impedancibolivariano
Animal
- Registrado
- 2020/09/12
- Mensajes
- 2.262
- Sexo
El camino hacia el éxito del tokamak ITER (aún en construcción) está decorado de récords de otros reactores de fusión experimentales que son más pequeños y menos ambiciosos. El pasado 21 de diciembre de 2021, el tokamak británico JET (Joint European Torus) produjo 59 megajulios de energía estimada durante 5 segundos, con un valor de Q = 0.33, es decir, produjo un tercio de la energía consumida; recuerda que hace ya 24 años produjo 21.7 megajulios durante 4 segundos con Q = 0.67. La competencia de la fusión por confinamiento magnético es la que usa el confinamiento inercial; también ha logrado un récord la instalación estadounidense NIF (National Ignition Facility), el pasado 8 de agosto de 2021 produjo una energía estimada de 1.35 MJ durante unos 4 nanosegundos con un valor de Q = 0.71. Nota que el objetivo de ITER es alcanzar Q = 10 durante más de 10 minutos (hito que se espera que logre circa 2040); la tecnología de ITER está inspirada en la de JET y el nuevo hito de JET no deja ninguna duda de que ITER logrará su objetivo con creces.
No se ha publicado ningún artículo científico con los detalles del hito de JET, sin embargo, los detalles del hito de NIF se publicaron en dos artículos el 26 de enero de 2022 en Nature y Nature Physics. Ambos estudian la fusión deuterio-tritio, D + T → α (3.5 MeV) + n (14 MeV), es decir, el deuterio 2H y el tritio 3H se fusionan produciendo una partícula alfa 4He y un neutrón 1n, produciendo una energía total de 17.5 MeV. Como NIF necesita eco mediático, en lugar de concentrar su hito en el Q = 0.71 y en la energía del neutrón (la que sería aprovechable), se decidió poner el foco mediático en la energía de la partícula alfa, que debería cumplir Qα = Q/5. El objetivo de ITER es lograr un Qα = 2 (Q = 10), mientras JET solo logró un Qα = 0.13 (Q = 0.67)
En este tema me he hecho eco de los progresos de NIF en «Gran avance en la fusión por confinamiento inercial mediante láser en el NIF,» LCMF, 09 oct 2013; «Gran avance en la fusión por confinamiento inercial en el NIF,» LCMF, 12 feb 2014; «Nuevo hito en la fusión nuclear,» LCMF, 17 feb 2014; «El láser del NIF comprime un diamante hasta cinco terapascales», LCMF, 16 jul 2014; «Nuevo hito del NIF hacia la fusión por confinamiento inercial», LCMF, 20 jun 2018; entre otras.
El NIF se encuentra en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California. Usa 192 rayos láser que inciden con una energía de 1.9 MJ en una cápsula cilíndrica (hohlraum) donde se reflejan en sus paredes interiores y se convierten en rayos X que inciden sobre una pequeña cápsula esférica con deuterio y tritio. Una técnica indirecta que provoca la implosión de la cápsula y el inicio de la reacción de fusión DT. Uno de los grandes avances de los últimos 20 años ha sido el diseño del hohlraum y de la cápsula, así como los detalles del método de inyección de energía láser.
En el artículo publicado en Nature Physics se presentan dos diseños para el hohlraum llamados tipo HYBRID-E (a la izquierda en la figura) y tipo I-Raum (a la derecha en la figura). El diseño más sencillo, HYBRID-E, corresponde a un «cilindro» con una longitud de 11.24 mm y un diámetro de 6.30 mm, con sus tapaderas abiertas con sendos agujeros de 3.64 mm de diámetro; el tamaño se suele comparar con el de un céntimo de euro, que como sabes tiene un diámetro de 16.25 mm. La esfera con el combustible (el ablator) tiene un diámetro de 2.26 mm; su superficie es de diamante (en rigor, carbono de alta densidad, HDC), con un grosor de 78 μm; el combustible tiene forma de esfera hueca, con una capa sólida de hielo de deuterio-tritio (DT) con un grosor de 65 μm, y un hueco central relleno de vapor de DT con un radio de 0.985 mm. El diseño más complicado, I-Raum, es «cilindro corrugado» con una longitud de 11.34 mm y un «diámetro» de 6.20 mm. El ablator es una esfera con 2.17 mm de diámetro; con HDC), con 83 μm de HDC, 55 μm de hielo de DT, y un hueco central con vapor de DT de 0.945 mm de radio.
El diseño del hohlraum es clave en la fusión por confinamiento inercial mediante láser. Sus detalles son resultado de gran número de simulaciones por ordenador de lo que supone que pasa en el interior del hohlraum durante la inyección de los pulsos láser, ya que no se pueden realizar medidas directas. Por cierto, como puedes imaginar, el hohlraum es destruido en cada experimento (que dura menos de diez nanosegundos). Para un futuro reactor de fusión comercial que produzca energía de forma continua habría que reemplazar el hohlraum varias veces durante cada segundo, algo que nadie sabe cómo se puede hacer. Desde el punto de vista de la fabricación del combustible (hohlraum y ablator), la fusión en el NIF es mucho más complicada que en JET o ITER, donde basta inyectar el combustible en fase gaseosa.
Se ha usado el hohlraum de tipo I-Raum en los experimentos N210220 y N201122, y el de tipo HYBRID-E en los experimentos N210207, N210307 y N201101. Los experimentos que han logrado la mayor producción de energía (y el «quemado del plasma») son N210220 (I-Raum) y N210207 (HYBRID-E). Por cierto, la notación de los experimentos es muy obvia, pero por si acaso aclaro que alude a la fecha del experimento en el NIF: N<año><mes><día>, así N210207 es un experimento realizado el 7 de febrero de 2021.
NIF usa la técnica de inyección indirecta (la inyección directa se abandonó hace una década) pues logra una distribución más uniforme del baño de rayos de X que incide sobre el ablator. Se estima que el 10–15 % de los rayos X ionizan el HDC, que explosiona (la llamada ablación, o expansión hacia afuera); por conservación del momento lineal, la capa de hielo de DT implosiona sometida a una presión de cientos de megabares (1 Mbar = 1011 Pa), que la acelera a unos 1014 m/s2, alcanzando velocidades de 350–400 km/s durante pocos nanosegundos. El proceso de ablación consume entre el 92–95 % de la energía de los rayos X, por lo que el combustible DT alcanza una (enorme) energía cinética de entre 10–20 kJ. El máximo de la presión sobre el combustible se estima en cientos de gigabares (1 Gbar = 1014 Pa). La masa de combustible DT usado es de unos 200 μg, aunque solo 20–30 μg son los responsables de la energía producida en la fusión. El plasma formado por iones y electrones alcanza un estado próximo al equilibrio térmico con una temperatura estimada de Ti ≈ Te ≈ 4–5 keV, donde 1 keV = 1.16 × 107 K (por tanto el plasma se encontrará entre 46 y 50 millones de kelvin).
Me gustaría destacar que la energía producida en la fusión, así como los parámetros pico del plasma DT en implosión, no se pueden medir en el experimento; se estiman a partir de medidas indirectas apoyadas por simulaciones en supercomputadores. Así en el centro del plasma se estima que se cumple el criterio del producto triple de Lawson (1957), que garantiza la ignición de la fusión; el producto triple que se usa en el confinamiento inercial en el NIF es P (⟨σν⟩/T2) τ, donde P es la presión, T es la temperatura, τ es el tiempo de confinamiento y ⟨σν⟩ es la reactividad termonuclear (que depende de la temperatura). Según las simulaciones por ordenador se estima ⟨σv⟩ ≈ 4.2×10−20 Ti3.6 (en unidades de cm3/s para una temperatura de los iones entre 3.5 < Ti < 6.5 keV. Sin entrar en más detalles, con este criterio se afirma que los experimentos N210207 y N210220 han logrado la producción de energía por fusión (el «quemado del plasma»), algo que también podrían haber logrado los experimentos N201101 y N201122 (la notación N<año><mes><día> alude a la fecha del experimento en el NIF).
Como todo el mundo está interesado en saber lo lejos que se ha llegado respecto a la ignición, creo que conviene presentar esta figura con el rendimiento Yamp (amplification yield) respecto al umbral de ignición inferido en los experimentos ITFX (ignition threshold factor experimentally inferred). El rendimiento de una masa m de DT durante el tiempo de confinamiento τ está dado por Y ≈ 5 m Pα τ, donde Pα = 8.2 × 1024 ρ ⟨σν⟩ GJ/g/s es la potencia específica de fusión para una masa de DT con densidad ρ y una reactividad termonuclear ⟨σν⟩. Como muestra la figura se ha alcanzado un rendimiento Yamp < 6, cuando la ignición se estima que requiere Yamp > 20. Luego falta un factor de tres, que parece poco; ¿cuánto tiempo falta para lograrlo? Que yo sepa nadie lo sabe; pero como curiosidad me gustaría destacar que el punto marcado con «High Foot» con Yamp ≈ 1 hace referencia a los experimentos realizados en 2013; una extrapolación naif nos podría hacer pensar que la ignición está a menos de una década.
Como ya he comentado, me gustaría que NIF lograra la ignición en la década de los 2020, pero tengo serias dudas; falta mucho camino por recorrer y, en rigor, no sabemos si Yamp = 20 será suficiente. Aún así, si NIF lo lograse antes de 2037 se adelantaría a ITER. Pero que nadie se equivoque, esto no implicaría que el confinamiento inercial fuera una tecnología de fusión más prometedora hacia los reactores de fusión comerciales. La tecnología del confinamiento magnético en tokamaks seguiría siendo mucho más madura de cara a la fusión comercial; hacia un futuro «Sol en la Tierra» que use agua del océano como combustible.
Última edición:
