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Madmaxista
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Provocando la fusión.- Atención a los próximos meses. Pruebas en el NIF
Estamos a finales de abril, y un grupo de trabajadores ensambla las últimas piezas del National Ignition Facility (NIF), un enorme edificio del tamaño de tres campos de fútbol americano en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en Livermore, California. Con sus cascos de protección, redes para el pelo, batas de laboratorio y guantes de látex puestos, el grupo se reúne en la target chamber (cámara donde confluyen los disparos láser), una esfera de 10 metros de diámetro y 48 conductos de aluminio pulido que en total alberga 192 rayos láser distintos. Estos rayos son de los más potentes del mundo, afirma Bruno Van Wonterghem, director de operaciones de NIF. Juntos, los rayos proporcionan una energía 50 ó 60 veces superior a la de cualquier otro láser.
Los trabajadores se preparan para instalar una pieza clave del equipo—el sensor de alineación de objetivo—en la punta de una grúa con cabeza en forma de cuña que se puede extender hasta el centro de la cámara. Los científicos utilizarán el sensor para posicionar un recipiente dorado del tamaño de un borrador de lápiz en el centro de la esfera, y después lo alinearán con los rayos láser. Durante una serie de experimentos a lo largo de los próximos meses, y si todo sale como está previsto, esos rayos láser alcanzarán el recipiente dorado con un pulso de 3 a 20 nanosegundos de duración, generando así un baño de rayos x de alta energía. A cambio, estos rayos harán implosionar los isótopos de hidrógeno contenidos en una pequeña esfera de dos milímetros. “Toda esta energía cinética se transforma en calor,” afirma Van-Wonterghem. La bolita de hidrógeno alcanza una temperatura de 100 millones de °C y una densidad 100 veces la del plomo—lo suficiente como para generar una reacción de fusión.
La fusión, el proceso mediante el que los núcleos atómicos se combinan para formar átomos de un nuevo elemento, es la reacción principal que se genera en las bombas nucleares y en el sol. (En los experimentos del NIF, los isótopos de hidrógeno se combinan para formar núcleos de helio mientras que liberan neutrones y rayos x.) El potencial de este proceso como abundante fuente de energía se ha estado considerado desde hace años, siempre y cuando las reacciones se pudieran contener dentro de un entorno controlado. Ahí reside el reto, puesto que un plasma lo suficientemente caliente como para que las partículas de hidrógeno se fusionen podría destruir cualquier material que se usase para contenerlo. Los científicos han concebido dos soluciones generales. La primera y más aceptada consiste en confinar el plasma dentro de un potente campo electromagnético. Eso es lo que se supone que ocurra en el proyecto ITER de Francia, con un coste de 14 mil millones de dólares, y que se espera que sea operativo en 2018.
El enfoque del NIF es fundamentalmente distinto. Mediante el uso de rayos láser para comprimir el combustible de hidrógeno, se simula el calor extremo y la densidad que se da en el interior de las estrellas. La reacción de fusión resultante se controla no mediante el confinamiento electromagnético, sino mediante la limitación de la cantidad de combustible. El NIF producirá una minúscula explosión termonuclear, tan pequeña que pueda ser estudiada en una cámara de 10 metros. De hecho, la misión principal del NIF es arrojar luz sobre la física de altas temperaturas y altas densidades, incluyendo las reacciones de las armas nucleares, mediante la recreación de las condiciones que se dan en el interior de las estrellas y en las bombas.
Los investigadores debatirán acerca de qué tipo de procedimiento será el más útil para generar electricidad; por ahora es muy pronto para tomar una decisión. Sin embargo, parece probable que el NIF acabará convirtiéndose en el primer centro que consiga alcanzar un objetivo significativo dentro de la búsqueda de la generación de potencia a través de la fusión láser: la ignición de una reacción auto-suficiente que produzca más energía de la que consumieron los láseres. Los experimentos previos y las simulaciones informáticas sugieren que los 192 láseres del NIF son lo suficientemente potentes y precisos como para provocar una reacción en cadena de este tipo—una que mantendrá la combustión hasta que el combustible de hidrógeno se gaste.
Aún hay que solucionar enormes retos antes de que la fusión se pueda aprovechar para generar electricidad. Sin embargo, una vez se logre llevar a cabo este tipo de combustión por fusión controlada “estaremos ante un hecho increíble,” afirma Edgard Moses, director asociado principal de Livermore y a cargo del NIF. “Creo que estamos entrando en una nueva era.”
Disparo de láseres
Generar el proceso de fusión no será sencillo. Requiere de un tipo de instalaciones capaces de contener enormes cantidades de energía y controlarlas de manera tan precisa que se puedan dirigir a objetivos de tamaño micrométrico. Todo esto, según afirma Ian Hutchinson, profesor de ciencia nuclear e ingeniería del MIT, constituirá “un avance tecnológico increíblemente impresionante.”
La misma tarde que los técnicos dedicaron a instalar el objetivo—el sensor de alineación, otros miembros del grupo se reúnen en la sala de control del centro, con sus enormes pantallas y grupos de estaciones de trabajo. Están preparando un disparo de prueba del láser, del que eliminaron la pequeña bola de fusión; como medida de precaución, el experimento se programa para llevarse a cabo durante la noche, momento en que los trabajadores abandonan las plataformas de los láseres y la target chamber.
Antes de disparar los láseres hay que configurar 60.000 puntos de control distintos. La secuencia de eventos que lleva el pulso de láser al objetivo es demasiado compleja para ser controlada por humanos, afirma Van Wonterghem, por lo que una vez que la configuración está definida, una red de 1.500 ordenadores tomará el control y llevará a cabo la cuenta atrás final, con las manos de los investigadores cerca de los distintos botones de apagado de emergencia distribuidos a lo largo de la habitación.
Si todo funciona, los láseres proporcionarán un pulso con una potencia 500 veces mayor al punto más alto de capacidad de generación eléctrica de los Estados Unidos. El pulso provocará una explosión termonuclear—en esencia, creará una pequeña estrella.
Aumento de la potencia
Será necesario solventar una serie de problemas significativos antes de que este proceso se pueda utilizar para generar electricidad. Se espera que las reacciones de fusión produzca de 10 a 20 veces la cantidad de energía que distribuyen los láseres. Sin embargo, esto no tiene en cuenta la cantidad de energía necesaria para crear los láseres: el proceso de conversión de la electricidad en luz de láser es muy poco eficiente. Para compensar la energía malgastada, y producir la suficiente energía extra como para generar electricidad, sería necesario que las reacciones de fusión generen 100 veces la energía que proporcionan los láseres.
Desde su abarrotada oficina cerca del NIF, Moses señala que al menos existen dos métodos en potencia para solucionar este problema. Uno requiere la combinación de dos pulsos de láser en un proceso denominado ignición rápida. En teoría, esto podría reducir la cantidad de energía de láser necesaria para provocar una reacción sostenida. Sin embargo, a día de hoy el NIF no está preparado para algo como esto; es un método que se llevará a cabo en otros proyectos de fusión que en la actualidad se encuentran en construcción, y finalmente también será adoptado por el NIF.
El otro método, según Moses, consiste en combinar la fusión con la fisión, el tipo de reacción utilizada en las plantas nucleares convencionales. Esta opción no ofrece la misma posibilidad de obtener una cantidad de energía prácticamente ilimitada, como lo hace la fusión por si sola, pero podría hacer que se incrementase de forma significativa la cantidad de energía extraída del uranio, con lo que esta abundante fuente de combustible se vería mejorada ampliamente. Al mismo tiempo, podría acabar eliminando uno de los problemas principales asociados a la fisión nuclear, puesto que acabaría con casi todos los desechos radioactivos de larga duración que normalmente se producen. “Ahora mismo sólo estamos logrando obtener de 0,5 a un 1 por ciento de la energía disponible,” afirma Moses. “Nos queda por obtener un 99 por ciento.”
Los investigadores de NIF han desarrollado un plan conceptual detallado para emparejar la fusión y la fisión. La razón por la que los reactores nucleares sólo utilizan una fracción de la energía del uranio se debe a los productos que se acumulan después de la reacción, que acaban interfiriendo con las reacciones en cadena necesarias para que se siga generando energía. La fusión podría proveer una fuente de neutrones que hiciesen que estas reacciones siguiesen ocurriendo, con lo que se acabaría utilizando prácticamente toda la energía del combustible.
No todo el mundo está seguro de que la generación de energía a través de la fusión láser vaya a funcionar. Hay escépticos que se cuestionan si el NIF en particular es capaz de conseguir este tipo de fusión auto-suficiente, y afirman que las instalaciones no pueden producir pulsos de láser con energía lo suficientemente alta sin dañar los elementos ópticos del láser o sin perder el enfoque preciso sobre el objetivo que se necesita para que el combustible se comprima uniformemente. Incluso si estas instalaciones logran la fusión sostenida, para producir electricidad en una central serían necesarios unos láseres que provocasen la ignición de nuevas esferas de combustible de 10 a 15 veces por segundo. Los láseres del NIF, que se tienen que enfriar entre disparo y disparo, se pueden disparar como máximo una vez cada dos o cuatro horas. “Incluso si el NIF logra tener el éxito que se espera, aún habrá mucho camino por recorrer antes de poder transformar todo esto en una fuente de energía práctica,” afirma Hutchinson.
En NIF ya ha logrado algunos éxitos. A principios de este año, los 192 láseres se dispararon al mismo tiempo y alcanzaron unos niveles de energía lo suficientemente altos como para provocar la fusión. Aún así, los proyectos con láser llevados a cabo con anterioridad en Livermore también se suponía que alcanzarían la fusión y no lo consiguieron. Aunque se han aprendido muchas cosas desde aquel entonces, no hay garantía de que esta vez vaya a funcionar. La buena noticia es que no pasará mucho tiempo hasta que los investigadores conozcan el resultado: después de una serie de disparos de prueba, tiene sus esperanzas puestas en lograr el éxito de aquí a dos años. “Estamos deseosos de ver algunos resultados,” señala Hutchinson
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