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Alternativas al confinamiento magnético

Fusión por láser, dispositivos lineales y combustibles avanzados

Aleksandra Peeva

Trabajadores de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) inspeccionan un conjunto óptico final durante un período de mantenimiento ordinario. La instalación NIF, que se encuentra en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, es el sistema láser de mayor tamaño y más alta energía del mundo. (Fotografía: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore)

La fusión por láser es un método para iniciar reacciones de fusión nuclear y una posible alternativa al confinamiento magnético. Se basa en el confinamiento inercial, en el que se emplean láseres de alta potencia para calentar y comprimir diminutas cápsulas esféricas que contienen pastillas de combustible compuestas de isótopos del hidrógeno como el deuterio y el tritio.

La elevada temperatura a la que se somete la superficie de la cápsula provoca la microimplosión del combustible y, de resultas de ello, la capa superficial de la pastilla se destruye y explota. La inercia creada por este proceso mantiene el combustible confinado durante un lapso lo suficientemente prolongado como para que se produzcan reacciones de fusión.

Los experimentos en el ámbito de la fusión por láser se iniciaron en la década de 1970. En la actualidad, la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en los Estados Unidos de América, tiene 192 haces de láser y es, con diferencia, la instalación de láser más grande del mundo. En ella, los láseres calientan las paredes interiores de un contenedor de forma cilíndrica chapado en oro, llamado hohlraum, donde se encuentra la cápsula que contiene la pastilla de combustible de deuterio y tritio. La interacción entre el láser y el hohlraum genera rayos X, que calientan y comprimen la cápsula hasta crear un punto caliente en el centro de la pastilla en el que tienen lugar las reacciones de fusión.

Para alcanzar la ignición, es decir, el punto en el que la fusión pasa a ser totalmente autosostenida, las cápsulas de la instalación NIF deberían liberar unas 30 veces más energía de la que absorben.

“En los últimos cinco años hemos logrado importantes avances en la instalación y ahora mismo podemos producir entre 2,5 y 3 veces más energía de la que introducimos en el punto caliente del combustible —dice Brian Spears, Jefe Adjunto de Modelización en Fusión por Confinamiento Inercial en la instalación NIF—. Multiplicar por 30 la energía que se consigue sigue siendo una meta importante, pero este no es un proceso lineal y ya hemos adoptado muchas medidas técnicas importantes para lograrlo.”

A fin de que la fusión sea comercialmente viable es fundamental que la presión central dentro del punto caliente del combustible sea varios miles de millones de veces superior a la atmosférica. En la instalación NIF se han conseguido importantes avances en esta esfera sustituyendo las cápsulas de plástico por cápsulas microcristalinas de carbono de alta densidad, lo que ha mejorado tanto los elementos técnicos utilizados para mantener las cápsulas como las estructuras empleadas para llenar las cápsulas con combustible de fusión. Esto permitió a los expertos aumentar considerablemente la eficiencia del acoplamiento energético entre la energía que produce el láser y la que absorbe la cápsula y, en última instancia, producir más energía.

“Todavía tenemos por delante importantes desafíos científicos, pero los avances recientes en la instalación NIF y en otras instalaciones demuestran que estamos cada vez más cerca de alcanzar el umbral de ignición por medio de la fusión por láser”, afirma el Sr. Spears.

En 2020 el OIEA puso en marcha un nuevo proyecto coordinado de investigación (PCI) titulado “Vías hacia la energía derivada de la fusión por confinamiento inercial: investigación de materiales y desarrollo de tecnologías”. El proyecto, en el que participan 24 institutos de 17 países y que es el cuarto en una serie de PCI en este ámbito, se centra en el desarrollo de diseños de cápsulas de alta ganancia que permitan lograr una fusión completamente autosostenida.

Fusión por colisión de haces

Otra alternativa a los enfoques del láser y el confinamiento magnético es utilizar haces de iones generados por aceleradores de partículas y hacerlos colisionar entre sí, de forma que la fusión se produce en el punto en el que colisionan. Una gran desventaja de este método es la elevada probabilidad de que las partículas reboten sin llegar a fusionarse ni a producir energía.

La empresa privada estadounidense TAE Technologies utiliza un dispositivo linear: un reactor cilíndrico de 25 metros de longitud. Para conseguir la fusión se lanzan desde cada extremo del reactor dos plasmas, que colisionan y se unen en una nube en el centro. Posteriormente se bombardea la nube con átomos de deuterio para hacerla girar, de forma que los plasmas se mantienen calientes y estables.

Del confinamiento alternativo a los combustibles avanzados

Otra ventaja de la fusión mediante láseres o dispositivos lineales es que estos métodos podrían adaptarse más fácilmente para usar combustibles distintos del deuterio y el tritio. Tradicionalmente se ha utilizado una mezcla de estos isótopos del hidrógeno para lograr la fusión, ya que la temperatura que necesitan para alcanzar la tasa de reacción más elevada es menor que en el caso de otros combustibles.

Sin embargo, el tritio es radiactivo y no se encuentra de forma natural en cantidades significativas, sino que hay que producirlo a partir de una reacción nuclear entre los neutrones generados en la fusión y el litio que rodea la pared del reactor. La energía de estos neutrones presenta también importantes desafíos en lo que respecta a los materiales utilizados en la cámara de vacío del reactor, puesto que, cuando los neutrones chocan con las paredes del reactor, las estructuras y componentes de este se vuelven radiactivos. Esto obliga a plantearse consideraciones adicionales en materia de seguridad radiológica y disposición final.

Para sortear los desafíos que implica el uso de tritio se están llevando a cabo experimentos con combustibles de fusión alternativos o avanzados, como la fusión protón‑boro 11 (p‑B 11). El boro 11 no es radiactivo y constituye aproximadamente el 80 % de todo el boro presente en la naturaleza, por lo que está disponible en grandes cantidades. No obstante, el problema principal que plantea la fusión p‑B 11 es que el plasma tendría que estar a una temperatura cien veces superior a la del plasma que contiene deuterio y tritio. Afortunadamente, en el caso de la ignición por láser o los dispositivos lineares, el calentamiento se limita a los puntos calientes y no es necesario que todo el plasma alcance una temperatura muy elevada.

“La fusión p‑B 11 es la fuente de combustible más limpia y respetuosa con el medio ambiente que existe en la Tierra, no genera subproductos nocivos y existen reservas suficientes en la naturaleza para mantener el planeta durante milenios. Estos factores, tomados conjuntamente, pueden maximizar la seguridad, la economía, la eficiencia y la durabilidad de las centrales de fusión —explica Michl Binderbauer, Director Ejecutivo de TAE—. La principal dificultad de la fusión p‑B 11 es que para sostener la reacción de fusión se necesitan temperaturas más altas que las que se precisan para otros ciclos de combustible. TAE ha desarrollado un concepto de confinamiento alternativo para afrontar este desafío.”

Así pues, los combustibles avanzados podrían ofrecer una solución más eficaz y eficiente para producir energía de fusión en el futuro.

May, 2021
Vol. 62-2

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