NIF supera el criterio de Lawson para la ignición, pero con una ganancia energética de Q = 0.72

Por Francisco R. Villatoro, el 13 agosto, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 9

Ya te lo conté cuando se anunció en Nature (LCMF, 11 feb 2022), aunque no había artículo científico con los detalles; ahora se acaba de publicar en Physical Review Letters. El experimento N210808 (NIF 08 Aug 2021) logró superar el criterio generalizado de Lawson (GLC), siendo el primero y, por ahora, el único en lograrlo (LCMF, 26 jul 2022). El criterio del producto triple de Lawson afirma que para la ignición de la fusión es necesario que cierto producto normalizado de la densidad, tiempo de confinamiento y temperatura del plasma superen la unidad (LC > 1); hay varias versiones del criterio, usándose en NIF el criterio de Lawson generalizado de Lindl et al. (GLCL > 1) y el de Hurricane et al. (GLCH > 1). Se estima que N210808 logró un GLCL > 1 con un 99.6 % C.L. (nivel de confianza estadística) y un GLCH > 1 con un 100 % C.L.; así, NIF ha superado uno de los santos griales de la fusión. Por desgracia, solo se ha logrado una ganancia energética de Q = 0.72 (la cápsula de combustible produjo una energía de 1.37 MJ (megajulios) cuando los láseres inyectaron 1.92 MJ en el hohlraum); por ello, el otro santo grial de la fusión (Q > 1) aún no ha sido logrado por NIF.

John Lawson publicó su criterio en 1955 en un documento clasificado como de alto secreto, pero que fue desclasificado en 1957. Para un plasma ideal la ignición de la fusión requiere que el producto de la densidad (n), temperatura (T) y tiempo de confinamiento (τ) del plasma supere n⋅T⋅τ > 10²⁵ eV⋅s⋅m⁻³, criterio que se normaliza a LC > 1; para un plasma en equilibrio de iones y electrones una temperatura de 1 eV (electrónvoltio) equivale a una temperatura de 11.6 × 10³ K. En la fusión D+T (deuterio-tritio) se usa la reacción D + T → n (14.1 MeV) + ⁴He (3.5 MeV), que requiere una temperatura mínima de ≈ 4.3 keV, la menor entre todas las reacciones de fusión; en los reactores de fusión que buscan una ganancia energética Q > 1 se intenta alcanzar al menos 10 keV, o sea, unos cien millones de grados. Por cierto, en el campo de la fusión inercial por láser se suele llamar G al factor de ganancia energética Q y se suelen usar diferentes versiones. El equivalente a Q > 1 es Gtarget > 1 (ganancia energética entre la energía inyectada en el hohlraum y la producida por la ignición de la fusión); el experimento N210808 ha logrado Gtarget ∼ 0.72, valor a comparar con el mayor hasta entonces obtenido por N210207 que fue Gtarget ∼ 0.09 (la diferencia es enorme y quizás ahí están las dificultades en replicar el hito que te conté en LCMF, 26 jul 2022). También se usa la ganancia energética en el combustible Gfuel y en la cápsula de combustible Gcap (la pequeña esfera encerrada en el hohlraum); por concretar, N210808 ha logrado Gcap ∼ 5.8 (y muchos experimentos previos de NIF han logrado Gfuel > 1).

La colaboración de NIF ha publicado tres artículos sobre su hito: Indirect Drive ICF Collaboration, «Lawson Criterion for Ignition Exceeded in an Inertial Fusion Experiment,» Phys. Rev. Lett. 129: 075001 (08 Aug 2022 ), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.075001; A. L. Kritcher et al., «Design of an inertial fusion experiment exceeding the Lawson criterion for ignition,» Phys. Rev. E 106: 025201 (08 Aug 2022), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.106.025201, y A. B. Zylstra et al., «Experimental achievement and signatures of ignition at the National Ignition Facility,» Phys. Rev. E 106: 025202 (08 Aug 2022), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.106.025202; más información divulgativa en Matthew Zepf, «Fusion Turns Up the Heat,» APS Physics 15: 67, 08 Aug 2022.

En el NIF (National Ignition Facility) se usa un método indirecto (Indirect Drive) para que los 1.92 MJ de energía de los 192 láseres logren la implosión de la cápsula esférica de combustible (deuterio y tritio); los láseres inciden sobre un cilindro (llamado hohlraum) a través de dos agujeros en sus laterales, reflejándose en las paredes interiores del cilindro para hacer incidir rayos X sobre la cápsula provocando su implosión. Los primeros experimentos de NIF se iniciaron en junio de 2011; desde entonces se han probado muchos diseños para el pulso láser y para el diseño del hohlraum con objeto de lograr una implosión más simétrica de la cápsula y con ello minimizar las inestabilidades hidrodinámicas del plasma. Esta figura ilustra el diseño de hohlraum (fabricado en uranio revestido de oro con una longitud de ∼2 cm) y la cápsula de deuterio-tritio con un diámetro de ∼2 mm. También se muestra el diseño del pulso láser (curva azul), llamado three-shock “high-foot” porque produce tres ondas de choque en la radiación que incide sobre la cápsula (curva roja) que alcanza un pico de ∼300 eV.

Estas tablas resumen los tres experimentos que se discuten en los nuevos artículos de NIF, llamados N210207 (7 de febrero), N210707 (7 de julio) y N210808 (8 de agosto). Se incluyen los parámetros del pulso láser, así como la estimación de los parámetros que permiten calcular GLC y G. Un punto que me gustaría destacar es que estos parámetros se estiman a partir de la emisión de rayos X, neutrones y partículas alfa durante el experimento; no hay medidas directas de ninguno de los parámetros. Por ello no se sabe qué características específicas del experimento N210808 fueron las responsables de la superación del criterio de Lawson.

Hasta ahora todos los intentos de repetir el experimento N210808 han conducido a una producción energética entre 1/3 y 1/2 de los 1.3 MJ de N210808 (ya lo comenté en LCMF, 26 jul 2022). Se está trabajando intensamente para intentar desvelar qué tuvo de especial este experimento usando simulaciones por ordenador.

Se están desarrollando simulaciones por ordenador de lo que ocurre en el interior del hohlraum y de la cápsula. En estas simulaciones se observa la estructura de las ondas de choque en interacción mutua que provocan la implosión (parte derecha de esta figura). Estas interacciones entre choques son fuertemente no lineales con lo que pueden depender de detalles sutiles en la fabricación de la cápsula y del pulso láser. El problema es que las inestabilidades hidrodinámicas son siempre muy difíciles de controlar. A pesar de ello hay que tener cierta esperanza; cuando se ve el progreso de los experimentos en el NIF desde 2011 hasta la actualidad se observa una progresión clara. El problema es seguir recabando financiación, lograr convencer a los políticos de que hay que seguir gastando en esta investigación básica. Nadie puede garantizar nuevos éxitos de NIF, pero la esperanza es que algún día se logre Q > 1, hito que supondrá el gran acicate para la construcción de nuevas instalaciones láser para el estudio de la ruta de la fusión inercial hacia la energía de fusión comercial.



9 Comentarios

    1. Miguel, el programa MagLIF de la Máquina Z (Sandia’s Z Pulsed Power Facility) continúa activo (me consta que hasta 2030 tiene financiación). Si te interesa el estado actual te recomiendo D.A. Yager-Elorriaga et al.,»An overview of magneto-inertial fusion on the Z machine at Sandia National Laboratories,» Nuclear Fusion 62: 042015 (07 Feb 2022), doi: https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac2dbe. Durante la década de los 2030 se pretende ir más allá con la Next Generation Pulsed Power facility (que alcanzará ~100 MJ, en lugar de los ~20 MJ de la Máquina Z).

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