La NIF (National Ignition Facility), ubicada en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California, representa un esfuerzo monumental en la búsqueda de una fuente de energía limpia e ilimitada. Se le podría denominar fábrica a este sitio, pero nunca antes se ha visto una planta como esta. Aquí, en la NIF, los científicos se encuentran trabajando para crear reacciones de fusión nuclear que desencadenan más energía que sus láseres introducidos, lo que se define como "encendido". Este es el primer paso dentro de un proceso que podría llevar algún día "energía estelar", energía limpia por fusión nuclear al planeta.
El principal edificio de la NIF cuenta con diez pisos y funciona las 24 horas del día, los siete días de la semana. Alberga el láser de energía más potente del mundo y el instrumento óptico más grande jamás construido, una combinación de 7500 componentes ópticos de gran tamaño (tamaño de medidor) y más de 26 000 componentes ópticos pequeños.
Principios de la Fusión Nuclear
La fusión nuclear es el proceso por el cual dos núcleos ligeros se combinan para formar un único núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía. El principio de la fusión nuclear es sencillo: cuando se unen dos núcleos de átomos ligeros se libera energía. Si la reacción se mantiene el tiempo suficiente, la energía liberada puede superar ampliamente a la invertida para desencadenarla, con lo que esa ganancia de energía podría aprovecharse luego para generar electricidad. Además, el combustible habitual, el hidrógeno, es abundante y la reacción no produce gases nocivos.
El hidrógeno es el elemento más simple del Universo, ya que cuenta con un único protón en su núcleo y un solitario electrón orbitando a su alrededor. También es el principal componente de las estrellas, como nuestro Sol. En su interior la temperatura es tan alta -varios millones de grados- que el hidrógeno se encuentra en estado de plasma: los electrones han conseguido desligarse de sus respectivos núcleos atómicos, formando ambos una "sopa" de partículas cargadas eléctricamente. Si a esto se le suma una densidad 10 veces mayor que la del plomo, resulta que los núcleos de hidrógeno se pueden acercar lo suficiente como para superar su mutua repulsión eléctrica -por tener la misma carga-, unirse y formar un núcleo atómico de helio. Esto es, en esencia, lo que se conoce como fusión nuclear.
En el proceso se pierde algo de masa, que se transforma en luz y calor, y se emite hacia el exterior (masa y energía son equivalentes, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, E = mc2). Esto es lo que hace que brillen las estrellas. Se calcula que una estrella de tamaño medio como el Sol es capaz de transformar unos cinco millones de toneladas de hidrógeno en helio cada segundo.
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En la NIF se busca, mediante el uso de láseres, calentar una bolita de hidrógeno congelado, más pequeña que un grano de pimienta, hasta conseguir la fusión nuclear.
El Sistema Láser y la Óptica en la NIF
El proceso de "fabricación" en este sitio se basa en "disparos" de energía láser que se enfocan en un objetivo del tamaño de un bebé. Cada láser de sistema integral junta 192 rayos láser separados, provenientes de distintas direcciones en una ráfaga de milmillonésimas de segundo para calentar y comprimir el pequeño objetivo de tritio y deuterio. Estos 192 rayos, hasta 1.8 millones de julios de energía ultravioleta, se deben enfocar con máxima precisión. La precisión que se debe tener es comparable con la que habría que tener para pararse en el montículo del lanzador en San Francisco y lanzar un strike hacia el Dodger Stadium en Los Ángeles, a 350 millas de distancia.
Recorrido del Haz Láser y Componentes Ópticos
El NIF es, en esencia, un enorme amplificador de láser. Todo empieza con un débil pulso inicial, de apenas una milmillonésima de joule, que se origina en el centro del edificio. Dicho pulso es dividido luego en los 192 canales que se encargan de dirigir los haces de láser hacia su objetivo.
El recorrido de la luz láser implica varias etapas de amplificación y transformación:
- A lo largo de 1.5 km los láseres atraviesan placas de vidrio amplificadoras. Todos los láseres atraviesan hasta 52 placas de vidrio amplificadoras; en cada una de ellas, la energía del haz aumenta en un 25%.
- Después de atravesarlas todas, la energía total del láser alcanza los cuatro millones de joules.
- Una de las últimas etapas antes de llegar a la cámara de destino es convertir la luz infrarroja (IR) a 1053 nm en ultravioleta (UV) a 351 nm en un dispositivo conocido como convertidor de frecuencia. Mediante cristales se altera la longitud de onda de la luz láser, pasando del infrarrojo al ultravioleta.
La luz infrarroja (IR) es mucho menos efectiva que la UV para calentar los objetivos, porque la IR se acopla más fuertemente con electrones calientes que absorben una cantidad considerable de energía e interfieren con la compresión. El proceso de conversión puede alcanzar eficiencias máximas de aproximadamente el 80 por ciento para un pulso láser que tiene una forma temporal plana. Estos convertidores de frecuencia están hechos de finas láminas (aproximadamente 1 cm de espesor) cortadas de un monocristal de dihidrógeno fosfato de potasio.
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La cámara de ignición es una enorme esfera de unos 10 metros de diámetro. En su centro, un mecanismo que recuerda a un lápiz gigantesco mantiene en posición fija al objetivo. La cámara de destino es una estructura esférica de acero de 10 metros de diámetro que pesa 130 000 kilogramos, donde los haces finales inciden sobre el objetivo.
El Objetivo de Fusión
La energía de los 192 rayos láser se hace incidir sobre el hohlraum, al interior del cual hay átomos de deuterio y tritio que inician el proceso de combustión. El objetivo, un cilindro de oro que contiene el combustible de hidrógeno y que se conoce con el nombre de hohlraum. Al recibir el impacto de los láseres, el hohlraum se comporta como un horno y responde emitiendo rayos X de alta energía, que alcanzan el envoltorio de la cápsula de hidrógeno y hacen que se expanda muy rápidamente.
De acuerdo con la tercera ley de Newton, esta acción tiene una reacción, y es que el interior de la cápsula se comprime hasta el grosor de un cabello humano, alcanzando una densidad 100 veces mayor que la del plomo y una temperatura de decenas de millones de grados. 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.
Control y Calibración: La Clave de la Precisión
Se necesita de mucha infraestructura y equipo para efectuar cada disparo de prueba. Todo esto se lleva a cabo mediante uno de los sistemas automatizados de control más grande nunca antes diseñado para una máquina científica, un sistema que incluye más de 60 000 puntos de control y 850 computadoras. El éxito depende de alrededor de 6000 instrumentos, válvulas, sensores de presión, temperatura y humedad, y transmisores, cada uno de los cuales se rastrea de forma individual en la base de datos de la NIF. Todo debe estar calibrado.
"Lo único que se asemeja a lo que hacemos aquí es un conteo regresivo de la NASA para el lanzamiento de un transbordador", mencionó Travis Averill, director del Programa de Calibración de la NIF. "Si no se realizara mantenimiento ni calibración, las piezas no serían confiables ni reproducibles. Esto hace que la calibración sea esencial, incluyendo el destornillador dinamométrico más pequeño de onzas-pulgadas que ensambla los componentes ópticos en los osciloscopios que calculan los rendimientos extraordinarios de neutrones."
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Métodos y Herramientas de Calibración
La clave es asegurarse de que los cientos de componentes y sensores en red que mandan señales a la sala de control proporcionen lecturas precisas mediante la red de control de 24 V de CC en las pantallas de la GUI. "Siempre calibramos las lecturas de la pantalla de la GUI, a modo de eliminar todos los errores que podamos. Soy un gran creyente de las calibraciones de lazo integrado", mencionó Averill.
Para calibrar un sensor de temperatura, por ejemplo, Averill conectará su pozo de metrología de campo Fluke 9142-P, equipado con un estándar de referencia interno Fluke 5608, combinado con un calibrador con documentación de procesos Fluke 754 con soporte HART. Ajustará el pozo de metrología para generar una temperatura específica de prueba (digamos 60, 70 u 80 grados farenheit [15.6, 21.1 o 26.7 grados centígrados) y después introducir el componente o sensor de temperatura. Una vez que se estabiliza la temperatura, se comunica con la sala de control para comprobar la lectura de la GUI. El objetivo es una lectura en la sala de control que no varíe más de 0.10 grados F (0.38 grados C) de la configuración del pozo seco.
"Si la información cumple con las especificaciones, no la ajustamos", mencionó Averill. "Si estuviera fuera de lo tolerable, la primera acción que realizaríamos sería una comprobación del lazo. Nos conectamos al comunicador HART 754 y entramos en contacto con el transmisor y, de hecho, nos vinculamos a la corriente. Nos conectaremos en serie y supervisaremos la señal de 4-20 mA. Le diré al transmisor que genere lo que crea que es de 4 mA y mediremos el resultado. Al mismo tiempo, esperaré que la GUI marque 56.00 grados (13.33 ºC)", dijo Averill.
"Mi medición de mA generalmente se enlaza al 754, ya que este realiza una infinidad de funciones. Puedo usarlo para entrar en contacto con mis comunicadores HART y también para medir la señal de mA, que debería ser una lectura en este caso de 56 grados (13.33 ºC)." Si la salida del transmisor se desvía, Averill ajustará la salida para que las lecturas en la GUI coincidan con la temperatura que capta el sensor. El proceso para la calibración de la presión es similar. Averill usa de nuevo los calibradores con documentación de procesos Fluke 754 o 744, junto con el calibrador eléctrico de presión portátil Fluke 719 y, además, una bomba manual portátil que genera presión de prueba.
El Fluke 9142-P es un calibrador industrial de lazo de temperatura diseñado para realizar calibraciones de transmisores de lazo, calibraciones de comparación o comprobaciones sencillas de sensores de termopares. Con un peso menor a las 18 lbs (8.2 kg), alcanza los puntos de referencia de temperatura más rápido, a la vez que ofrece estabilidad, uniformidad y precisión.
Capacitación del Equipo
La realización de la calibración en la NIF involucra dos equipos de técnicos de mantenimiento: aquellos que trabajan en instalaciones convencionales y otros que se centran en los sistemas de servicios al recorrido del haz de luz, 40 en total. "La mayoría de las veces trabajan en conjunto, de manera que todos tienen una oportunidad para compartir su conocimiento y experiencia en las tareas de mantenimiento y calibración", dijo Averill. Además de usar las herramientas de calibración adecuadas, Averill mencionó que una clave para alcanzar el éxito es asegurar que los miembros del equipo entiendan por qué son necesarias ciertas pruebas y cómo llevarlas a cabo. Ha escrito más de 50 procedimientos de calibración que están para ayudar a otros. "El momento en que los técnicos empiezan a perderse es cuando siguen a ciegas procedimientos que no entienden", mencionó.
Avances y Desafíos de la Fusión en NIF
Los investigadores del National Ignition Facility (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California han logrado una ganancia neta de energía en una reacción de fusión por segunda vez. El experimento del 5 de diciembre utilizó 192 rayos láser para entregar más de 2 millones de julios (MJ) de energía ultravioleta a una pastilla de combustible deuterio-tritio para crear la llamada ignición de fusión-también conocida como equilibrio energético científico. Al lograr una producción de 3,15 MJ de energía de fusión a partir de la entrega de 2,05 MJ al objetivo de combustible, el experimento demostró por primera vez la base científica fundamental para la energía de fusión por confinamiento inercial (IFE).
Un experimento que se llevó a cabo el 8 de agosto produjo 1,35 megajulios (MJ) de energía, alrededor del 70% de la energía láser entregada a la cápsula de combustible. El rendimiento del experimento de este mes es ocho veces el récord anterior de la NIF, establecido en la primavera de 2021, y 25 veces el rendimiento de los experimentos llevados a cabo en 2018. En un experimento realizado el 30 de julio repetimos la ignición en el NIF. Los datos iniciales del experimento de julio indicaron una producción de energía superior a 3.5 MJ.
La fusión por confinamiento inercial inducida por láser en el NIF avanza paso a paso. Se publica 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). Los 54 kJ son más del doble de los 26 kJ que se lograron en 2014. El artículo es S. Le Pape, L. F. Berzak Hopkins, …, O. A. Hurricane, «Fusion Energy Output Greater than the Kinetic Energy of an Imploding Shell at the National Ignition Facility,» Phys. Rev. Lett. 120: 245003 (14 Jun 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.245003.
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. 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.
Aún queda mucho para lograr la ignición de la fusión con Q > 1, generar más energía de la inyectada. Los científicos estiman que la fusión comercial requerirá reacciones que generen entre 30 y 100 veces la energía de los láseres. Convertir este concepto en una fuente renovable de energía eléctrica probablemente será un proceso largo e implicará superar desafíos técnicos sustanciales, como poder recrear este experimento varias veces por segundo para producir una fuente de energía constante.
Finalmente, la otra función del NIF es ayudar a garantizar la seguridad y confiabilidad del arsenal de armas nucleares de Estados Unidos.