Blog

Sep 03, 2023

Noticias de Óptica y Fotónica

Edwin Cartlidge Un esquema de láser desvalido puede ser el mejor ubicado para entregar

Edwin Cartlidge

Un esquema de láser desvalido puede estar en la mejor posición para ofrecer energía de fusión competitiva.

El láser de fluoruro de argón Electra del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. [J. Steffen, Marina de los EE. UU.]

El 5 de diciembre de 2022, los físicos que trabajan en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), EE. UU., registraron una enorme explosión de neutrones en sus detectores experimentales. NIF es el láser más grande del mundo y genera reacciones de fusión implosionando rápidamente gránulos de isótopos de hidrógeno utilizando destellos de luz excepcionalmente intensos y energéticos. La avalancha de neutrones indicó que los investigadores, después de muchos años de intentos, finalmente lograron el "encendido", produciendo aproximadamente 1,5 veces más energía que la presente en el pulso láser.

El logro condujo a un renovado optimismo de que la fusión podría producir lo último en soluciones energéticas: una fuente de electricidad abundante, ecológica y de carga base que no crea desechos radiactivos de larga duración. Pero aunque los científicos aplaudieron el resultado, algunos no estaban convencidos de que NIF proporcionaría la tecnología para una planta de energía de fusión en funcionamiento.

Los láseres de NIF solo iluminan los postes de un objetivo, lo que les permite ingresar a las aberturas en cada extremo de un hohlraum (arriba). [LLNL]

NIF se basa en la fusión de "accionamiento indirecto", que consiste en triturar gránulos de combustible con rayos X producidos al dirigir los 192 rayos láser de la instalación a una lata de oro, o "hohlraum", que rodea el gránulo. Este enfoque tiene sus virtudes, en particular, que los rayos X ayudan a suavizar la implosión. Pero muchos científicos argumentan que la gran cantidad de energía que se pierde al generar los rayos X, unas tres cuartas partes del total, hace que el esquema no sea un buen comienzo para aprovechar el rendimiento de la fusión en una planta de energía comercial.

En cambio, estos expertos abogan por el "impulso directo", conceptualmente más simple. Esto implica entrenar rayos láser en la propia cápsula de combustible, en principio transfiriendo mucha más energía del láser al combustible nuclear y simplificando el objetivo. No hay necesidad de un hohlraum, y las cápsulas podrían fabricarse potencialmente utilizando técnicas y materiales más baratos.

La investigación en esta área se ha limitado a objetivos pequeños que producen bajos rendimientos de fusión. Pero los científicos son cada vez más optimistas de que se puede hacer que funcione la transmisión directa, en parte debido al creciente interés en la energía de fusión entre los gobiernos y especialmente en el sector privado. Además, como señala Riccardo Betti de la Universidad de Rochester, EE. UU., la tecnología láser ha logrado grandes avances en los últimos años, en particular la capacidad de operar en anchos de banda muy altos. Esa tecnología, considera, "puede cambiar las reglas del juego" para la energía de fusión.

Los científicos son cada vez más optimistas de que se puede hacer que funcione la transmisión directa, en parte debido al creciente interés en la energía de fusión entre los gobiernos y especialmente en el sector privado.

Aprovechar la energía de fusión implica confinar un plasma de núcleos ligeros, generalmente deuterio y tritio, a temperaturas tan altas que los núcleos superan su repulsión mutua y se fusionan, emitiendo energía. Si el plasma se puede mantener a densidades lo suficientemente altas durante el tiempo suficiente, los productos de reacción energéticos (partículas alfa) depositan suficiente calor para producir una combustión autosostenida, generando ignición y multiplicando la salida muchas veces.

Los físicos han seguido dos estrategias diferentes para lograr esto. Uno intenta maximizar el tiempo de confinamiento, sosteniendo un plasma bastante enrarecido dentro de una cámara grande usando imanes poderosos. El otro, en cambio, crea densidades excepcionalmente altas por un momento fugaz.

Es en la búsqueda de este segundo enfoque, conocido como fusión por confinamiento inercial, que se emplean láseres de alta potencia y alta energía. La idea es disparar pulsos de láser desde todas las direcciones a una diminuta pastilla de combustible de modo que la capa exterior de la pastilla se desprenda, y la conservación del impulso luego fuerza al resto hacia adentro a enormes velocidades (la luz por sí sola no proporciona suficiente presión de radiación).

[Agrandar gráfico] [Ilustración de Phil Saunders]

Como implica el nombre de la técnica, la inercia de la cápsula brinda la oportunidad de fusión: la pequeña fracción de segundo entre la implosión y la reexplosión cuando la temperatura y la presión en el plasma creado por la pastilla son lo suficientemente altas como para iniciar las reacciones de fusión. Las reacciones tienen lugar primero en una pequeña región central del plasma comprimido conocida como punto caliente y luego, con suficiente calentamiento por partículas alfa, se extienden al resto del combustible relativamente frío.

Los científicos del LLNL comenzaron a investigar la fusión inercial a principios de la década de 1970. Inicialmente planearon buscar la transmisión directa, pero pronto se dieron cuenta de que no podían lograr la iluminación uniforme necesaria para las implosiones simétricas de alto rendimiento. Así que cambiaron a impulso indirecto y lo han utilizado desde entonces como entrada experimental para las simulaciones por computadora utilizadas para mantener las armas nucleares de Estados Unidos. Habiendo fracasado en lograr la ignición como se había previsto originalmente en 2012, finalmente lo lograron el año pasado, produciendo 3,15 MJ de 2,05 MJ de energía láser.

En cambio, algunos investigadores en otros laboratorios han persistido con el impulso directo. Al hacerlo, se han enfrentado a una serie de inestabilidades dañinas creadas cuando los rayos láser entrantes interactúan con el plasma. Uno de ellos, la transferencia de energía transversal, se debe a los haces que interactúan en el plasma y generan una onda de sonido, que puede transferir energía de un haz entrante a uno saliente. Eso reduce la presión de la implosión.

Otro problema ocurre cuando los electrones en el plasma son acelerados por oscilaciones en la densidad de electrones, nuevamente provocadas por los rayos láser que se propagan. Estos electrones pueden penetrar el núcleo de la cápsula y calentar el combustible prematuramente. El calor adicional impide la compresión, lo que dificulta alcanzar las condiciones extremas necesarias para la ignición.

Según Betti, las inestabilidades del plasma se pueden eliminar si la luz láser tiene un ancho de banda lo suficientemente alto, lo que implica una coherencia muy limitada. Un ancho de banda de 10 terahercios (THz = 1012 Hz) equivale a un tiempo de coherencia de solo 10 a 13 s, más corto que el período de las oscilaciones de plasma más rápidas.

Un centro líder para la investigación de accionamiento directo es el Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester. Este es el hogar del láser OMEGA, que utiliza 60 haces de amplificadores de vidrio dopados con neodimio para entregar 30 kJ de energía y 30 TW de potencia en pastillas de combustible que miden menos de un milímetro de ancho. Estos experimentos han creado un plasma que produce energía de fusión de hasta aproximadamente el 3% de la energía del láser, aunque esta última es demasiado baja para poder confinar las partículas alfa de manera eficiente y, por lo tanto, autocalentar significativamente el plasma.

Parte del láser de cuarta generación de la Universidad de Rochester para experimentos de banda ultraancha (FLUX), que aumentará el ancho de banda del láser OMEGA del Laboratorio de Energética Láser para mitigar las inestabilidades láser-plasma durante los experimentos de fusión inercial. [Laboratorio de Energética Láser / Universidad de Rochester]

El rendimiento de OMEGA se ve obstaculizado en parte por el ancho de banda del láser. Utiliza cristales gruesos no lineales para convertir la radiación del infrarrojo cercano del láser en frecuencias ultravioleta más útiles, pero los cristales restringen el ancho de banda por debajo de 1 THz. En respuesta, los investigadores han estado trabajando en un proyecto llamado láser de cuarta generación para experimentos de banda ultraancha (FLUX). Esto tiene como objetivo aumentar el ancho de banda a entre 10 y 15 THz mediante el uso de una combinación novedosa de amplificación paramétrica óptica y generación de frecuencia de suma para convertir pulsos infrarrojos de banda ancha en pulsos ultravioleta de alta energía y banda ancha similar.

Después de haber demostrado la tecnología en un experimento de sobremesa, los investigadores ahora están instalando un nuevo láser de bomba y líneas de luz en OMEGA para generar pulsos de banda ancha con 150 J. Jonathan Zuegel, jefe de desarrollo de láser en LLE, dice que los experimentos con FLUX deberían comenzar en 2024 y que su capacidad para suprimir las inestabilidades del plasma láser debe demostrarse a fines de 2025. En ese momento, dice, la garantía de la capacidad de encender un objetivo debería "pasar de muy confiable a probada".

La matriz de espejos final dentro de la instalación láser de Nike en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. [Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.]

En el Laboratorio de Investigación Naval (NRL), EE. UU., otros investigadores han estado trabajando con un tipo de láser muy diferente, uno hecho de gas fluoruro de argón. Según Stephen Bodner, exjefe del programa de fusión por láser del laboratorio, el fluoruro de argón tiene varias ventajas importantes sobre el vidrio. Tiene un gran ancho de banda natural de alrededor de 10 THz. También tiene una longitud de onda corta, 193 nm en comparación con los 351 nm del vidrio, lo que le permite penetrar a densidades de plasma más altas y, por lo tanto, depositar más energía en las reacciones de fusión.

A pesar de su atractivo para la fusión por inercia y algunos experimentos iniciales a principios de la década de 1980, el fluoruro de argón se abandonó durante muchos años debido a la fragilidad de las fuentes de alimentación pulsada y la óptica dañada. Pero Bodner y sus colegas persistieron con los láseres de gas, utilizando el fluoruro de criptón de longitud de onda ligeramente más larga y menos problemático. Desde 1995 en adelante, emplearon las instalaciones de Nike de NRL para enfocar pulsos de 3 kJ en objetivos planos, demostrando que podían "acercar" el punto de iluminación durante la implosión para aprovechar al máximo la energía del láser.

Alentados por el uso generalizado de fluoruro de argón para la litografía en la industria de los semiconductores, los científicos del NRL convirtieron la instalación Electra del laboratorio de fluoruro de criptón a fluoruro de argón para demostrar un bombeo eficiente y de alta tasa de repetición con electrones. Electra no dispara rayos a un objetivo, ya que su trabajo es mejorar el rendimiento del láser. Su producción sigue siendo muy modesta, pero, sin embargo, logró un récord mundial de láser de fluoruro de argón en 2020, alcanzando unos 200 J.

Dado que los sistemas láser actuales están muy por debajo de la ignición, queda mucho trabajo por hacer en el accionamiento directo, y existen muchas opiniones sobre la mejor manera de avanzar.

Dado que los sistemas láser actuales están muy por debajo de la ignición, queda mucho trabajo por hacer en el accionamiento directo, y existen muchas opiniones sobre la mejor manera de avanzar. Vladimir Tikhonchuk, físico de plasma y fusión de la Universidad de Burdeos, Francia, cree que eventualmente, los láseres de gas podrían proporcionar una operación más robusta las 24 horas del día que los amplificadores de vidrio, dada la susceptibilidad de estos últimos al daño por láser. Pero argumenta que los láseres de vidrio están actualmente "muy, muy por delante". Un problema con el gas, dice Tikhonchuk, es la necesidad de un pulso de bombeo largo para extraer energía del volumen mucho mayor del láser. Superar el desajuste temporal que resulta entre la bomba y los pulsos de señal implica alimentar estos últimos a través del amplificador láser uno tras otro. Para garantizar que todos esos pulsos lleguen al objetivo simultáneamente, un sistema de espejos retrasa los primeros. "Esta técnica de multiplexación hace que las cosas sean más complicadas", dice.

Bodner minimiza el problema e insiste en que el espacio adicional y la complejidad "no son gran cosa". Argumenta que los láseres de vidrio enfrentan el problema real: una dependencia no lineal de su índice de refracción de la intensidad de la luz. Esto, afirma, impide la reducción del tiempo de coherencia de las ondas necesario para suavizar las variaciones de intensidad de un haz. Zuegel, por el contrario, sostiene que el tiempo de coherencia simplemente escala inversamente con el ancho de banda del láser.

Los científicos tampoco logran ponerse de acuerdo sobre el potencial de los diferentes esquemas de implosión. Al igual que NIF, los láseres de accionamiento directo pueden usar un solo pulso de láser para comprimir y calentar una cápsula, con el punto de acceso creado por una onda de choque configurada dentro del combustible que implosiona. Pero también pueden emplear pulsos gemelos, utilizando el primero para comprimir el pulso con relativamente poca energía y el segundo pulso más corto para calentar el combustible a través de una onda de choque adicional.

Conocido como "encendido por choque", este último esquema promete aumentar la ganancia para una energía láser dada; los investigadores de NRL creen que podría aumentar la ganancia de un láser de fluoruro de argón a 160. Pero Bodner argumenta que el grupo de Rochester no podrá darse cuenta de esta ventaja. porque, aunque Betti inventó la técnica, los láseres de vidrio no pueden producir pulsos cortos con suficiente potencia. Betti no está de acuerdo, argumentando que OMEGA puede eludir sus limitaciones de potencia utilizando objetivos más pequeños e insiste en que demostrar implosiones simétricas es lo que realmente cuenta, no el segundo pulso corto.

Otro concepto que utiliza pulsos de láser separados para calentar y comprimir el combustible es el "encendido rápido". En lugar de generar ondas de choque dentro de la cápsula, la idea aquí es calentar el combustible directamente desde el exterior. Esto, en principio, relaja los requisitos de simetría y ahorra energía láser, pero genera grandes dolores de cabeza (consulte "Enfocado en iones", a continuación).

[Agrandar gráfico] [Adaptado de Focused Energy]

A pesar de sus diferencias de opinión, todos los involucrados en la investigación sobre la transmisión directa están de acuerdo en que se necesitan más datos, en particular los de los experimentos en lugar de la simulación por computadora.

Los datos de mayor energía podrían recopilarse en NIF, que se ha utilizado para la investigación de accionamiento directo durante años. Pero como señala el científico jefe de fusión por confinamiento inercial del LLNL, Omar Hurricane, la instalación no es la ideal. Dado que los láseres están configurados para la investigación de impulso indirecto, solo iluminan los polos de un objetivo. Hurricane dice que un grupo de estudio consideró instalar iluminación esférica, pero descubrió que sería muy costoso y dejaría a NIF fuera de servicio durante varios años. Agrega que no parece haber "impulso en esta dirección".

En cambio, lo que se necesita, según Tikhonchuk, es un nuevo láser especialmente diseñado. Esto, dice, podría tener una energía de aproximadamente 1 MJ y una ganancia de energía de 10, y podría disparar varios disparos por hora: NIF realiza un experimento de alto rendimiento por semana como máximo. Estima que podría ser solo la mitad o un tercio del tamaño de NIF, pero aun así costaría entre US$ 1 y US$ 2 mil millones. "Si quiere dar el siguiente paso, necesitamos otra instalación", dice. "La gente entiende eso, pero es una inversión".

Zuegel confía en que LLE puede construir una instalación de próxima generación por menos de mil millones de dólares, pero no está seguro de que se encienda. Él dice que el OMEGA Next tentativamente llamado probablemente logrará anchos de banda altos mediante la multiplexación temporal de haces de tipo FLUX en muchas longitudes de onda diferentes. Señala que las discusiones sobre la energía que tendrá el nuevo láser están en curso, pero prevé que la construcción comience alrededor de 2030 y las operaciones a mediados de la década.

Mientras tanto, los físicos en Europa buscan revivir un proyecto a escala de ignición conocido como la Instalación Europea de Investigación de Energía Láser de Alta Potencia (HiPER). La propuesta se abandonó tras el fracaso inicial de NIF para lograr la ignición en 2012 como estaba previsto y los desacuerdos sobre qué esquema de implosión utilizar. Pero los defensores ahora han acordado el encendido por choque, y Tikhonchuk dice que la instalación renovada, que tal vez cueste unos pocos miles de millones de euros, podría estar en funcionamiento dentro de 10 a 15 años.

Los investigadores que trabajan con fluoruro de argón también pretenden comercializar la energía de fusión. El exdirector del programa de fusión de NRL, Stephen Obenschain, creó en 2022 la empresa LaserFusionX para realizar un plan de varias fases. La empresa tiene como objetivo desarrollar una sola línea de luz de 30 kJ, luego construir y operar múltiples líneas de luz para demostrar la ignición y una ganancia de energía de al menos 100, antes de finalmente construir una planta de energía piloto, todo por US $ 5-6 mil millones, excluyendo la inflación.

El flujo de energía en una planta de energía piloto hipotética de energía de fusión que explota un láser de fluoruro de argón de 650 kJ que opera a 10 pulsos por segundo y genera una ganancia de energía de 160 a través de un objetivo encendido por choque. [J. Bates y S. Obenschain]

De las diversas propuestas, queda por ver cuántas pueden atraer la financiación necesaria. Todos prevén una mezcla de financiación pública y privada. Obenschain, por ejemplo, apunta a depender del dinero privado para la tecnología de fusión central de LaserFusionX, aunque espera que el Departamento de Energía de EE. UU. pague para superar algunos de los grandes obstáculos para una planta de energía.

Para generar los varios cientos de megavatios de electricidad necesarios para ser competitiva, una central eléctrica de energía de fusión tendría que disparar disparos láser unas diez veces por segundo.

Para generar los varios cientos de megavatios de electricidad necesarios para ser competitiva, una planta de este tipo tendría que disparar disparos láser unas diez veces por segundo. Eso requeriría no solo láseres que funcionen de manera eficiente a altas tasas de repetición, sino también objetivos baratos y producidos en masa, un sistema para posicionar esos objetivos con rapidez y precisión, un proceso de producción de tritio y materiales resistentes a la radiación para revestir la cámara del objetivo.

Con respecto a los láseres en sí, tanto los defensores del vidrio como los del gas creen que pueden lograr las eficiencias necesarias: 15 % a 20 % para el primero y alrededor del 10 % para el segundo, combinado con una mayor ganancia. Pero ambos enfrentan desafíos de bombeo. Los láseres de fluoruro de argón dependen de complejos generadores de energía pulsada, mientras que los láseres de vidrio u otros láseres de estado sólido requieren diodos, que son mucho más eficientes que las lámparas de destello tradicionales, pero actualmente son demasiado caros.

Dada la escala "fenomenal" del desafío, Peter Norreys, de la Universidad de Oxford, Reino Unido, cree que es prudente mantener abiertas todas las opciones. Una posibilidad, dice, es construir un láser mucho más grande, hasta 20 MJ, para investigar múltiples conceptos que abarcan tanto la transmisión directa como la indirecta. Admite que esto sería extraordinariamente costoso, quizás alrededor de US$40 mil millones, y agrega que podría requerir una organización intergubernamental como la que dirige el CERN en Suiza.

Hurricane comparte la precaución de Norreys, argumentando que todavía es demasiado pronto para "elegir un ganador para las aplicaciones de energía de fusión", ya sea de accionamiento directo o indirecto. De hecho, considera que probablemente pasarán "muchas décadas" antes de que la energía de fusión sea económicamente viable, si es que alguna vez lo es.

Pero muchos están dispuestos a tomar lo que Norreys describe como el camino de "alto riesgo y alta recompensa" hacia la energía de fusión. De hecho, la firma de California Longview Fusion Energy Systems afirma que con la tecnología de accionamiento indirecto basada en el diseño objetivo de NIF, suministrará 50 MW a la red eléctrica para 2035.

Aquellos que buscan comercializar la tecnología de transmisión directa son un poco menos audaces, pero aún tienen horizontes de tiempo muy ambiciosos. Markus Roth, profesor de TU Darmstadt y director científico de la empresa de encendido rápido Focused Energy, prevé una planta piloto para fines de la década de 2030. Mientras tanto, Obenschain prevé "el comienzo permanente de una planta piloto en 16 años", un optimismo por el cual no se disculpa. "Creo que hay que ser optimista para estar en este campo", dice.

Edwin Cartlidge es un escritor científico independiente con sede en Roma, Italia.

Para referencias y recursos, visite: optica-opn.org/link/0623-directdrive.

Fecha de publicación: 01 de junio de 2023