grandes avances de los últimos 20 años ha sido el diseño del hohlraum y de la cápsula, así como los detalles del método de inyección de energía láser.

En el artículo publicado en Nature Physics se presentan dos diseños para el hohlraum llamados tipo HYBRID-E (a la izquierda en la figura) y tipo I-Raum (a la derecha en la figura). El diseño más sencillo, HYBRID-E, corresponde a un «cilindro» con una longitud de 11.24 mm y un diámetro de 6.30 mm, con sus tapaderas abiertas con sendos agujeros de 3.64 mm de diámetro; el tamaño se suele comparar con el de un céntimo de euro, que como sabes tiene un diámetro de 16.25 mm. La esfera con el combustible (el ablator) tiene un diámetro de 2.26 mm; su superficie es de diamante (en rigor, carbono de alta densidad, HDC), con un grosor de 78 μm; el combustible tiene forma de esfera hueca, con una capa sólida de hielo de deuterio-tritio (DT) con un grosor de 65 μm, y un hueco central relleno de vapor de DT con un radio de 0.985 mm. El diseño más complicado, I-Raum, es «cilindro corrugado» con una longitud de 11.34 mm y un «diámetro» de 6.20 mm. El ablator es una esfera con 2.17 mm de diámetro; con HDC), con 83 μm de HDC, 55 μm de hielo de DT, y un hueco central con vapor de DT de 0.945 mm de radio.

El diseño del hohlraum es clave en la fusión por confinamiento inercial mediante láser. Sus detalles son resultado de gran número de simulaciones por ordenador de lo que supone que pasa en el interior del hohlraum durante la inyección de los pulsos láser, ya que no se pueden realizar medidas directas. Por cierto, como puedes imaginar, el hohlraum es destruido en cada experimento (que dura menos de diez nanosegundos). Para un futuro reactor de fusión comercial que produzca energía de forma continua habría que reemplazar el hohlraum varias veces durante cada segundo, algo que nadie sabe cómo se puede hacer. Desde el punto de vista de la fabricación del combustible (hohlraum y ablator), la fusión en el NIF es mucho más complicada que en JET o ITER, donde basta inyectar el combustible en fase gaseosa.

Se ha usado el hohlraum de tipo I-Raum en los experimentos N210220 y N201122, y el de tipo HYBRID-E en los experimentos N210207, N210307 y N201101. Los experimentos que han logrado la mayor producción de energía (y el «quemado del plasma») son N210220 (I-Raum) y N210207 (HYBRID-E). Por cierto, la notación de los experimentos es muy obvia, pero por si acaso aclaro que alude a la fecha del experimento en el NIF: N<año><mes><día>, así N210207 es un experimento realizado el 7 de febrero de 2021.

NIF usa la técnica de inyección indirecta (la inyección directa se abandonó hace una década) pues logra una distribución más uniforme del baño de rayos de X que incide sobre el ablator. Se estima que el 10–15 % de los rayos X ionizan el HDC, que explosiona (la llamada ablación, o expansión hacia afuera); por conservación del momento lineal, la capa de hielo de DT implosiona sometida a una presión de cientos de megabares (1 Mbar = 1011 Pa), que la acelera a unos 1014 m/s2, alcanzando velocidades de 350–400 km/s durante pocos nanosegundos. El proceso de ablación consume entre el 92–95 % de la energía de los rayos X, por lo que el combustible DT alcanza una (enorme) energía cinética de entre 10–20 kJ. El máximo de la presión sobre el combustible se estima en cientos de gigabares (1 Gbar = 1014 Pa). La masa de combustible DT usado es de unos 200 μg, aunque solo 20–30 μg son los responsables de la energía producida en la fusión. El plasma formado por iones y electrones alcanza un estado próximo al equilibrio térmico con una temperatura estimada de Ti ≈ Te ≈ 4–5 keV, donde 1 keV = 1.16 × 107 K (por tanto el plasma se encontrará entre 46 y 50 millones de kelvin).

Me gustaría destacar que la energía producida en la fusión, así como los parámetros pico del plasma DT en implosión, no se pueden medir en el experimento; se estiman a partir de medidas indirectas apoyadas por simulaciones en supercomputadores. Así en el centro del plasma se estima que se cumple el criterio del producto triple de Lawson (1957), que garantiza la ignición de la fusión; el producto triple que se usa en el confinamiento inercial en el NIF es P (⟨σν⟩/T2) τ, donde P es la presión, T es la temperatura, τ es el tiempo de confinamiento y ⟨σν⟩ es la reactividad termonuclear (que depende de la temperatura). Según las simulaciones por ordenador se estima ⟨σv⟩ ≈ 4.2×10−20 Ti3.6 (en unidades de cm3/s para una temperatura de los iones entre 3.5 < Ti < 6.5 keV. Sin entrar en más detalles, con este criterio se afirma que los experimentos N210207 y N210220 han logrado la producción de energía por fusión (el «quemado del plasma»), algo que también podrían haber logrado los experimentos N201101 y N201122 (la notación  N<año><mes><día> alude a la fecha del experimento en el NIF).

Como todo el mundo está interesado en saber lo lejos que se ha llegado respecto a la ignición, creo que conviene presentar esta figura con el rendimiento Yamp (amplification yield) respecto al umbral de ignición inferido en los experimentos ITFX (ignition threshold factor experimentally inferred). El rendimiento de una masa m de DT durante el tiempo de confinamiento τ está dado por Y ≈ 5 m Pα τ, donde Pα = 8.2 × 1024 ρσν⟩ GJ/g/s es la potencia específica de fusión para una masa de DT con densidad ρ y una reactividad termonuclear ⟨σν⟩. Como muestra la figura se ha alcanzado un rendimiento Yamp < 6, cuando la ignición se estima que requiere Yamp > 20. Luego falta un factor de tres, que parece poco; ¿cuánto tiempo falta para lograrlo? Que yo sepa nadie lo sabe; pero como curiosidad me gustaría destacar que el punto marcado con «High Foot» con Yamp ≈ 1 hace referencia a los experimentos realizados en 2013; una extrapolación naif nos podría hacer pensar que la ignición está a menos de una década.

Como ya he comentado, me gustaría que NIF lograra la ignición en la década de los 2020, pero tengo serias dudas; falta mucho camino por recorrer y, en rigor, no sabemos si Yamp = 20 será suficiente. Aún así, si NIF lo lograse antes de 2037 se adelantaría a ITER. Pero que nadie se equivoque, esto no implicaría que el confinamiento inercial fuera una tecnología de fusión más prometedora hacia los reactores de fusión comerciales. La tecnología del confinamiento magnético en tokamaks seguiría siendo mucho más madura de cara a la fusión comercial; hacia un futuro «Sol en la Tierra» que use agua del océano como combustible.



23 Comentarios

  1. Francis tengo 3 preguntas
    1. Es cierto que el Q del plasma para iter será 10 pero el Q total será menor? como dice
    https://www.youtube.com/watch?v=LJ4W1g-6JiY&t=602s&ab_channel=SabineHossenfelder
    2. No entiendo como es posible que el Q sea mayor a 1 si no se puede crear energía debido a la ley de conservación de la energía? Como es que se crea mas energía ?
    3. Se podra con los reactores de fusion nuclear tener energia a menor precio que la actual?

    1. Te respondo a la 2: Q sólo indica el ratio entre energía consumida por la máquina y la entregada. Así pues la termodinámica nos dice que es imposible Q > 1. Sin embargo la máquina no transforma energía: convierte masa en energía, por lo que la energía «extra» que nos da Q > 1 proviene del «combustible quemado».

    2. Como te dice Fernando, esta máquina no es un transformador de energía. El núcleo de deuterio más el núcleo de tritio tienen MÁS masa que el núcleo de helio en el que se fusionan. Francis te lo dice en el artículo. La reacción de fusión de ambos nucleótidos da un núcleo de helio MÁS un neutrón que sale disparado con un momento (M.v). La energía de la reacción es:
      «…Ambos estudian la fusión deuterio-tritio, D + T → α (3.5 MeV) + n (14 MeV), es decir, el deuterio 2H y el tritio 3H se fusionan produciendo una partícula alfa 4He y un neutrón 1n, produciendo una energía total de 17.5 MeV. …»
      Estamos sacando energía de la estructura atómica, de la estructura del átomo:

      https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg

      Esta curva te da la energía de ligadura de los átomos (núcleos) en relación a su masa atómica; del máximo de la curva para la izquierda es la fusión, del máximo a la derecha la fisión. A la izquierda sacas energía de fusionar núcleos y a la derecha de partirlos.
      Es una propiedad de la estructura atómica, del átomo No es una reacción materia-antimateria donde solo queda energía de radiación en base a E=mc2. Estamos sacando energía de refilón…del átomo (núcleo).

      En cuanto al punto 3, Todo lo que estás viendo, los del confinamiento inercial (NIF), los de confinamiento magnético, el ITER, solo son demostradores de tecnología, están construidos como base de demostración de que la tecnología implicada es capaz de conseguir una fusión en la Tierra sin necesidad de la gravedad de una estrella, es decir, si no ponemos presión (gravedad), ponemos temperatura. Por eso nuestros fusionadores en Tierra necesitan 150 – 200 millones de Kelvin en vez de los 10 millones del sol para superar la fuerza nuclear fuerte que aglomera los núcleos. Si ITER o/y NIF son un éxito entonces vendrán los DEMO (en el caso de ITER) que ya serán demostradores capaces de funcionar en modo industrial, vertiendo MW de electricidad en la red eléctrica convencional.
      20 años más (llevo leyendo esta frase 30 años…). Es muy complicado, el resultado puede ser brutal energéticamente.

      1. Inor, gracias por contestar, pero no es correcto que «estamos sacando energía de la estructura atómica, de la estructura del átomo», lo correcto es que «estamos sacando energía de la estructura del núcleo atómico, de la estructura del núcleo». La energía de los productos (partícula alfa y neutrón) proviene de la energía de ligadura de los nucleones (protones y neutrones), dicha energía de ligadura se suele llamar defecto de masa porque se puede estimar a partir de la diferencia de masas entre un núcleo de helio y la suma de las masas de los núcleos de deuterio y tritio.

        Por otro lado, en relación a tu comentario «20 años más (llevo leyendo esta frase 30 años…)», te comento que la hoja de ruta del confinamiento magnético a día de hoy es ITER, IFMIF, DEMO, y PROTO. No se sabe cuándo se iniciará la construcción de DEMO, ni de PROTO; la fusión comercial requiere el éxito de PROTO.

        ITER cumplirá su objetivo circa 2040. Para entonces IFMIF, aún no iniciado, también debería haber cumplido su objetivo. La construcción de DEMO se debería iniciar circa 2040 y debería cumplir su objetivo circa 2060. PROTO debería iniciar su construcción circa 2055 y cumplir su objetivo circa 2070. Así la fusión comercial estaría a menos de 50 años vista.

        Por supuesto, todo esto se puede acelerar si la crisis energética así lo requiere. Mi esperanza (y mi opinión) es que se acelerará la construcción de DEMO y PROTO, que incluso podrían llegar a combinarse en un único proyecto. Así, en mi opinión, la fusión comercial estaría a unos 40 años vista.

        En este blog nunca leerás que la fusión esté a 20 años vista.

        1. ¿Es posible, Francis, que en una tertulia de Coffe Break comentaras que con unos 1000 millones de euros puestos sobe la mesa esto pegaría un salto brutal pues muchas de las soluciones se tienen más o menos claras y lo único que falta es pasta? A lo mejor lo he soñado, pero me suena un montón…

          1. Pedro, mil millones es muy poco dinero (el CERN tiene un presupuesto anual de más de mil cien millones de euros y el avión de combate más caro ronda los mil cuatrocientos millones de euros); lo que comenté (no recuerdo cuándo) es la llamada ruta ultrarrápida (ultra fast track) hacia la fusión comercial, que va en la línea de mi pieza de 2012 en Naukas: «Hacia un reactor de fusión comercial en 2030», https://naukas.com/2012/06/11/hacia-un-reactor-de-fusion-comercial-en-2030/. Por cierto, era mi respuesta a la pregunta «¿en qué proyecto científico gastaríais cien mil millones de euros?» Si hoy en día esta se activara esta vía ultrrápida nos llevaría a la fusión comercial en 2050 (en 2012 se apuntaba a 2040).

    3. María Paz, supongo que sabes que existen reacciones químicas exotérmicas; ¿violan la conservación de la energía, como sugieres en (2)? La fusión nuclear usa una reacción nuclear exotérmica. En cuanto a (1), ITER no generará energía eléctrica (la crítica de Hossenfelder), pues no es su objetivo. (3) El precio de la electricidad está dominado por el precio del combustible; los futuros reactores de fusión comerciales usarán agua como combustible primario; ¿será el precio del agua menor que el precio actual de los combustibles que usamos?

  2. Una curiosidad. Una vez que se «quema» el combustible, la energía hay que transformarla en energía eléctrica para ser aprovechable.

    ¿Cómo se transforma esa energía en energía eléctrica y con que rendimiento?

    ¿La cantidad de energía producida que aparece mencionada es energía en bruto o energía eléctrica ya transformada? Porque si es en bruto, todavía falta mucho más para que de más energía que la aportada.

    1. Alex, NIF no pretende (ni puede) generar electricidad. La energía es estimada a partir de la comparación entre simulaciones por ordenador y los observables experimentales. De hecho, como he comentado varias veces en este blog, nadie sabe cómo generar electricidad a partir de un reactor por confinamiento inercial vía láser como NIF.

  3. Cómo puede considerarse un hito alcanzar un Q de 0.33 durante 5 segundos si hace ya 24 años ya produjo 21.7 megajulios durante 4 segundos con un Q = 0.67?

    ¿Qué hace un hito de este último resultado?

    1. Buena pregunta, Dora, todo es cuestión de qué se entiende por «hito» («acontecimiento puntual y significativo que marca un momento importante en el desarrollo de un proceso»). En esta pieza considero un hito lograr un nuevo récord en energía. El nuevo JET (que podríamos llamar JET 2) es resultado de una reparación y mejora iniciada en 2009, que permitió continuar haciendo experimentos a partir de 2011; desde 2014 JET ha logrado unos 600 millones de euros de financiación para seguir realizando experimentos hasta 2024. Hasta el inicio de los experimentos en ITER, los más optimistas apuntan a 2025, los pesimistas a 2027, habrá pocos hitos en fusión por confinamiento magnético que no provengan de JET.

  4. Francis
    Las computadoras cuanticas los simuladores cuanticos, podrian ayudar a simular los problemas de la fusion nuclear? para acelerar la llegada de reactores comerciales?
    Deep mind ayudo, podra solucionar las redes neuronales ese problema?

    1. Mariana, los ordenadores cuánticos sirven para resolver problemas cuánticos; no hay problemas cuánticos relevantes en la energía de fusión nuclear. Por ello, los avances en ordenadores cuánticos no tendrán ningún impacto en la hoja de ruta hacia la fusión comercial. Recuerda, no hay ningún problema clásico que requiera un ordenador cuántico para su solución o que se beneficie de la existencia de un ordenador cuántico concebible en este siglo; la fusión nuclear requiere avances en los superordenadores clásicos para resolver las ecuaciones de la magnetohidrodinámica que describen el plasma en el reactor.

      Por otro lado, el aprendizaje profundo es la técnica de control «inteligente» preferida en muchas aplicaciones en la industria (hoy en día); se ha propuesto el control de la estabilidad del plasma en tiempo real usando esta técnica (DeepMind ya publicó un prototipo; «Accelerating fusion science through learned plasma control,» DeepMind, 16 Feb 2022). Sin a lugar a dudas, estas técnicas se usarán en los futuros reactores de fusión comerciales (en una época en la que usarán para todo, desde la automoción autónoma, hasta los programas de lavado de las lavadoras). ¿Estas técnicas acelerarán la ruta hacia la fusión comercial? No lo creo, pero quién sabe a día de hoy.

  5. «El NIF…Usa 192 rayos láser que inciden con una energía de 1.9 MJ»
    ¿Se podría conseguir lo mismo con miles (no sé cuántos) de láseres menos potentes pero muchísimo más baratos, por ejemplo los láser de LED que se fabrican a escala industrial?

      1. Francis, en las estrellas para generar fusión se puede decir que existen dos fuerzas que participan? . La gravedad que confina el hidrógeno y cuando los protones y neutrones se aproximan lo suficiente actúa la interacción fuerte venciendo la fuerza electrostática de repulsión entre nucleones propiciando la formación de helio . En tal caso los átomos masivos cuando se fisionan liberan la energía que los fusionó? Es decir una energía externa y otra proveniente de los mismos nucleones, la de ligadura mediada por los piones que se intercambian entre ellos ?

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