ENERGÍA

Láser y fusión, ¿la alianza perfecta?

Observación del estado de la superficie de las redes de difracción en el recinto mecánico de PETAL donde están acondicionadas al vacío. © Agence Free Lens Philippe Labeguerie
Observación del estado de la superficie de las redes de difracción en el recinto mecánico de PETAL donde están acondicionadas al vacío.
© Agence Free Lens Philippe Labeguerie
Módulo preamplificador (MPA) que integra ambas etapas de desarrollo paramétrico en banda ancha espectral. En la primera fase del proyecto PETAL, el MPA se emplea como fuente para la demostración de la compresión de pulso. © Agence Free Lens Philippe Labeguerie
Módulo preamplificador (MPA) que integra ambas etapas de desarrollo paramétrico en banda ancha espectral. En la primera fase del proyecto PETAL, el MPA se emplea como fuente para la demostración de la compresión de pulso.
© Agence Free Lens Philippe Labeguerie

El acceso a una energía limpia e inagotable ya no es una quimera. Por lo menos eso afirman los partidarios de la fusión, quienes se alegran de que el ambicioso proyecto HiPER (High Power laser Energy Research facility) sea el centro de todas las miradas en el ámbito científico. La fusión por confinamiento inercial desarrollada en HiPER es una alternativa a la vía magnética empleada por su primo ITER(1), igualmente convincente. Queda mucho camino por recorrer pero los últimos resultados experimentales son muy esperanzadores.

Recursos inagotables, pocos residuos, bajo impacto medioambiental, seguridad a toda prueba y compatibilidad con las redes eléctricas existentes: los beneficios de la fusión son tales que la humanidad muy difícilmente podría prescindir de la misma. El procedimiento se conoce desde los años cincuenta: un encuentro forzado de los núcleos de deuterio y de tritio para producir helio, neutrones, y una enorme cantidad de energía. Simple en teoría pero complicado en la práctica, puesto que esta reacción se desencadena en condiciones de densidad y temperatura extremas.

Los estudios teóricos y experimentales concuerdan en que existen dos posibles pistas para lograrlo. Una de ellas consiste en utilizar una cámara toroidal en la que se confine plasma caliente por la acción de un campo magnético: es el enfoque utilizado en ITER. La otra pista sería el confinamiento inercial, también denominado fusión por láser, que consiste en emplear potentes rayos láser para generar una implosión de pastillas de combustible previamente comprimidas. Éste es el enfoque elegido por los creadores de HiPER.

Alto valor añadido

“Nos alegramos de que, desde 2006, HiPER forme parte de las instalaciones científicas financiadas por el Foro Europeo de la Estrategia sobre Infraestructuras de Investigación (o ESFRI, por sus siglas en inglés)”, declara Mike Dunne, coordinador general del proyecto. “Actualmente, HiPER está en su fase preparatoria, dotado con 3 millones de euros de financiación del apartado ‘Infraestructuras’ del Séptimo Programa Marco (7PM) y una cantidad mucho mayor aportada por las agencias nacionales. La fase de demostración tecnológica empezará en el 2011 para, a finales de la próxima década, acabar con la construcción de las instalaciones, cuyo presupuesto rondaría los mil millones de euros”.

Estas inversiones colosales se deben tanto a la complejidad de las innovaciones tecnológicas como a las aplicaciones que se obtendrán de ellas. “Los cincuenta años de experimentación que hemos tenido han demostrado que para producir una fusión autosostenida haría falta una temperatura cercana a los 50 millones de grados y una densidad de al menos 1 kg/cm3, es decir, 50 veces la del oro”, precisa Mike Dunne. “Además, se trata de una tecnología de alta repetición, puesto que hay que adaptar los pulsos láser de un orden de magnitud de un nanosegundo a pastillas de un milímetro de diámetro, y esto, cinco veces por segundo”. Por lo tanto, para alcanzar el objetivo de una fusión controlada, los científicos están explorando campos de la física que aún no se conocen bien y de los que se espera que salgan futuras aplicaciones.

“¡Y la lista de aplicaciones será larga!”, asegura Mike Dunne. “Cuando dominemos una tasa elevada de repetición combinada con tecnología láser de alta energía se abrirá la vía a campos tan diversos como la producción de radioisótopos, la oncología o incluso la próxima generación de focos de luz. En un nivel más fundamental, podremos esperar avances importantes en la ciencia extrema de los materiales, en la física nuclear, así como en la física de los plasmas”.

Unión de proyectos

Para ganar esta apuesta tecnológica quedan aún numerosas etapas. Cada dificultad del procedimiento HiPER es objeto de estudios preliminares. Entre ellos, el proyecto PETAL (Petawatt Aquitaine laser) financiado a los niveles europeo (FEDER), nacional (Francia) y regional (Aquitania), cuyo papel principal consiste en poner a punto la estructura láser-blanco adecuada para poner en marcha las reacciones de fusión. Las principales elecciones tecnológicas se han validado con éxito, empleando tecnología innovadora para superar los obstáculos que resultaron evidentes en el estadio experimental, y ha empezado la construcción de la infraestructura.

“En 2006, los coordinadores de los proyectos decidieron unir ambos programas PETAL e HiPER dentro de la hoja de ruta del ESFRI”, explica Christine Labaune, directora de investigación en el CNRS (Centro Nacional de la Investigación Científica francés) y miembro del comité científico de ambos programas. “En el plano científico y tecnológico, PETAL desempeña el papel de primera fase de HiPER. Desde su lanzamiento, un comité científico internacional coordina la preparación de los experimentos que permitirán validar los campos de la física que garantizarán el éxito de HiPER. Además, PETAL será una plataforma educativa que dará a los científicos la posibilidad de adquirir la destreza necesaria para la manipulación de láseres de grandes dimensiones. También servirá para que todos colaboren en un programa que aumenta la competitividad de Europa frente a nuestros homólogos estadounidenses y asiáticos”. No obstante, hay que reconocer que, mientras PETAL está programado para el 2011, las instalaciones Omega EP en Estados Unidos y FIREX en Japón ya han llegado a la fase operacional.

Técnica de altos vuelos

Hasta hace tan sólo algunos años, los científicos pensaban que podrían obtener la fusión utilizando haces de nanosegundo para comprimir el blanco de deuterio-tritio hasta obtener un punto caliente. Pero una inestabilidad demasiado elevada invalidaba este esquema. Los equipos de PETAL e HiPER decidieron seguir otra vía, como lo explica Christine Labaune. “Creemos que es indispensable separar la fase de compresión de la fase de calentamiento. Es lo que se denomina el ‘encendido rápido’. El principio es utilizar haces de petavatio(2) en pulsos cortos que sirvan de ‘chispas’, tras haber comprimido el blanco por medio de otros haces de nanosegundos. El sistema tendría que ser más fiable, con una ganancia energética superior a 1, pudiendo incluso elevarse a 10 o a 100”.

Christine Labaune prosigue: “El objetivo de PETAL es demostrar nuestra aptitud para conceptualizar las tecnologías que en el futuro vayan a generar los pulsos cortos y de alta energía necesarios para el encendido. Concretamente, una cadena láser de alta energía consta de tres partes. Un oscilador-preamplificador genera un débil pulso de pequeño diámetro, que atraviesa luego una serie de placas de cristal reforzado con neodimio y bombeado por lámpara flash, lo que va a conllevar la emisión de fotones. Estos últimos son recuperados por el láser de salida que se va intensificando poco a poco. Simultáneamente, se amplía el diámetro del pulso, con el fin de mantener una densidad energética razonable para preservar el instrumental óptico. El pulso de una fracción del picosegundo(3) en la entrada se va estirando durante todo el trayecto, luego comprimiendo de nuevo en una serie de redes, justo antes de la salida. Gracias a este procedimiento, un pulso inicial de algunos milijulios llega a alcanzar cerca de 3.500 julios, conservando su tamaño corto. Esto convertirá a PETAL en la instalación láser con la más elevada relación potencia-energía del mundo”.

Concienciar a los inversores

A tenor de las cantidades invertidas, PETAL e HiPER supondrán la posibilidad de desplegar un gran programa de investigación fundamental para comprender la materia en sus estados extremos. Sin embargo, el principal objetivo de estas instalaciones seguirá siendo la producción controlada de energía por fusión. Teniendo en cuenta que con el litio (fuente de tritio) de una batería de ordenador portátil y el deuterio presente en media bañera de agua se podrían cubrir las necesidades eléctricas del Reino Unido durante 30 años, es sorprendente el escaso interés del sector privado por invertir masivamente en estos proyectos.

“Efectivamente, es lamentable”, confirma Christine Labaune. “La única energía a largo plazo que seguirá siendo inagotable es de origen nuclear. Al plantear la fisión numerosos problemas relacionados con los residuos, la seguridad y la limitación del combustible, la única solución para la humanidad sigue siendo la fusión. Estamos seguros de que los láseres son excelentes candidatos para reproducirla en la Tierra. Por ello necesitamos la investigación aplicada. Así que sería preferible que las instituciones privadas se interesaran por este tema. Debemos encontrar qué industriales producirán nuestras centrales y obtendrán beneficios de ello en el futuro. Si invierten ahora en las investigaciones, Europa podrá mantener su independencia energética. Si nuestra comunidad científica no dispone de medios suficientes para seguir estando a la cabeza, nos volveremos completamente dependientes de países que hayan dominado el funcionamiento de esta tecnología”.

Marie-Françoise Lefèvre

  1. ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor, see “ITER véase “ITER salió de la tierra”, research*eu número 61, julio de 2009.
  2. Peta = 1015
  3. Pico = 10-12

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