miércoles, 12 de febrero de 2014

La fusión nuclear por confinamiento inercial (FCI)


En un artículo titulado "Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion" y publicado hoy 12 de Febrero en Nature, el autor del mismo, Omar Hurricane (Lawrence Livermore National Laboratory), anuncia que ha logrado una reacción de fusión nuclear en la cual la energía liberada es superior a la energía absorbida en la reacción. ¡Una gran noticia!... pero sólo aplicable a nivel del combustible. Esto no ocurre cuando se aplica a todo el sistema del reactor como tal.

Todo esto ha ocurrido en National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en California. El NIF inició su actividad en el año 2009 y usa el confinamiento inercial e iluminación indirecta con un láser de Nd con 192 haces de 350 nm y hasta 500 TW,  para lograr la fusión nuclear. Bien, ¿y qué tiene que ver todo esto con la imagen que encabeza el artículo? Sigue leyendo y descubrirás lo que es el confinamiento inercial. Arrancamos...

El confinamiento inercial

En una reacción de fusión nuclear es básico lograr el adecuado confinamiento del combustible. Existen dos tipos. Por un lado el confinamiento magnético (FCM), usado por el ITER europeo y logrado usando campos magnéticos externos. Por otro lado el confinamiento inercial (FCI), usado por el NIF americano y protagonista de la noticia publicada en Nature.

El confinamiento inercial trata de lograr las condiciones adecuadas para la ignición termonuclear durante breves décimas de nanosegundo. Para ello es básico usar dos elementos: un haz láser, que incidirá sobre el combustible nuclear. Como combustible nuclear se usa una esfera hueca de 1 a 2 mm de radio y que contiene unos 3 miligramos de deuterio-tritio (DT). Esta cápsula tiene tres capas. La más exterior tiene unos 0,003 mm de expesor y es de una forma plástica de CH. La intermedia contiene DT helado y el núcleo contiene DT gaseoso.


Básicamente los pasos que se siguen para lograr la reacción de fusión nuclear son:
- La cápsula se introduce en el interior de la cavidad donde ocurrirá la reacción y se dispara sobre la misma haces láser (también puede ser de iones) aumentando la energía de la capa externa. Alrededor de esta capa se crea una envoltura de plasma caliente.
- Esta energía se transfiere al interior de la cápsula y ocurre una implosión del combustible (el DT). A medida que la capa externa libera la energía de la fusión -a causa de la energía transferida por el láser-, se comprime la región interior.
- Al comprimirse el interior, la energía cinética de las partículas del interior se transforma en energía interna muy rápidamente, causando un súbito aumento de temperatura en la región central, aunque no en el resto del combustible.

Esta reacción ocurre únicamente en una parte del DT existente en la cápsula (el DT situado en la región más central) y las partículas alfa creadas en la reacción y con poco alcance, favorecen la propia reacción en el núcleo de la cápsula. Las que logran escapar hasta la capa externa causa que aumente su energía y de este modo, también sale favorecida la reacción.

NIF. Crédito: Lawrence Livermore National Laboratory
Durante este periodo de tiempo, denominado tiempo de confinamiento, el combustible aumenta su densidad, y la radiación y neutrones emitidos se depositan en las paredes de la cámara donde se realiza el proceso, siendo absorbida su energía y transferida a un líquido refrigerante. A partir de aquí se inicia un ciclo termodinámico del cual no trataremos. Voilá. Ya tenemos energía.

El láser

Para este proceso se suelen usar láseres de hasta 1 PW, los cuales pueden durar hasta cientos de femtosegundos con intensidades superiores a 10^18 Wcm^(-2). Este tipo de láseres es capaz de generar electrones de varios cientos de MeV. En FCI se suelen emitir los pulsos en dos etapas. En la primera un pulso de 10^18 Wcm^(-2) perfora la envoltura de plasma. A continuación, un segundo pulso de 10^20 Wcm^(-2) penetra al interior y causa que los electrones cercanos al combustible aumenten enormemente su energía, la cual es transmitida al combustible y se inicie la ignición. Este mecanismo es conocido como ignición rápida.

Sin embargo hay dos formas de 'atacar' la cápsula de combustible con el láser, mediante iluminación directa o mediante iluminación indirecta.

Iluminación directa

El láser incide directamente en la capa exterior de la cápsula, de la cual se evapora material superficial y crea una envoltura de plasma. A continuación la energía se transmite al interior por conducción térmica. A la vez, la superficie que interacciona con el láser avanza hacia el interior comprendiéndolo y creando ondas de choque en el combustible, hasta acelerarlo a unos 400.000 m/s.

Sin embargo, para lograrlo la desviación del haz láser respecto a la normal de la superficie esférica de la cápsula debe ser inferior al 1%, obligando a realizar un enfoque muy preciso y el uso de muchos haces. Esto supone un difícil problema de solucionar.

Iluminación indirecta

La iluminación indirecta, usada por el NIF, salva el inconveniente que tiene la directa. Para ello la cápsula se sitúa en el interior de un cilindro relleno de un gas inerte y cuyas dimensiones son 2 cm de largo y 7 mm de diámetro. Por los extremos entra el pulso láser que colisiona con las paredes interiores del cilindro. Las paredes absorben el pulso y lo reemiten en forma de rayos X blandos. Así comienza un ciclo de absorciones y reemisiones (hasta 10 veces)  que crea un campo isótropo de radiación. De este modo se logra evitar la perfecta simetría en los haces usados en la iluminación directa.

Unas pocas fórmulas

Pero sólo unas pocas. Para que la reacción ocurra el tiempo de confinamiento T(C) debe ser comparable con el tiempo de quemado termonuclear T(Q). Ambos tiempos vienen dados por las siguientes expresiones:
donde R es el radio exterior del combustible, m la masa equimolar (en el caso del DT es unas 2,5 veces la masa del protón), K la constante de Boltzmann, T la temperatura, o la sección eficaz de fusión, v la velocidad de los iones del plasma y n la densidad de iones.

La eficiencia del quemado viene dada por la siguiente expresión:
en la cual, sustituyendo por las expresiones de los tiempos de confinamiento y de quemado termonuclear, podemos ver que depende principalmente de la densidad del combustible y del radio de la cápsula.

Bibliografía

- "Física nuclear y de partículas". A. Ferrer Soria. Editorial PUV. 2006
- "Óptica". E. Hecht. Editorial Pearson. 2000
- "Física Cuántica". C. Sánchez del Río. Ediciones Pirámide. 2003
- "Fusión por confinamiento inercial: en el umbral de la ignición". J.J. Honrubia, A.R. Piriz, J. Sanz y M. Perlado. Revista Española de Física (RSEF). 2014

P.D.: ¿Encontráis ahora la relación entre la imagen que encabeza el post y el confinamiento inercial?

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