La instalación de fusión por láser vuelve a la mesa de dibujo


Dentro de la cámara de destino en la Instalación Nacional de Ignición de EE. UU., los científicos enfocan 192 rayos láser en una cápsula de oro que contiene deuterio y tritio, en un intento por lograr la fusión nuclear.Crédito: Lawrence Livermore National Laboratory/Science Photo Library

Hace casi un año, los científicos de la instalación de fusión láser más grande del mundo anunciaron un logro histórico: rompieron todos los récords y produjeron, incluso por una fracción de segundo, una enérgica reacción de fusión del tipo que alimenta las estrellas y las armas termonucleares. Sin embargo, los esfuerzos por replicar esa experiencia no tuvieron éxito. templar la naturaleza Se enteró de que a principios de este año, los investigadores de la instalación de California cambiaron de dirección y reconsideraron su diseño experimental.

El giro de los acontecimientos ha renovado la controversia sobre el futuro de la Instalación Nacional de Ignición (NIF), un dispositivo de 3500 millones de dólares ubicado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y supervisado por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA), una rama de los Estados Unidos. El Departamento de Energía, que gestiona las armas nucleares. La tarea principal del NIF es crear reacciones de fusión de alto rendimiento e informar el mantenimiento de las reservas de armas estadounidenses.

Según algunas medidas, el disparo láser registrado el 8 de agosto de 2021 demuestra que la instalación, que costó mucho más y produjo mucho menos de lo prometido originalmente, finalmente cumplió su misión principal. Dicho esto, los intentos repetidos produjeron en el mejor de los casos el 50% de la energía producida a fines del año pasado. Los investigadores no esperaban una navegación tranquila mientras intentaban replicar el experimento, porque el dispositivo voluminoso ahora está operando en la cúspide de los “destellos” de fusión, donde las pequeñas diferencias no deseadas de un experimento a otro pueden tener efectos enormes en la producción. Sin embargo, para muchos, la imposibilidad de reproducir el experimento de agosto pasado subraya la incapacidad de los investigadores para comprender, diseñar y predecir con precisión los experimentos a estas energías.

Ruta de ignición: un gráfico de barras que muestra las reacciones de fusión logradas por la Instalación Nacional de Ignición desde 2012.

Fuente: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore

Omar Hurricane, científico jefe del programa de fusión inercial de Livermore, pidió seguir adelante con el diseño experimental actual para explorar este sistema de energía, en lugar de retroceder para volver a ensamblarlo. “El hecho de que hagamos esto es una especie de prueba de existencia de que podemos hacerlo”, dice. “Nuestro problema es hacerlo con frecuencia y de forma fiable”. Sin embargo, dice, el liderazgo del programa ha tomado la decisión de detener los experimentos de iteración y centrarse en los próximos pasos que podrían llevar a NIF más allá del umbral de integración y hacia un sistema completamente nuevo y más predecible, donde los retornos son mucho mayores que en agosto. experimentar. .

Algunos investigadores de la comunidad han cuestionado durante mucho tiempo la utilidad de NIF y, para ellos, todo el episodio destaca los notables logros de la instalación, así como sus limitaciones fundamentales. “Creo que deberían llamarlo un golpe y una parada”, dice Stephen Bodner, un físico que anteriormente dirigió el programa de fusión láser en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. en Washington, D.C. Bodner dice que NIF es un callejón sin salida tecnológico y que es hora de prepararse para una nueva generación de láseres que podrían abrir la puerta a la energía de fusión.

persecución de encendido

NIF se inauguró en 2009 con la promesa de lograr la ignición por fusión, definida por la Academia Nacional de Ciencias (NAS) de EE. UU. como un experimento que genera más energía de la que consume. Después de que se pasara la fecha límite inicial para lograr la ignición en 2012, los científicos de Livermore comenzaron un esfuerzo de diez años para afinar el sistema (ver: ‘El camino hacia la ignición’). Finalmente, en agosto pasado, después de una serie de modificaciones a aspectos de la instalación, incluido el láser y el objetivo de ignición, una cápsula de oro que contiene granos congelados de los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio, tuvieron un momento decisivo.

En menos de 4 mil millonésimas de segundo, 192 rayos láser enviaron 1,9 megajulios de energía al objetivo. Cuando la cápsula colapsó, los isótopos de hidrógeno en el núcleo de la pastilla comenzaron a fusionarse en helio, liberando un torrente de energía y creando una reacción en cadena que finalmente liberó más de 1,3 megajulios de energía, aproximadamente 8 veces el récord anterior y 1000 veces la mejora en First experiencias.

Aunque no cumple con la definición de ignición de la NAS, el disparo resultó en una reacción de fusión de alto rendimiento que se calificó con seguridad como ignición de acuerdo con los criterios utilizados por los científicos del NIF. Hurricane lo llama “el momento de los hermanos Wright”, e incluso los críticos más duros del NIF, incluido Bodner, se han quitado el sombrero.

En septiembre, los líderes del programa de fusión inercial en confinamiento presentaron un plan para tres experimentos para determinar si se podía replicar el resultado de agosto. Los experimentos comenzaron en octubre y produjeron solo entre 400 y 700 kilojulios de energía. Aunque estos resultados aún representan un cambio incremental en el proceso NIF, no se acercan al avance de agosto, ni fueron más allá de lo que los científicos de NIF describen como el umbral de ignición.

Hurricane dice que el análisis del equipo de esos experimentos indica que las inconsistencias en la fabricación de objetivos y los cambios inevitables en el rendimiento del láser debido a su vida útil producen diferencias sutiles, pero significativas, en la forma de la implosión. “Entendemos por qué los disparos repetidos funcionaron como lo hicieron”, dice, “pero todavía estamos tratando de determinar exactamente qué tienen estos aspectos de ingeniería que necesitamos controlar mejor”.

A la luz de estos hallazgos, Hurricane solicitó experimentos iterativos adicionales que podrían usarse para comprender mejor la variación de disparo. Sin embargo, los líderes del programa han optado por seguir adelante, y Hurricane dice que el equipo ahora está buscando formas de aumentar la potencia del láser en más del 10 %, así como modificar objetivos que puedan hacer un uso más eficiente de esa energía.

Mark Hermann, subdirector de física básica de armas en Livermore, dice que el laboratorio recibió muchos comentarios de más de 100 científicos involucrados en el programa. Pero subraya que el objetivo a largo plazo es lograr rentabilidades dos veces superiores a las que se lograron incluso en agosto pasado. “Mientras estemos haciendo un buen estudio científico sistemático, este es el más importante en mi opinión”, agrega.

informe de caja

Hasta cierto punto, era de esperar que el laboratorio no replicara el experimento de Augustus, porque el láser ahora está operando en un “acantilado de ignición”, dice Ricardo Petti, quien dirige el Centro de Fusión Láser en la Universidad de Rochester en Nueva York. Proporciona evaluaciones independientes de ensayos en el NIF. “Si estás en un lado del precipicio, obtienes demasiado producto de fusión, y si estás en el otro lado del precipicio, obtienes muy poco”, dice. Él dice que el laboratorio aún no tiene la precisión empírica para predecir de qué lado aterrizará un experimento en particular.

Las preguntas sobre la ciencia básica y el poder predictivo estuvieron en el centro de una revisión clasificada de las contribuciones científicas del NIF al programa de armas nucleares de EE. UU. que JASON, un panel científico independiente que asesora al gobierno de EE. UU., presentó a la NNSA el año pasado. En un resumen ejecutivo no confidencial del informe, obtenido por templar la naturaleza Según la Ley de Libertad de Información de EE. UU., el comité reconoció las capacidades del NIF, pero afirmó que era poco probable que la instalación lograra un “encendido predecible y repetible” en los próximos años.

El informe se completó y se entregó a la NNSA cuatro meses antes del tiroteo de agosto, y Hurricane y otros argumentaron que era inoportuno y demasiado pesimista.

Los miembros del equipo de JASON pidieron un replanteamiento fundamental del software en su informe, y esta discusión ya ha comenzado en la comunidad más amplia de fusión láser. Los científicos del NIF y de otros lugares están estudiando formas de reconfigurar los láseres existentes, mientras que otros están impulsando diseños completamente nuevos que podrían proporcionar vías más prácticas hacia la energía de fusión.

Por su parte, el huracán no tiene prisa. Afirma que el dispositivo ahora está operando en un importante sistema de fusión que será útil para comprender y predecir la confiabilidad de las armas nucleares.

“Una vez que obtengamos más energía y más previsibilidad, estarás un poco por delante de la curva en física interesante”, dice Hurricane. Si el entendimiento y los mejores eruditos y gobernantes [of the nuclear stockpile] Es tu objetivo, ese es el sistema en el que estás trabajando”.

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