VIII. EL CONFINAMIENTO INERCIAL Y SUS PERSPECTIVAS

LA ALTERNATIVA al confinamiento magnético para conseguir la fusión termonuclear controlada es el confinamiento inercial, que como ya se explicó, se basa en la generación rápida de energía antes de que el plasma encendido tenga tiempo de expanderse. Esta manera de producir la fusión es conceptualmente la más sencilla. Inicialmente se tiene una pelotilla de combustible a baja temperatura y se calienta rápidamente desde la superficie, creando como resultado un plasma que se comprime hasta alcanzar densidades muy elevadas y temperaturas termonucleares. Esto da lugar a una miniexplosión nuclear en el centro y el calor generado se propaga hacia el exterior, calentando el plasma que encuentra y encendiéndolo. Todo esto tiene que ocurrir antes de que el plasma comprimido se expanda y se enfríe, lo que sucede en 10 nanosegundos (10^-8 s). Si durante este tiempo se logra producir más energía que la invertida en comprimir y calentar la pelotilla, el resultado del experimento es favorable. Para medir el desempeño se define la ganancia de energía, de manera análoga a como se hizo al final del capítulo II, como el cociente Q = (energía de fusión producida) / (energía del haz incidente); y lo que mínimamente se requiere es Q> 1.

Para calentar las pelotillas se utiliza un impulsor capaz de transferir a nuestro blanco (la pelotilla) cantidades muy grandes de energía en tiempos sumamente cortos. El impulsor consiste en un conjunto de haces (de láser o de partículas energéticas) distribuidos uniformemente alrededor de la pelotilla, que producen una irradiación esféricamente simétrica. Los haces deben ser capaces de concentrar la energía en regiones muy pequeñas, ya que los diámetros de las pelotillas son de unos cuantos milímetros. El calentamiento por los haces se concentra en la superficie del blanco, así que el material en esta zona se separa formando una corona de plasma en donde se generan electrones energéticos y radiación. Los haces deben poder atravesar la corona para seguir calentando más adentro, pero sólo podrán penetrar hasta cierta distancia debido a los efectos de la absorción. Más allá de esta distancia, el calentamiento puede continuar a través de la energía transportada por los electrones y la radiación, generados en la corona. A medida que se calienta, el material se va evaporando por un proceso de ablación, pero en respuesta a la evaporación, que es hacia afuera, hay una reacción del material interno, de moverse hacia adentro. Es el mismo principio de impulsión de un cohete, que avanza al expulsar un chorro de gases por detrás. Como las energías que intervienen son muy grandes, el movimiento hacia adentro es muy violento, produciéndose una implosión (lo contrario de una explosión), que comprime y calienta el combustible del interior hasta los valores necesarios para encender al plasma. En esta etapa es cuando comienza el confinamiento inercial.

Por lo regular, el combustible deuterio-tritio se congela para formar pelotillas sólidas, aunque también se usan combinaciones de un cascarón sólido con gas o líquido en el interior, para aumentar la ganancia Q. Más adelante describiremos la composición de los blancos. En estado sólido, la densidad del combustible es 4.5 x 10 ²² partículas/ cm³. Para obtener valores de Q suficientemente altos, la compresión debe aumentar la densidad en un factor de mil, así que n será del orden de 10 ²⁵ a 10 ²⁶ partículas/ cm ³ mientras que la temperatura debe ser de 5 a 10 keV. Para obtener esta compresión, la energía requerida es mucho menor que la que se necesitaría para calentar todo el blanco hasta la temperatura de encendido. En el caso del confinamiento inercial el criterio de Lawson es un poco más exigente; no basta que el parámetro nñt_E para las reacciones D-T sea mayor que 10 1⁴ s/ cm³. Esto se debe a que las eficiencias de conversión de energía eléctrica a energía de los haces, y la de absorción de energía por el blanco son bastante menores que 1/3, que es la que se usa para obtener el valor anterior. Además, en lugar del parámetro de Lawson, en el confinamiento inercial es más común utilizar el parámetro r.R, donde p es la densidad de masa del combustible (r= nñm, m = masa de una partícula) y R el radio del combustible al final de la compresión. El cambio de parámetro se hace porque el tiempo de confinamiento inercial es una cantidad bien establecida, t_I = R/ v_s, que depende sólo de R y la temperatura (a través de la velocidad del sonido v_s), y resulta ser más práctico usar R. El equivalente al criterio de Lawson en este caso es r.R> 3 g/ cm². Los valores requeridos de n y T se han conseguido por separado en experimentos con impulsores láser, pero el valor de rñR todavía no se logra.

El núcleo de la pelotilla es encendido por un frente de choque esférico, y en ese momento las partículas a producidas por la fusión aumentan la temperatura del combustible venciendo las pérdidas de energía debidas a la radiación, la conducción térmica y la expansión. Si la densidad es suficientemente alta, la energía de las partículas a queda atrapada en el combustible que rodea al núcleo, y lo calienta hasta encenderse también. Así va avanzando la región de encendido, como una onda de quemado moviéndose hacia afuera a través del combustible, hasta que la expansión disminuye la densidad y se apaga. En este momento termina el confinamiento. La existencia de la onda de quemado es esencial para tener ganancias Q grandes, ya que el radio del núcleo, donde inicialmente se tiene el encendido, es aproximadamente 0.1 R así que comprende una cantidad pequeña de combustible. En la figura 30 se muestran esquemáticamente las etapas de evolución de una pelotilla de fusión.

FIGURA 30. Proceso de evolución de una pelotilla para confinamiento inercial. Se irradia con un conjunto de haces impulsores (láseres o partículas aceleradas) que producen una compresión, la cual da lugar a las condiciones para tener fusión por corto tiempo.

El estudio de las condiciones físicas que imperan en el momento de máxima compresión es complicado, porque a esas densidades ya no es aplicable la física clásica y los efectos cuánticos entran en juego. En particular, se presenta el efecto de la degeneración de un gas de electrones, que aparece cuando las densidades son muy altas. Cuánticamente, cuando un electrón tiene un volumen muy pequeño para moverse, los niveles de energía más bajos tienen energías muy altas; del orden de la energía térmica de los electrones. Debido al principio de exclusión de la mecánica cuántica ¹⁷ no todos los electrones pueden permanecer con la energía térmica sino que tienen que ir ocupando estados de mayor energía. Esto le da al gas degenerado una presión mayor que la que tendría en ausencia de los efectos cuánticos. El estado de degeneración se da cuando la temperatura del sistema es menor que una "temperatura de degeneración", que depende de la densidad. A las densidades de 10 ²⁶ cm^-3, esta temperatura es 2 keV, por lo que la degeneración es importante antes de que el frente de choque caliente el centro.

Para que el proceso de compresión y calentamiento del combustible sea efectivo hay que procurar que se den precisamente en este orden: primero comprimir y después calentar. Esto es con el fin de que se puedan alcanzar altas compresiones, permitiendo a su vez grandes valores de Q. Si se calienta antes de tiempo, la presión aumentada se opone a la compresión. Un proceso en el que no se absorbe ni se pierde calor se llama adiabático o isentrópico (de entropía constante), así que la compresión debe ser lo más cercano posible a un proceso isentrópico. Es interesante saber que un gas degenerado cumple con los requerimientos isentrópicos, ya que la cantidad de calor que puede absorber es independiente de la temperatura, así que se mantiene constante mientras la temperatura aumenta en la compresión. Un problema severo es que siempre se tienen electrones energéticos y radiación (rayos X) producidos en la corona que penetran al interior del combustible y lo calientan antes de que se termine la compresión.

Desafortunadamente, este precalentamiento no puede evitarse, pero se puede reducir por diferentes procedimientos, que tienden a inhibir la producción de electrones de altas energías o a evitar la conducción de calor al interior. El primer objetivo se puede lograr evitando la formación de ondas de choque fuertes antes de la máxima compresión, tratando de que no haya cambios de presión repentinos en la superficie. En el caso de usar impulsores de láser conviene usar longitudes de onda pequeñas e intensidades de láser no demasiado grandes. La conducción de calor al interior puede atenuarse colocando un cascarón de un material pesado antes del combustible, o dejando un hueco vacío entre el combustible y el cascarón externo.

Otro problema que se presenta durante la compresión es el desarrollo de inestabilidades. Cuando un material de alta densidad es acelerado por un material de baja densidad se puede presentar la inestabilidad de Rayleigh-Taylor, que es del tipo de las inestabilidades gravitacionales mencionadas en el capítulo V. La inestabilidad es iniciada porque la irradiación del blanco por los haces no es realmente uniforme y porque la pelotilla no es del todo esféricamente simétrica. Estos factores dan lugar a que en ciertos puntos el empuje producido por los haces sea mayor que en otros, creándose la situación propicia para que la inestabilidad de Rayleigh-Taylor se desarrolle. Entonces, los puntos que se han desplazado más hacia el centro avanzan cada vez más rápido, mientras que los más alejados del centro casi no se mueven, produciendo una compresión totalmente asimétrica que es muy ineficiente. Esta inestabilidad puede aparecer en la fase de aceleración (al principio) y en la fase de frenado o desaceleración (al final). En la última fase, ocurre cuando la región central menos densa frena al frente de compresión más denso, y el efecto de la inestabilidad es mezclar las capas más externas con la del combustible. Esto tiene el efecto de reducir la producción de neutrones, como se ha observado experimentalmente.

Durante la primera fase, el crecimiento de la inestabilidad puede reducirse por efecto de la ablación, pues el material denso se va evaporando. Cuando se usan haces de láser, esta contribución estabilizadora se espera que sea mayor cuando la longitud de onda es corta. También puede lograrse cierta estabilización por medio del uso de cascarones materiales gruesos colocados en el exterior del blanco, pues esto le da rigidez a la superficie y dificulta el crecimiento de la inestabilidad. Sin embargo, la eficiencia de la compresión y el acoplamiento del plasma con el láser (en caso de usarse éste), son mejores cuando el cascarón es delgado y el diámetro del blanco grande. Para optimizar estos factores simultáneamente con la estabilidad, se debe escoger entonces un grosor intermedio óptimo.

Todavía no se han tratado las posibilidades de los haces impulsores y sus características. La ganancia Q de un blanco dado depende, fundamentalmente, del tipo de impulsor que se utilice, por lo que es conveniente conocer las diferentes alternativas para evaluar su desempeño. Una propiedad que debe tener cualquier impulsor es que debe poder proporcionar energías muy altas (> 10 kJ) al blanco en tiempos del orden de nanosegundos, y deben enfocarse en superficies muy pequeñas. La primera alternativa es el uso de haces de radiación electromagnética de alta potencia y bien dirigida; este tipo de radiación se tiene con un láser. La fusión con láser es la que más se ha estudiado y la más avanzada, aunque tiene todavía muchos problemas. Uno de los mayores inconvenientes es que las energías requeridas de los haces son demasiado altas para los láseres que se habían desarrollado hasta hace poco, por lo que se han tenido que desarrollar nuevos tipos de láser especialmente para el programa de fusión. Mucha de la investigación al respecto es secreta, porque los láseres de alta potencia pueden tener uso militar, por lo que no se conoce bien el grado de avance al respecto. Los tipos de láser que se investigan son los que emplean alguna clase de vidrio como medio emisor de la luz, y los de gas. Los de la primera categoría producen radiación de longitud de onda suficientemente pequeña (luz visible) pero las potencias son bajas, así que se trata de aumentarlas. Los láseres de gas pueden tener mayor potencia, pero emiten radiación de longitud de onda muy grande (como el láser de bióxido de carbono que emite en el infrarrojo), por lo que se trata de conseguir un gas con la misma potencia de emisión, en el rango visible o ultravioleta. Un caso interesante en esta categoría es el láser de fluoruro de kriptón (KrF) que puede emitir en longitudes de onda cortas manteniendo las altas eficiencias, pero se requiere de mayor investigación en su aplicación a fusión.

Otra desventaja de los láseres es que tienen una eficiencia de operación muy baja, es decir, la conversión de energía eléctrica en energía de la radiación es baja. Esto significa que, para recuperar la energía invertida a partir de la fusión es necesario crear las condiciones para tener un número muy grande de reacciones (hay que lograr densidades y compresiones muy altas). Además de la conversión de electricidad en radiación láser, hay que considerar la transmisión de energía del láser al blanco, que tampoco es muy eficiente, y aumenta los requerimientos de la fusión producida. La interacción plasma-láser es un fenómeno muy complejo pues involucra una gran variedad de procesos. Parte de la radiación es absorbida y otra reflejada y se pierde. Las reflexiones más importantes se dan cuando la radiación láser, al irse propagando hacia el interior donde la densidad es mayor, llega al punto de densidad crítica. Cuando una onda electromagnética se propaga a través de un plasma, si su frecuencia de oscilación es mayor que la frecuencia natural del plasma, puede seguirlo haciendo; pero si es menor, los electrones del plasma tienen tiempo de moverse hasta anular el campo eléctrico de la onda, e impedir su propagación. Como la frecuencia natural de oscilación del plasma es proporcional a la densidad, resulta que para densidades altas, tales que la frecuencia natural sea mayor que la de la onda, ésta no se propaga, y a la densidad a la que esto ocurre se le llama densidad crítica.

Para evitar la reflexión en el punto crítico se intenta que la absorción de la onda se dé antes de llegar a esta región. La radiación puede ser absorbida por colisiones, por resonancia, o por acoplamiento con otras ondas. En el primero, la onda pone a oscilar a los electrones que, al chocar con los iones les transmiten la energía de oscilación tomada de la onda, convirtiéndola en energía térmica. La absorción por resonancia se explicó en relación al calentamiento de un tokamak con radioondas, y el último proceso se da cuando la onda electromagnética se convierte en dos ondas electrostáticas que corresponden a frecuencias naturales del plasma. Aunque estos procesos pueden absorber una: gran parte de la energía de la radiación antes del punto crítico, existen también otros procesos que reflejan las ondas en esta región, que también son del tipo de acoplamiento de ondas, pero en éstos la onda electromagnética se convierte en otra onda del mismo tipo propagándóse en dirección diferente y en una onda narural del plasma. A esto se le llama dispersión estimulada. El resultado de todos estos procesos es que sólo una fracción pequeña de la radiación incidente es absorbida; la fracción aumenta un poco para longitudes de onda pequeñas, porque la densidad crítica se encuentra más adentro, así que hay mayor posibilidad de absorción. Más adentro de la superficie de densidad crítica, la energía se transmite por los electrones y rayos X producidos por la onda.

Los otros impulsores que se emplean son haces de partículas energéticas, que pueden ser electrones relativistas, iones de elementos ligeros o iones de elementos pesados. El uso de haces de electrones tiene la ventaja de ser eficiente en la producción de energía, de bajo costo y con la propiedad de generar enormes campos magnéticos al incidir sobre el blanco, que ayudan al confinamiento del combustible. Sin embargo, tienen la gran desventaja de que no se pueden enfocar fácilmente sobre el blanco, debido a que la repulsión mutua entre los electrones del haz hace que éste se vaya abriendo. Para mejorar el enfoque se utiliza un campo magnético guía que los colima, o también pueden propagarse a través de un gas de baja presión para que al ionizarse se neutralice la carga de los electrones y se reduzca la repulsión. Aun así, la dispersión del haz es relativamente grande. Además los electrones penetran hasta el centro de la pelotilla produciendo el indeseable precalentamiento. Por estas razones no se considera a los haces de electrones como buenos candidatos para confinamiento inercial.

Con el fin de producir haces de iones ligeros se utiliza el mismo tipo de diodos que para los electrones. La cuestión del enfoque no es tan seria en este caso porque las masas de los iones son mucho mayores que las de los electrones y es más difícil que se dispersen. Comparados con los haces de láser, el enfoque de iones ligeros sigue siendo malo, además de que es difícil: almacenar la energía suficiente para producir los pulsos de iones con las altas repeticiones requeridas. A pesar de estos problemas, se sigue considerando a los iones ligeros como alternativa viable debido a que su eficiencia es alta, su costo bajo y el nivel de precalentamiento pequeño, en comparación con los láseres.

El uso de haces de iones pesados requiere de una tecnología diferente; pero es posible realizarla con los avances tecnológicos actuales. Los aceleradores de iones son más complicados y costosos que los de iones ligeros, en parte porque comprenden mayores energías en los haces; debido a las grandes masas usadas. Por lo general las masas de iones son más de 200 veces mayores que la masa del protón (elementos del tipo del uranio). La ventaja de esta alternativa es que el acoplamiento del haz con el blanco es bastante efectivo, al contrario de lo que ocurre con los láseres, y el precalentamiento es muy pequeño porque, con su gran masa, los iones no penetran hasta cerca del centro. El enfoque no presenta gran problema, pues los haces no se abren por la alta inercia de sus componentes. Además tienen eficiencias muy buenas (10-40%) y los resultados son reproducibles.

Otro factor importante en el confinamiento inercial es el diseño de las pelotillas a irradiar, pues con un buen diseño se puede mejorar la tasa de compresión. La forma del blanco depende del tipo de irradiador o impulsor que se emplee. Describiremos ahora los blancos para la fusión mediante láser. Existen dos tipos de blancos: los de impulsión directa, que absorben la energía del haz directamente sobre la cápsula de combustible; y los de impulsión indirecta, que primero convierten en rayos X la energía del haz en una cámara externa, que luego son absorbidos por la cápsula de combustible. En el método de impulsión directa se tiene una transmisión de energía a la cápsula muy eficiente, pero se necesita lograr gran uniformidad en los haces. Por el contrario, con el método indirecto se pueden tolerar mayores diferencias en la uniformidad, pero el acoplamiento con la cápsula es ineficiente. Con impulsión directa se han alcanzado altas temperaturas y densidades, pero no simultáneamente. Para tener las altas densidades se requiere buena uniformidad; y esto se logra aumentando el número de haces, dividiendo los principales en muchos haces pequeños, por medio de un dispositivo especial. La impulsión indirecta da mayores compresiones, pero también temperaturas menores.Con estos diseños se han obtenido valores del parámetro de Lawson del orden de (2-4) x 10 ¹⁴ s/ cm³, en el experimento NOVA, con láseres de longitud de onda pequeña (0.35 mm), que como ya se ha mencionado es la más adecuada por varias razones.

Hay varios métodos para hacer la cápsula de combustible; el más sencillo, pero no necesariamente el más adecuado es hacer una pelotilla sólida de combustible congelado. Otra posibilidad es fabricar un cascarón hueco de vidrio lleno del gas combustible; el vidrio actúa como un empujador que comprime el gas y después se desintegra, pero no es eficiente. Para aumentar las ganancias existen otras posibilidades en la distribución del combustible y el empujador, que constan de capas múltiples. Por lo común, la capa exterior se fabrica de un material ligero, como el polietileno, que se evapora con la irradiación; en el interior está colocado un empujador hecho de algún material plástico, que si es grueso, además de comprimir el combustible, lo protege de los electrones energéticos; la última capa es el combustible congelado que forma un cascarón hueco, cuyo interior puede estar vacío o lleno de gas combustible a baja presión. También se puede utilizar combustible líquido en el interior.

Para terminar, presentaremos cómo se planea el funcionamiento de un reactor de fusión de confinamiento inercial: el área principal la forma una cámara grande, al vacío, donde se inyecta una pelotilla. Cuando pasa por el centro de la cámara se le bombardea con una serie de haces, de láser o de partículas energéticas, produciéndose la implosión del blanco seguida de una miniexplosión termonuclear. Las bombas de vacío retiran los gases y los desechos de la explosión, antes de que una nueva pelotilla sea inyectada. Aproximadamente, se hacen entre una y diez inyecciones por segundo, de manera que la energía liberada pueda ser recolectada de forma continua. El calor generado en las paredes de la cámara por los neutrones que se producen en las reacciones, y las partículas a que llegan a escapar (la mayoría deja su energía en el combustible para mantenerlo encendido) se extraen con un fluido enfriador y se usan para activar las turbinas de los generadores de electricidad. Para que un reactor de este tipo pueda llegar a operar hay que resolver una serie de problemas diversos, además de los que ya se mencionaron, como por ejemplo la composición de las paredes de la cámara. Las paredes deben ser capaces de aguantar la radiación continua e intensa de los productos de la fusión sin fundirse o descomponerse. Se han propuesto algunos métodos de protección o aislamiento de las paredes, como hacer un recubrimiento de litio líquido, aplicar un campo magnético como blindaje, o rodear el blanco con chorros de metal líquido.