Más energía de salida que de entrada. Durante 7 décadas, los científicos de la fusión han perseguido este elusivo objetivo, conocido como ganancia de energía. A la 1 a. m. del 5 de diciembre, los investigadores del Centro Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés) en California finalmente lo lograron, enfocando 2,05 megajulios (MJ) de luz láser en una pequeña cápsula de combustible de fusión y provocando una explosión que produjo 3,15 MJ de energía: la equivalente a unos tres cartuchos de dinamita.
“Esto es extremadamente emocionante, es un gran avance”, dice Anne White, física de plasma del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Mark Herrmann, quien dirige NIF como director del programa de física y diseño de armas en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, dice que se siente «maravilloso» y agrega: «Estoy muy orgulloso del equipo».
El resultado, anunciado hoy por funcionarios del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), representa una inyección de energía para los investigadores de fusión, que durante mucho tiempo han sido criticados por prometer demasiado y no cumplir. Fusion tiene la tentadora promesa de abundante energía libre de carbono, sin muchos de los dolores de cabeza radiactivos de la energía nuclear impulsada por fisión. Pero lograr que los iones de hidrógeno se fusionen en helio y liberen energía requiere temperaturas de más de 100 millones de grados centígrados, condiciones que son difíciles de lograr y mantener. El resultado de NIF muestra que es posible, al menos por una fracción de segundo. “Tres MJ es un infierno de mucha energía. Muestra que algo está funcionando”, dice el físico de plasma Steven Rose del Imperial College London.
A pesar de la fanfarria, las centrales eléctricas de fusión siguen siendo un sueño lejano. NIF nunca fue diseñado para producir energía comercialmente. Su función principal es crear explosiones termonucleares en miniatura y proporcionar datos para garantizar que el arsenal de armas nucleares de EE. UU. sea seguro y confiable. Muchos investigadores creen que los tokamaks en forma de horno son un mejor diseño para la energía comercial porque pueden soportar «quemaduras» de fusión más prolongadas. En un tokamak, las microondas y los rayos de partículas calientan el combustible y los campos magnéticos lo atrapan. “El desafío es hacerlo sólido y simple”, dice White.
Sin embargo, el principal dispositivo tokamak, el reactor ITER en construcción en Francia, es todo menos simple. Está muy por encima del presupuesto, se ha retrasado mucho y no alcanzará el punto de equilibrio hasta finales de la década de 2030 como muy pronto. Con el nuevo éxito de NIF, los defensores de tal «energía de fusión inercial» basada en láser presionarán para obtener fondos para ver si pueden competir con los tokamaks.
El NIF de 3500 millones de dólares comenzó su campaña de «encendido» en 2010. Su láser, alojado en un edificio del tamaño de tres campos de fútbol estadounidenses, emite un potente pulso infrarrojo de nanosegundos de duración dividido en 192 haces que se convierten en luz ultravioleta. Los rayos se enfocan en el objetivo: una lata de oro del tamaño de un borrador de lápiz que contiene una cápsula de combustible del tamaño de un grano de pimienta. Calentado a millones de grados, el oro emite rayos X que vaporizan la cubierta de diamante de la cápsula. El diamante explotado implosiona el combustible, comprimiéndolo y calentándolo.
Si la compresión del combustible es lo suficientemente simétrica, las reacciones de fusión comienzan en un punto caliente central y se propagan suavemente hacia el exterior, con el calor de la fusión provocando más combustión. Esa quemadura autosostenida es lo que define la ignición, y después de más de una década de esfuerzo, los científicos del NIF declararon que habían logrado ese hito después de que un disparo en agosto de 2021 produjera el 70% de la energía láser de entrada. Pero el financiador de NIF, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del DOE, estableció el objetivo de NIF como una ganancia de energía mayor que uno, el umbral que superó la semana pasada.
Ir esa milla extra no fue fácil. Después de la toma de agosto de 2021, el equipo de NIF descubrió que no podía repetirla. Usar una cápsula de diamante suave resultó ser clave: la de agosto de 2021 había sido la más perfectamente suave y esférica que habían hecho. “Tuvimos que aprender a mejorar las cápsulas”, dice Herrmann. También hicieron la cápsula un poco más gruesa, lo que proporcionó más impulso para la implosión pero requirió un pulso láser más largo y potente. Así que ajustaron el láser para sacar más jugo, aumentando la energía de 1,9 MJ a 2,05 MJ.
Un disparo en septiembre produjo 1,2 MJ, lo que mostró a los investigadores del NIF que estaban en el camino correcto, pero la simetría era mala: el combustible se aplastó en un panqueque en lugar de una bola apretada. Al ajustar la energía entre los 192 rayos del láser, pudieron obtener una implosión más esférica, y la semana pasada finalmente ganaron el premio gordo. “El fenómeno físico ha sido demostrado”, dice Riccardo Betti del Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester.
Sin embargo, si ganancia significaba producir más energía de salida que electricidad de entrada, NIF se quedó corto. Sus láseres son ineficientes y requieren cientos de megajulios de electricidad para producir 2 MJ de luz láser y 3 MJ de energía de fusión. Además, una planta de energía basada en NIF necesitaría aumentar la tasa de repetición de un disparo por día a alrededor de 10 por segundo. Se necesitaría fabricar, llenar, posicionar, volar y limpiar un millón de cápsulas al día, un gran desafío de ingeniería.
El esquema NIF tiene otra ineficiencia, dice Betti. Se basa en el «impulso indirecto», en el que el láser dispara la lata de oro para generar los rayos X que realmente provocan la fusión. Solo alrededor del 1% de la energía del láser llega al combustible, dice. Prefiere la «impulsión directa», un enfoque seguido por su laboratorio de Rochester, donde los rayos láser se disparan directamente sobre una cápsula de combustible y depositan el 5% de su energía. Pero el DOE nunca ha financiado un programa para desarrollar la fusión por inercia para la generación de energía. En 2020, el Comité Asesor de Ciencias de la Energía de Fusión de la agencia lo recomendó, en un informe en coautoría de Betti y White. “Necesitamos un nuevo paradigma”, dice Betti, pero “no hay un camino claro sobre cómo hacerlo”.
Ahora que NIF ha descifrado la nuez, los investigadores esperan que la fusión láser gane credibilidad y que fluya más financiación. Después del largo trabajo para llegar hasta aquí, Betti bromea sobre pasar la batuta. “Este es un primer paso muy importante”, dice. “Lo hemos hecho ahora, así que puedo retirarme”.
