Sobre la ignición de la fusión en NIF anunciada a bombo y platillo

Por Francisco R. Villatoro, el 13 diciembre, 2022. Categoría(s): Ciencia • Noticias • Science ✎ 58

Hoy se ha anunciado a bombo y platillo un gran hito en energía de fusión, la primera ignición con exceso de energía de NIF (National Ignition Facility) en el LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory), California (EEUU). El pasado 5 de diciembre sus 192 láseres inyectaron una energía de 2.05 megajulios en el hohlraum que contiene la cápsula de combustible, produciendo 3.15 megajulios y logrando Q = 1.54 durante unos pocos nanosegundos. Todo un hito esperado desde hace dieciséis años, pero que debemos poner en contexto. Lo primero, en NIF se llama Q al cociente entre la energía producida por el combustible (una pequeña esfera con deuterio y tritio) y la energía inyectada por los láseres; sin embargo, se requieren entre 300 y 400 megajulios [según Nature son 322 megajulios] de energía de la red eléctrica para generar los pulsos láser, con lo que en rigor solo ha logrado un Q ~ 0.01, muy lejos del Q = 0.7 del tokamak británico JET. Lo segundo, nadie sabe cómo generar electricidad en instalaciones de fusión pulsada como NIF, mientras que en los tokamaks está muy claro como hacerlo. Y lo tercero, tengo serias dudas sobre cómo se ha estimado la energía producida mediante tomografía de rayos X; en la rueda de prensa se ha dicho que se solicitó a un equipo externo de expertos una revisión por pares de la estimación, lo que sugiere que ellos mismos tenían dudas al respecto. Aún así el nuevo resultado pasará a los libros de historia de la energía de fusión.

Ahora mismo nadie sabe cómo se ha logrado este nuevo hito. Más abajo me atrevo a conjeturar dos posibilidades. Por ahora solo tenemos la rueda de prensa en YouTube (https://youtu.be/Eke5PawU7rE) donde no se ofrece ningún tipo de información técnica. Así que te recomiendo leer mis breves comentarios en la pieza de Antonio Martínez Ron, «Cuatro motivos para tomarse el anuncio de la energía de fusión con más calma», Next, Voz Pópuli, 13 dic 2022. Y también las piezas de Geoff Brumfiel, «U.S. reaches a fusion power milestone. Will it be enough to save the planet?» NPR, 13 Dec 2022; Jeff Tollefson, Elizabeth Gibney, «Nuclear-fusion lab achieves ‘ignition’: what does it mean?» News, Nature, 13 Dec 2022; «With historic explosion, a long sought fusion breakthrough,» News, Science, 13 Dec 2022; entre otras. [PS 14 dic 2022] También recomiendo leer a Iván Rivera, «¿Está la fusión nuclear comercial a la vuelta de la esquina?», Naukas, 14 dic 2022. [/PS]

No se sabe cómo se ha logrado este éxito; no se ha publicado ningún artículo, ni ningún informe técnico con los detalles de la medida. Ahora mismo solo se pueden conjeturar algunas cosas a partir de las últimas publicaciones de NIF. Por un lado, sugieren que se ha usado un hohlraum más pequeño (fuente). Lo habitual era usar uno cilíndrico de 6.4 mm diámetro con agujeros de entrada para los láseres de 3.1 mm de diámetro, pero las pruebas este año han usado uno de 6.2 mm con agujeros de 2.7 mm; al ser más pequeño se reducen las pérdidas de energía, se incrementa en ~6 % la energía en rayos X que recibe la esfera de combustible y se logra una implosión más simétrica y más eficiente.

También creo razonable conjeturar que se ha usado la técnica de doble choque (double shock) para lograr la ignición (fuente). En lugar de inyectar un único pulso con los 192 láseres, se inyectan dos pulsos, el primero más largo, de menor energía y frecuencia triple (3ω) usando 128 láseres y el segundo más corto, de mayor energía y a frecuencia doble (2ω) con los 64 láseres restantes. La relación energía/potencia del pico «azul» 3ω es de ~2MJ/500TW mientras que la del pico «verde» 2ω es de ~2.5MJ/850TW. Según las simulaciones magnetohidrodinámicas esta configuración permite una producción de energía unas cuatro veces superior a la técnica convencional que usa un solo choque (en las simulaciones una producción con un choque simple de 1.3 MJ, el anterior récord de NIF, pasa con un choque doble a 5.3 MJ). Como se ha logrado 3.15 MJ me parece razonable que se haya usado esta técnica.

Por supuesto esto son solo dos conjeturas mías que quizás sean completamente erróneas. Pero lo que parece claro es que el nuevo éxito tiene su origen en grandes cambios respecto a lo que se estaba probando a principios de este año.



58 Comentarios

    1. No se «genera» energía, se transforma la energia «almacenada» en forma de materia (E=mc2) fusionando átomos de Hidrógeno.
      Como la bomba de Hidrógeno, vaya.

      1. Nadie parece haber comentado como queda en este caso el tema de como disponer de los restos de radioactividad de las nuevas plantas nucleares . Producir más energía no es lo importante; hacerlo con seguridad si que lo es.

        1. En la fusión nuclear se obtiene de producto helio, por lo que no hay restos de radioactividad. Solo emisión de neutrones por la fusión de isótopos de hidrógeno. La energía y los productos de las estrellas.

          1. Perdón, perooo… en la fusión Deuterio-Tritio… ya nada más de entrada arrancamos con material radioactivo… el Tritio.

            Y luego… da la terrible casualidad que el 80% de la energía liberada en la reacción Deuterio-Tritio va en esa (¡ejem!) «solo emisión de neutrones»… que no solamente es en sí misma radiación hermosa, sino que además ocasiona esto…

            https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_activation#Effects_on_materials_over_time

            O sea que hay «restos de radioactividad»… bastante menos peligrosos que los desechos de los reactores de fisión, eso sí.

          2. «No hay restos de radioactividad, sólo emisión de neutrones.» Que es como decir que no viene un tsunami, sólo un maremoto.
            ¿Qué hacen los neutrones hiperacelerados de la fusión deuterio-tritio? Ser absorbidos por los átomos de los materiales alrededor y convertirlos en isótopos inestables. Es decir, radiactivos.

          3. Es una falacia lo de que la fusion no produce residuos radiactivos. Si se llega a la explotación comercial, se produciran residuos radiactivos por activacion neutronica y otros procesos, cierto que en cantidafes muchisimo menores que en la fisión. No es bueno engañar a la opinion pública. Seamos precisos y realistas por el bien de todos.

        2. Porque el residuo principal es helio, que puede ser reutilizado para muchísimos fines comerciales y algo de litio o tritio que tienen solamente décadas de descomposición frente al combustible de fisión actual

    2. Hola Mariana.
      La energía «de más», sale de la transformación de una parte de la masa de la fusión de los átomos de deuterio y tritio en forma de fotones.

      1. Para realizar un balance energético algo más realista, no sería necesario contabilizar la energía utilizada en la obtención de los isótopos utilizados, deuterio y tritio?
        Creo que en el caso del tritio es nada desdeñable.

        1. Con esa tecnología ya se tendría una gran solución ,en la ambiental como primera medida, en segundo lugar el costo ,bajaría notablemente , ya lo otro el costo de la infraestructura pata ese fin

          1. Javier, obviamente, al estimar la tasa de retorno energético de una tecnología de producción de energía eléctrica hay que incluir el ciclo completo. La esperanza es que con la fusión se logre una TRE superior a 100, con lo que los costes de extracción del deuterio, de producción in situ del tritio, de construcción del reactor y de mantenimiento anual serán irrelevantes; si se logra estaremos en una situación muy similar a como estábamos con el petróleo en 1940.

      2. En el caso de la fusión deuterio-tritio, la mayor parte de la energía es en la forma de un neutrón sobrante que sale disparado a velocidades relativistas, y por lo tanto es muy difícil de aprovechar.

    3. Me gustó leer tu artículo, al igual que todos los comentarios al respecto, mi teoría se distancia mucho de lo que durante tres días han estado publicando en todos y cada uno de los noticieros se involucro incluso al presidente de la nación para darle más veracidad al anuncio propagandístico que como tú bien decías pasara a la historia pero como una falsa noticia, saludos cordiales!

    4. Hola Mariana. En la de terminación de Q sólo se contabiliza la energía liberada del defecto másico, como dicen otras respuestas, y la que aportan los láseres a la cápsula. No se tiene en cuenta la contenida en el combustible deuterio/tritio.
      Es como si en un motor de gasolina se dividiese la energía liberada en la combustión entre la que aporta la bujía en un chispazo. Es decir, no tener en cuenta la energía de la gasolina.
      Saludos

    5. Mariana, el proceso de la reacción nuclear de fusión es similar al de una reacción química exotérmica; gastas la energía de activación para iniciar la reacción, pero una vez iniciada obtienes más energía de la que pusiste (por eso la reacción se llama exotérmica).

  1. Llevo todo el día escuchando la prenoticia y deseando más información. Mis compañeros de trabajo me la comentaban y yo les pedía paciencia que los medios generalistas son muy de titular. Gracias por esta información que contextualiza el descubrimiento dentro de un pequeño paso dentro del camino al gran descubrimiento

  2. Gracias por la sensatez y ponernos las cosas en perspectiva. Con tanto «para qué quiero la física y la ingeniería de mi parte, si tengo el periodismo», temo que los divulgadores acabéis siendo Don Quijotes ignorados. Yo opino que sois de lo más necesario.

    1. Otra conjetura, los del área de investigación militar les dieron una mano a los civiles al verlos desesperados por el tiempo q les quedaba. Un poco de humor a un, quizá, avance en la física básica involucrada en los procesos de fusion de este tipo.

    1. La verdad es que tengo la sensación por lo que explicas, Francis, y por todo lo que te he oído y leído antes sobre este tema, que es más probable que sea un intento de reivindicar la línea que están siguiendo frente a los tokamaks, que les llevan bastante ventaja (seguramente habrá asuntos relativos a presupuestos y subvenciones que no conocemos) que otra cosa. Y tal vez, alguna forma de crear expectativas a medio o largo plazo entre una población que está empezando a entender los costes reales en su vida del cambio climático y la crisis energética. Puedo equivocarme, no son más que conjeturas por mi parte, pero es la sensación que me da.

  3. ¡Excelente artículo!

    Me alegra, sobre todo, que destaques la Q total de la instalación: todavía queda mucho hasta las plantas de potencia. A tenor de esto, me surge una pregunta. Por lo que he podido ver, la potencia total consumida por JET es de 700-800 MW ( https://www.euro-fusion.org/faq/top-twenty-faq/how-much-power-is-needed-to-start-the-reactor-and-to-keep-it-working/ ) Si tenemos esto en cuenta, el Q total de los experimentos récord en JET sería similar al de NIF (y menor que uno si solo se tiene en cuenta la potencia introducida en el interior del tokamak). Además, en el artículo de JET de 1999 donde anunciaban 16 MW de fusión y Q > 0.6 (Nucl. Fusion 39 209) definen Pin como «total input power to the torus».

    Así pues, si no me equivoco, el Q = 0.7 de JET es directamente comparable al Q = 1.5 de NIF, mientras que si se tiene en cuenta toda la instalación, serán similares (0.01-0.03). Por supuesto, es posible que esté pasando algo por alto (no he leído en profundidad los artículos de JET).

    Un saludo y muchísimas gracias por tu labor de divulgación.

  4. Magnífico artículo Francis, breve y directo. Poniendo los puntos sobre las ies y con mucha sensatez como ha comentado algún compañero. Me ha parecido tremendamente revelador la frase «nadie sabe cómo generar electricidad en instalaciones de fusión pulsada como NIF». Un avance, sin duda, pero no va a ser la salvación del mundo como se vende en la prensa.

    Gracias de nuevo, Israel

  5. Para poner las cosas en contexto nada mejor que este video de Sabine: https://youtu.be/LJ4W1g-6JiY

    El «break event» o momento en que Q > 1 NO ha llegado y Francis lo ha dejado muy claro en esta entrada. Es decir, que NO estamos más cerca de alcanzar este evento de ruptura. El Q real de este experimento según Francis es de Q ~ 0.01 lo cual muestra que aún se necesita invertir mucha más energia en total de la obtenida en el proceso de fusión (y eso sin tener en cuenta las pérdidas posteriores al convertir dicha energía en electricidad útil).

    Todos estos titulares deberían estar prohibidos ya que confunden al público en general. La fusión rentable y comercial está tan lejos y tan cerca como siempre: 20 años (guiño, guiño)

  6. Mi pregunta es la siguiente, supongamos que se logra un proceso estable que genera mas energía de la que consume, como sería el camino para poder hacer uso de dicha energía? Sería similar al de las plantas nucleares actuales, que calientan el agua y estas mueven turbinas o hay otro camino posible?

    Muchas gracias y felicitaciones por el excelente blog

  7. Francis, Esta bien lo que dice Eduardo Oliva en un comentario que si es comparable el Q 1.5 de NIF con el Q 0.72 de JET, y el de NIF de 0.083 o 0.01 es comparable al de JET de 0.03?

  8. «un gran hito en energía de fusión, (…) logrando Q = 1.54 (…); sin embargo, (…) en rigor solo ha logrado un Q ~ 0.01»

    Parece una broma, pero no tiene ninguna gracia. A esos científicos americanos debería caérseles la cara de vergüenza por engañar al público de esa manera.

  9. Muchas gracias Francis, creo que es la primera divulgación acertada sobre este tema entre las muchas tonterías que hemos escuchado, incluso por partes de «expertos en el tema». No sé, lo mismo no querían estropearles las navidadades a la gente del mundo mundial.

    Sobre todo estaba esperando a que alguien dijera lo que tú has dejado muy claro:

    «Lo segundo, nadie sabe cómo generar electricidad en instalaciones de fusión pulsada como NIF, mientras que en los tokamaks está muy claro como hacerlo»

    En fin…

    1. ? ? ?

      La fusión «estilo NIF» es un estallido de unos pocos nanosegundos de duración. Las cápsulas están diseñadas para desintegrarse implosivamente. La implosión comprime el «combustible» detonando la fusión, y simultáneamente se opone al estallido, es decir, la implosión confina inercialmente la fusión durante esos pocos nanosegundos.

      Si te refieres a los materiales apropiados para construir el cilindro «hohlraum» que contiene la cápsula de «combustible»… la respuesta es sí y no.

      Teniendo en cuenta que todo este asunto está en pura etapa experimental… la respuesta es sí, los materiales del «hohlraum» son los apropiados, resisten los experimentos.

      Teniendo en cuenta que como bien dice Francis «nadie sabe cómo generar electricidad en instalaciones de fusión pulsada como NIF»… la respuesta es no, pero ni de coña.

  10. Imagino que durante los próximos 50 o 100 años se dedicarán a buscar una alternativa para al Tritio porque como la fusión siga dependiendo de esta sustancia será de todo menos barata y accesible.

    1. Sumi, el tritio será producido in situ en cada futuro reactor de fusión a partir de litio (un proceso eficaz y barato). Quizás algún día se use algún tipo de fusión aneutrónica que prescinda del tritio, pero hay pocas esperanzas de que se pueda lograr en este siglo.

  11. El informe NIF que lei en mi correo tiene un párrafo final preocupante. Dice que en el balance de energía no se incluye la enorme energía (mayor que 2MJ) que se necesitó para producir el rayo laser de 2MJ que impactó la bolita de hidrógeno y produjo la fusión nuclear emitiendo 3MJ de energía. He redondeado los valores expresados en MJ.

    1. Seguramente los científicos de la NIF han omitido adrede el dato del consumo de los láseres porque el objetivo principal de su anuncio era conseguir que les renovaran una financiación que estaban a punto de perder. Creo que están aplicando la estrategia de Elizabeth Holmes, la fundadora de Theranos, que mentía sobre sus logros para seguir ingresando dinero. Y de momento la estrategia les ha funcionado a los de la NIF, porque ya han conseguido renovar su financianción.

  12. A quienes decís que si hay emisión de neutrones entonces también se puede decir qu es es radiactividad…

    El quid de la cuestión es que se emiten neutrones durante la fusión, pero luego ya no se emite nada ni queda material radiactivo. Si se consigue absorber esos neutrones se acaba el problema durante ese breve periodo de tiempo.

    El problema de la fisión es que deja residuos radiactivos que siguen desintegrándose durante cientos de años.

    1. Ni tanto… ni tan poco.

      En lo relativo al «ni tanto»… creo que estamos todos de acuerdo. Al menos no veo que nadie haya dicho o insinuado nada que discrepe con el último párrafo de tu comentario. Y tampoco se ha pecado de omisión, el «ni tanto» está explícito en el remate de mi primer comentario allá arriba.

      En lo relativo al «ni tan poco»… el segundo párrafo de tu comentario es incorrecto en dos puntos… 1) «breve periodo de tiempo»… y 2) «luego ya no se emite nada ni queda material radiactivo».

      Veamos…

      1) El periodo de tiempo es breve en el caso particularísimo que protagoniza esta entrada de Francis… y es breve por dos motivos… tanto por el método que usa NIF (un tokamak estilo ITER es otro cantar muy distinto)… como por el hecho de que es un experimento cuyo único propósito fue lograr el hito alcanzado, demostrando con ello la «viabilidad» del método.

      «Viabilidad» que sigue siendo potencial, porque como bien dice Francis… A) «en NIF se llama Q al cociente entre la energía producida por el combustible y la energía inyectada por los láseres», pero los láseres consumen en electricidad más de 300 veces la energía que inyectan como luz en la cápsula de combustible, «con lo que en rigor solo ha logrado un Q ~ 0.01», muuuy lejos de un auténtico Q = 1.54… y B) «nadie sabe cómo generar electricidad en instalaciones de fusión pulsada como NIF, mientras que en los tokamaks», por ejemplo ITER, «está muy claro como hacerlo».

      Pero suponiendo que esos «detallitos» quedarán resueltos en el futuro… una planta generadora de electricidad basada en el método de NIF deberá funcionar igual que cualquier otra planta generadora de electricidad basada en cualquier otro método de fusión… esto es, deberá funcionar sin interrupción durante meses, semanas, días, o como mínimo horas… lo que para el método NIF significa que el reactor deberá producir breves estallidos de fusión continuamente durante meses, semanas, días, o como mínimo horas…

      https://danielmarin.naukas.com/2022/12/12/regresa-la-capsula-orion-de-la-mision-artemisa-i-de-la-nasa-via-libre-para-el-regreso-de-seres-humanos-a-la-luna/comment-page-2/#comment-572331
      «…It’d also have to vaporize 10 capsules a second, every second, for long periods of time…»

      O sea que… independientemente del método, sea confinamiento inercial a la NIF, confinamiento magnético a la ITER, etc… si hablamos de producción comercial de electricidad en las futuras plantas de fusión Deuterio-Tritioy yo entendí desde un principio que a eso se refiere esencialmente el comentario de Jorge Armand que disparó allá arriba toda esta conversación acerca de la radioactividad… entonces estamos hablando de una hermosa radiación de neutrones emitida continuamente durante largos periodos de tiempo.

      Eso para empezar. Y para continuar…

      2) Si se apaga el reactor, cesando así la fusión y la consecuente radiación de neutrones… hay algo que sigue emitiendo radiación y lo seguirá haciendo durante años e incluso décadas… y no, no me refiero al Tritio, que también, pero no… me refiero a todos los materiales del reactor y/o adyacentes al reactor y/o que circulan por el reactor y por buena parte de toda la instalación como por ejemplo el fluido refrigerante… que se han vuelto radioactivos por activación neutrónica

      https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_activation#Effects_on_materials_over_time

      ADVERTENCIA: pinchar y leer los enlaces NO hace daño 😉

      https://irpa.net/irpa15/T5.4-O0431.pdf

      https://link.springer.com/article/10.1007/s10894-018-0182-1

      Answers to the most frequently asked questions about the ITER Project…

      Can you declare fusion is really safe, while it uses huge amount of tritium, generates strong neutrons, and brings about huge amount of radiological waste?

      What are the procedures to dispose of the irradiated material contained in the first wall?

      Is it really possible to find materials which can cope with strong fusion neutrons?

    1. No, Federico, lo siento mucho, pero creo que no es viable la versión aneutrónica. De hecho, tengo muchísimas dudas sobre su versión D-T. Este tipo de idea se intentó hace décadas y fue un gran fracaso. Rescatar estas ideas desde el sector privado, con una financiación paupérrima, me parece que acabará en un nuevo fracaso. Pero, claro, es mi opinión basada en lo poco que se conoce sobre su propuesta (lo poco que han publicado).

  13. Francisco, en el último episodio de Coffee Break mencionaste cómo se producirá electricidad en los reactores comerciales de fusión por confinamiento magnético. Básicamente, se permite que el plasma toque brevemente una superficie que calienta agua y el vapor mueve la turbina. Mi pregunta de completo ignorante es, ¿cuál es la eficiencia de la transformación de la energía de la fusión en electricidad?. ¿Y en las centrales de fisión?. Siempre me ha asombrado esa combinación de tecnologías nacidas de los grandes avances en la física del siglo XX con la primera máquina de la revolución industrial. Como ponerle auriculares bluetooth para decirle «Arre» a un caballo.

    1. Masgüel, hay diferentes modelos de centrales de fisión comerciales con diferente eficiencia térmica; en ellas se transforma energía térmica de origen nuclear en energía térmica de un fluido que mueve una turbina y genera electricidad; un valor típico para la eficiencia teórica de la conversión de energía térmica es del 45 % y para la eficiencia real ronda el 33 %. En cuanto a los futuros reactores de fusión comerciales, todavía no se sabe (hay muchísimos detalles que aún no se conocen), pero se supone que se alcanzará valores de eficiencia similares.

      1. Gracias. Pues para la fisión es bastante. Imaginaba mucho menos.
        Y para la fusión, supongo que tampoco importaría aunque fuese mucho menor, dada la abundancia del agua de mar.

  14. Estas noticias siempre nos dejan con un poco de esperanza y un buen puñado de frustración. Queremos que la investigación avance rápidamente y se logre una ganancia neta de energía abundante y clara, pero no es tan fácil de lograr.

    Pero bueno, está bien que se siga avanzando, paso a paso. Esperemos que en unos años (¿décadas?) se pueda generar energía eléctrica en gran cantidad gracias a estas tecnologías. Y que se resuelvan los problemas tanto de generación de la energía como de tratamiento de residuos (que, se supone, serán menos nocivos y duraderos que los de fisión).

  15. Hola Francis ¿qué opinas sobre la propuesta de fusión de la empresa Helion? recientemente salió este video explicando con cierto detalle el funcionamiento del aparato propuesto:
    https://www.youtube.com/watch?v=_bDXXWQxK38
    En lo personal soy muy escéptico con esto, sin embargo, me resulta llamativo, entre otras por la persona que dirige (Sam Altman) que es el mismo director de OpenAI

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