Liquid Target aporta un nuevo giro a la fusión inercial

Jul 29, 2023

En diciembre pasado, cuando los científicos de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore lograron una ganancia neta de energía (o ignición) en un reactor de fusión, prácticamente se podía escuchar el descorche de champán. El descubrimiento del NIF fue ciertamente un “primer paso necesario”, pero la eventual posibilidad de una fusión producida en masa aún permanece muy, muy lejana.

Razón de más, entonces, para celebrar un primer paso pequeño pero necesario para otra forma de fusión inercial. Investigadores del Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester han demostrado un concepto llamado formación dinámica de capas (DS), que podría usarse para crear objetivos más baratos para la energía de fusión inercial.

En una reacción de fusión, dos núcleos atómicos más ligeros se combinan para formar un núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía. Estas reacciones ocurren en un plasma, en condiciones de temperatura y presión extremadamente altas (más de 100 millones de grados Celsius). También necesitan un confinamiento confiable para sostener la reacción el tiempo suficiente para obtener una ganancia neta de poder.

Los objetivos de combustible congelado de la National Ignition Facility son difíciles de fabricar y cada uno requiere días para fabricarse. Esto es un problema, porque una planta de fusión necesitaría alrededor de un millón de objetivos al día.

Al igual que la vasta y ampliamente discutida instalación del NIF, en el sistema de prueba de concepto del grupo de Rochester, las reacciones se inician comprimiendo y calentando objetivos utilizando láseres. Los objetivos son pequeñas bolitas llenas de combustible, que normalmente está compuesto por los isótopos de hidrógeno, deuterio (D) y tritio (T). Luego, la energía de fusión se genera en una fracción de segundo antes de que el objetivo sea destruido por las temperaturas extremas y la densidad como resultado de la compresión.

En el método DS, en lugar de los objetivos convencionales de combustible de hidrógeno congelado utilizados en el NIF, los investigadores utilizan objetivos líquidos. Están formados por una cápsula de espuma humedecida en la que se inyecta una gota de combustible DT líquido. Luego, el objetivo es bombardeado por pulsos láser cronometrados que primero provocan una onda expansiva y luego la expanden. La onda expansiva continúa formando una densa capa con un vacío en el centro y, finalmente, la capa implosiona, liberando energía de fusión.

"No estaba claro si esta técnica funcionaría en principio", dice el colíder Igor Igumenshchev, científico senior de LLE, "así que hicimos un experimento de prueba de principio [para demostrar] que esta evolución es posible y es estable". suficiente para continuar con la investigación”. Los investigadores utilizaron un objetivo de espuma sustituto de aproximadamente la misma densidad que el combustible líquido. El siguiente paso, afirman, será hacer el experimento con combustible DT, que será más complicado.

Los gránulos de DT congelados que se utilizan convencionalmente en la fusión por confinamiento inercial (ICF) son difíciles de fabricar y se necesitan días para producir un solo objetivo. Esto es un problema porque una planta de fusión necesitaría alrededor de un millón de objetivos al día. Sin embargo, los objetivos líquidos descritos en la técnica DS no requieren las complejas capas criogénicas de los congelados y, por lo tanto, son mucho más baratos y fáciles de producir.

Otra ventaja del concepto DS es que se comienza con un objetivo más simple: simplemente una gota de líquido, dice Valeri Goncharov, director de la división teórica de LLE y codirector del proyecto. Con los láseres, dice, el objetivo se expande y se le da forma de caparazón con una superficie más suave que la del sistema NIF. "Ahora sabemos que no hay nada desde el punto de vista físico que nos impida producir objetivos que puedan proporcionar la ignición adecuada a las centrales eléctricas", afirma. "Lo que necesitamos es comprimir eficientemente el objetivo".

Los inconvenientes de la técnica de formación de DS es que requiere pulsos láser de larga duración que son difíciles de producir con la tecnología láser actual. La formación de DS también genera interacciones láser-plasma. Según Goncharov, "este es el mayor problema en este momento en la ICF: eliminar las ondas de plasma que dispersan la energía". Esto es algo en lo que están trabajando en LLE, añade.

Utilizan láseres de banda ancha que, en lugar de tener una única longitud de onda, tienen ligeras variaciones de longitud de onda y podrían eliminar la creación de ondas de plasma. El desafío es encontrar no sólo el láser adecuado que se acople con el plasma, sino también uno que tenga una alta eficiencia de absorción de energía, al menos del 10 al 15 por ciento. "Si demostramos que [un] láser de banda ancha puede acoplar suficiente energía al objetivo, será un importante paso adelante", afirma Goncharov.

George Tynan, de la Universidad de California en San Diego, cuyos intereses de investigación incluyen la física del plasma de la fusión nuclear controlada como fuente de energía, dice que el experimento ofrece una demostración de prueba de concepto de DS. (Tynan no participó en el estudio LLE). "Los resultados del artículo muestran que la producción básica de plasma y la hidrodinámica necesarias para el concepto DS, al menos en principio, funcionan según sea necesario", dice. "El siguiente paso lógico, en mi opinión, sería una demostración de la formación exitosa de DS en un objetivo de espuma al que se le ha infundido DT líquido".

El equipo de Rochester informó sus resultados en una edición reciente de la revista Physical Review Letters.