En el artículo "La fusión nuclear. La energía de las estrellas" se expusieron los diferentes tipos de confinamiento. Esta vez nos vamos a centrar en el confinamiento inercial, la otra vía alternativa al confinamiento magnético que permite lograr la fusión con la tecnología actual. La fusión nuclear por confinamiento inercial con láser se consigue mediante el uso de varios haces de rayos láser, rayos X, o bien de iones pesados acelerados, enfocados en un pequeño blanco esférico (10 miligramos) donde se encuentra el combustible de deuterio-tritio. La energía de fusión es el santo grial energético: limpia, segura, sin residuos radiactivos de larga duración y con un combustible casi inagotable.
Principios Fundamentales del Confinamiento Inercial
La idea central es comprimir y calentar un combustible de fusión durante un tiempo extremadamente corto, aprovechando la inercia del propio combustible para que la reacción tenga lugar antes de que el sistema se desintegre. Para ello se hace implosionar una diminuta cápsula de combustible empleando una enorme potencia energética en un tiempo muy corto, de modo que la inercia del plasma comprimido lo mantiene confinado el tiempo suficiente para que ocurra la fusión. La cápsula se comprime debido a la aceleración que sufre el combustible debido a la absorción de la energía depositada. Dicha energía es provista por lo que se conoce como sistema accionador o driver, que hace que la cápsula se convierta en un plasma, y que debido a la conservación del momento cinético se de un fenómeno de acción-reacción mediante el cual el combustible se comprima.
Definiciones Clave en la Fusión Inercial
Antes de describir el proceso paso a paso, es fundamental entender algunas definiciones.
Ablación
Ablación es el proceso por el cual la superficie externa de la cápsula de combustible se calienta intensamente y se evapora (se ioniza y se expulsa) debido a la irradiación con láseres, rayos X o haces de iones. La energía del driver se deposita en la capa externa de la cápsula. Esa capa se convierte en plasma y sale expulsada hacia fuera a gran velocidad. Este material expulsado se denomina blowoff. El principio físico que gobierna este fenómeno es la tercera ley de Newton: al expulsar masa hacia fuera, el resto de la cápsula es empujado hacia dentro.
Implosión
La implosión es la compresión ultrarrápida y casi esférica del combustible nuclear causada por la reacción a la ablación. El material ablacionado sale hacia fuera. La cápsula restante es empujada hacia el centro. El combustible (deuterio-tritio) se comprime a densidades enormes (hasta cientos de veces la densidad de la materia sólida), manteniéndose en el proceso lo más simétrico posible. Es un proceso inercial: el combustible se mantiene confinado por su propia inercia durante un tiempo extremadamente corto (~nanosegundos). La calidad de la implosión (simetría, velocidad) es crítica para el éxito. El objetivo de la implosión es alcanzar condiciones extremas de densidad y presión antes de que el combustible se expanda.
Ignición
La ignición es el momento en el que el núcleo central del combustible alcanza condiciones tales que las reacciones de fusión se autosostienen. Como ya se ha indicado anteriormente, la ignición se alcanza cuando el propio plasma de fusión se autosostiene, es decir, la energía depositada por las partículas alfa supera todas las pérdidas y mantiene la temperatura necesaria para que continúen las reacciones. Las partículas alfa depositan su energía localmente, calentando más el combustible. Recordemos que en la reacción D-T se producen dos partículas: partículas alfa (núcleos de helio) de 3.5 MeV y neutrones de 14.1 MeV. En este tipo de reactores de fusión (neutrónicos), los neutrones escaparían del "entorno" del reactor para calentar las paredes y circuitos colindantes, y con ello aportar la energía térmica necesaria al ciclo termodinámico - del cual se obtendría la energía. Por su parte, las partículas alfa contribuirían al propio calentamiento del plasma. No obstante, a diferencia del confinamiento magnético, aquí el plasma no se confina mucho tiempo, sino muy densamente y durante un tiempo extremadamente corto. La ignición se produce cuando se cumple el criterio de Lawson (1957). Para un plasma de deuterio y tritio a una temperatura de 50 millones Kelvin, debe cumplirse que P τ > 25 atmósferas por segundo, donde P es la presión del plasma y τ es el tiempo de confinamiento de la energía en el plasma. Por lo tanto, la ignición real ocurre cuando Pα > Ppérdida.
Hot Spot (Zona Caliente)
El hot spot es la región central del combustible comprimido donde se alcanzan las condiciones de temperatura necesarias para iniciar la fusión. Conviene resaltar que no todo el combustible debe estar a temperatura de ignición, basta con un hot spot central caliente rodeado por un combustible frío y muy denso. El quemado se propaga desde el centro hacia afuera (burn wave).
Etapas del Proceso de Fusión por Confinamiento Inercial
La fusión por confinamiento inercial se divide en varias etapas clave, que incluyen la irradiación de la capa exterior, la ablación del material exterior, la implosión de la carga útil, la ignición central y la posterior combustión y explosión.
1. Calentamiento del Blanco
Un pulso de radiación (luz, rayos X o iones) calienta rápidamente la superficie de una cápsula de combustible del tamaño de un guisante. En esta etapa la energía se deposita solo en la capa externa (aún no hay compresión significativa) y se "prepara" el proceso de ablación.
2. Compresión
El combustible se comprime rápidamente debido a la expulsión, tipo cohete, del material caliente de la superficie. En esta etapa, la ablación empuja el resto del material hacia dentro, alcanzándose una fuerte compresión que incrementa drásticamente la densidad y la presión. Para que el proceso de compresión y calentamiento del combustible sea efectivo hay que procurar que se den precisamente en este orden: primero comprimir y después calentar. Esto es con el fin de que se puedan alcanzar altas compresiones, permitiendo a su vez grandes valores de Q. Si se calienta antes de tiempo, la presión aumentada se opone a la compresión.
3. Ignición
Cuando el núcleo del combustible alcanza decenas veces la densidad del plomo, se produce la ignición a 100 millones de grados centígrados. En esta etapa se genera el hot spot central, comenzando las reacciones D-T, y tiene lugar el transporte de energía térmica hacia el interior.
4. Quemado (Burn)
El quemado termonuclear se propaga rápidamente a través del combustible comprimido, produciendo muchas veces la energía inicialmente suministrada. En esta etapa la reacción se autosostiene brevemente. Los núcleos de helio depositan energía localmente y se libera la mayor parte de la energía de fusión.
Estructura de la Cápsula de Combustible
La cápsula típica es de unos 1-2 mm de diámetro, y suele presentar la siguiente estructura:
- Capa externa ablativa (plástico, carbono, berilio).
- Capa de combustible D-T sólido (normalmente congelado).
- Centro hueco, donde se formará el hot spot.
El D-T se mantiene en estado sólido, a temperaturas criogénicas (~20 K), y con una uniformidad extrema (variaciones < 1 µm). Son cápsulas de 2 milímetros de diámetro que contienen un depósito central de gas deuterio-tritio (D-T), una capa de combustible sólido D-T congelado y una capa ablativa exterior.
Condiciones Clave para la Ignición por Confinamiento Inercial
Para lograr la ignición de la fusión, se deben alcanzar y mantener simultáneamente ciertas condiciones extremas en el combustible. A continuación, se detallan los parámetros esenciales:
| Parámetro | Descripción | Valores Típicos/Objetivo |
|---|---|---|
| Temperatura | Necesaria en el hot spot para iniciar y autosostener las reacciones de fusión. | ≳ 5-10 keV (≈ 50-100 millones K) |
| Densidad del combustible (ρ) | Compresión del deuterio-tritio para un gran número de reacciones en poco tiempo. | ∼ 100-1000 g/cm³ |
| Parámetro de Confinamiento (ρR) | Garantiza que las partículas alfa depositen su energía localmente, calentando el plasma. | ≳ 0,3-0,5 g/cm² |
| Simetría de la implosión | Crucial para evitar inestabilidades hidrodinámicas que impedirían la ignición. | Asimetrías < 1-2 % |
| Presión máxima (ej. NIF) | Presión extrema alcanzada en el punto caliente para una rápida compresión. | ~360 Gbar (récord N170827) |
| Tiempo de confinamiento | Duración extremadamente corta en que el combustible se mantiene confinado por su inercia. | ~nanosegundos (10⁻⁹ s) |
Aunque el combustible pueda comprimirse eficazmente, es imprescindible aportar energía térmica para elevar su temperatura hasta valores compatibles con la fusión. Los cuatro retos principales para el éxito de la ignición central por punto caliente deben cumplirse simultáneamente. 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.
Esquemas de Ignición
En el análisis anterior se ha supuesto que la ignición ocurre de manera simultánea en todo el combustible, lo cual no refleja el funcionamiento real de la fusión inercial. En este enfoque se tiene en cuenta el papel de las partículas alfa generadas en la reacción de fusión, cuya energía se deposita principalmente en el propio plasma, favoreciendo un autocalentamiento local. Gracias a este efecto, basta con alcanzar las condiciones de ignición en una región central caliente (hot spot), de radio significativamente menor que el de la cápsula. Una vez iniciada la reacción en esta zona, se genera una onda de quemado que se propaga hacia el combustible frío circundante. La energía requerida para crear este hot spot es del mismo orden que en el caso anterior, 6,4×10⁸ J/g, pero ahora aplicada únicamente a una fracción del volumen total de la cápsula.
Sistemas Accionadores o "Drivers"
Todo driver ha de cumplir varias características: alta potencia pico, control temporal preciso, alta simetría espacial, energía suficiente para la ignición y repetibilidad. Es un elemento crítico, porque determina cómo se implosiona la cápsula, con qué eficiencia, qué inestabilidades aparecen y si la ignición es alcanzable.
Iluminación Directa
En la iluminación directa, el láser incide directamente sobre la superficie del combustible o de su ablador, generando la ablación sin intermediarios. Aquí la física es más eficiente: una fracción mayor de la energía acaba convertida en presión útil. Sin embargo, esta cercanía también hace al sistema mucho más exigente. Cualquier no uniformidad en la intensidad del láser se traduce en asimetrías de presión que pueden crecer durante la implosión. En este esquema, el éxito depende de un control exquisito del perfil espacial y temporal del haz, y de técnicas ópticas avanzadas para “alisar” la iluminación. Es considerado potencialmente más viable para reactores futuros si se resuelven los problemas de uniformidad y estabilidad, pero tecnológicamente más frágil.
Iluminación Indirecta (Hohlraum)
También se utiliza el enfoque indirecto, en el que los haces se enfocan hacia un hohlraum de un metal muy denso que a su vez produce intensos rayos X que inciden sobre el blanco de combustible. La energía del láser se deposita primero en una cavidad metálica -el hohlraum- que se calienta hasta emitir un baño casi isotrópico de rayos X. Es esa radiación la que envuelve la cápsula y produce la ablación. Desde el punto de vista hidrodinámico, este método permite un campo de radiación suave que favorece una implosión muy simétrica. El precio a pagar es una cadena de conversiones energéticas poco eficiente. Gran parte de la energía del láser se pierde antes de llegar al combustible, pero a cambio se gana robustez frente a imperfecciones. Por eso este esquema ha sido el elegido en instalaciones como el National Ignition Facility, donde la prioridad histórica ha sido demostrar la ignición más que optimizar la eficiencia global.
Una maqueta muestra el hohlraum chapado en oro de la Instalación Nacional de Ignición (NIF). Una representación artística de una cápsula objetivo del NIF dentro de un hohlraum con rayos láser que entran por las aberturas de ambos extremos, comprimiendo y calentando el objetivo hasta alcanzar las condiciones necesarias para que se produzca la fusión nuclear.
Otros Impulsores
Los otros impulsores que se emplean son haces de partículas energéticas, que pueden ser electrones relativistas, iones de elementos ligeros o iones de elementos pesados. El uso de haces de electrones tiene la ventaja de ser eficiente en la producción de energía, de bajo costo y con la propiedad de generar enormes campos magnéticos al incidir sobre el blanco, que ayudan al confinamiento del combustible. Sin embargo, tienen la gran desventaja de que no se pueden enfocar fácilmente sobre el blanco, debido a que la repulsión mutua entre los electrones del haz hace que éste se vaya abriendo. Además los electrones penetran hasta el centro de la pelotilla produciendo el indeseable precalentamiento.
Con el fin de producir haces de iones ligeros se utiliza el mismo tipo de diodos que para los electrones. La cuestión del enfoque no es tan seria en este caso porque las masas de los iones son mucho mayores que las de los electrones y es más difícil que se dispersen. Comparados con los haces de láser, el enfoque de iones ligeros sigue siendo malo, además de que es difícil almacenar la energía suficiente para producir los pulsos de iones con las altas repeticiones requeridas.
El uso de haces de iones pesados requiere de una tecnología diferente; pero es posible realizarla con los avances tecnológicos actuales. La ventaja de esta alternativa es que el acoplamiento del haz con el blanco es bastante efectivo, al contrario de lo que ocurre con los láseres, y el precalentamiento es muy pequeño porque, con su gran masa, los iones no penetran hasta cerca del centro. El enfoque no presenta gran problema, pues los haces no se abren por la alta inercia de sus componentes.
El National Ignition Facility (NIF): Un Hito en la Fusión por Confinamiento Inercial
Uno de los procesos de calentamiento de la materia es el de la compresión. En estos momentos la demostración de funcionamiento del reactor mediante confinamiento inercial se está llevando a cabo en el NIF (National Ignition Facility) en Estados Unidos y en el LMJ (Laser MegaJoule) en Francia, con la misma energía del NIF, pero 240 haces láser en lugar de 192, dando más flexibilidad (y complejidad) a la instalación. El NIF busca la fusión por confinamiento inercial enfocando 192 rayos láser en un blanco de pocos centímetros que contiene una cápsula llena de combustible. En el blanco inciden más 1,8 millones de julios de energía durante menos de 20 nanosegundos. La presión sobre el blanco es mil veces menor de la necesaria para cumplir con el criterio de Lawson. 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.
Estructura del Blanco en el NIF
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 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.
Avances y Logros del NIF
La fusión por confinamiento inercial inducida por láser en el NIF avanza paso a paso. En diciembre de 2022 ocurrió algo histórico: por primera vez, una instalación científica logró obtener más energía de una reacción de fusión nuclear de la que se utilizó para iniciarla. Este hito, conocido como break-even científico, lo consiguió el National Ignition Facility (NIF), en Estados Unidos. Se ha logrado que el combustible de fusión reciba 17 kJ de energía durante la implosión, lo que implica que se ha superado el 50% del valor P τ que satisface el criterio de Lawson. Más aún, los resultados están en buen acuerdo con las simulaciones numéricas (algo que no suele ser habitual en fusión). La simetría de la implosión es clave para lograr la estabilidad del plasma y alcanzar la ignición.
Se publicó 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). 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. Midiendo el flujo de neutrones emitido se estima la energía de fusión producida por el combustible.
Técnicas de Implosión en el NIF
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. Para sorpresa de los expertos, el plasma se estabiliza más de lo esperado y el rendimiento energético se multiplica por diez. El nuevo logro publicado en Nature se basa en aplicar este método llamado «high-foot».
Retos Actuales y Futuro
Aún queda mucho para lograr la ignición de la fusión con Q > 1, es decir, generar más energía de la inyectada. El break-even científico no significa que ya tenemos energía de fusión lista para la red eléctrica. Es decir: la reacción funciona, pero la instalación consume mucho más de lo que entrega. Susana Reyes, vicepresidenta de ingeniería en Xcimer Energy, ofreció una visión clara y realista sobre lo que falta por resolver, afirmando que “La física ya no es el cuello de botella. Lo que falta es ingeniería.”
Xcimer propone usar una tecnología llamada láser excimer, que podría reducir el coste por unidad de energía hasta 60 veces. Esto simplifica enormemente el diseño, reduce los costes y aumenta la fiabilidad del sistema. Xcimer plantea una solución elegante: revestir el interior con una pared líquida (una aleación de sales fundidas llamada FLiBe) que absorbe la energía de cada disparo, se enfría y se reutiliza. Xcimer trabaja con el objetivo de tener una planta piloto de fusión (Athena FPP) en funcionamiento a mediados de la próxima década. La energía de fusión está más cerca que nunca.
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