VIII. EL CONFINAMIENTO INERCIAL Y SUS PERSPECTIVAS

LA ALTERNATIVA al confinamiento magn�tico para conseguir la fusi�n termonuclear controlada es el confinamiento inercial, que como ya se explic�, se basa en la generaci�n r�pida de energ�a antes de que el plasma encendido tenga tiempo de expanderse. Esta manera de producir la fusi�n es conceptualmente la m�s sencilla. Inicialmente se tiene una pelotilla de combustible a baja temperatura y se calienta r�pidamente desde la superficie, creando como resultado un plasma que se comprime hasta alcanzar densidades muy elevadas y temperaturas termonucleares. Esto da lugar a una miniexplosi�n nuclear en el centro y el calor generado se propaga hacia el exterior, calentando el plasma que encuentra y encendi�ndolo. Todo esto tiene que ocurrir antes de que el plasma comprimido se expanda y se enfr�e, lo que sucede en 10 nanosegundos (10^-8 s). Si durante este tiempo se logra producir m�s energ�a que la invertida en comprimir y calentar la pelotilla, el resultado del experimento es favorable. Para medir el desempe�o se define la ganancia de energ�a, de manera an�loga a como se hizo al final del cap�tulo II, como el cociente Q = (energ�a de fusi�n producida) / (energ�a del haz incidente); y lo que m�nimamente 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 energ�a en tiempos sumamente cortos. El impulsor consiste en un conjunto de haces (de l�ser o de part�culas energ�ticas) distribuidos uniformemente alrededor de la pelotilla, que producen una irradiaci�n esf�ricamente sim�trica. Los haces deben ser capaces de concentrar la energ�a en regiones muy peque�as, ya que los di�metros de las pelotillas son de unos cuantos mil�metros. El calentamiento por los haces se concentra en la superficie del blanco, as� que el material en esta zona se separa formando una corona de plasma en donde se generan electrones energ�ticos y radiaci�n. Los haces deben poder atravesar la corona para seguir calentando m�s adentro, pero s�lo podr�n penetrar hasta cierta distancia debido a los efectos de la absorci�n. M�s all� de esta distancia, el calentamiento puede continuar a trav�s de la energ�a transportada por los electrones y la radiaci�n, generados en la corona. A medida que se calienta, el material se va evaporando por un proceso de ablaci�n, pero en respuesta a la evaporaci�n, que es hacia afuera, hay una reacci�n del material interno, de moverse hacia adentro. Es el mismo principio de impulsi�n de un cohete, que avanza al expulsar un chorro de gases por detr�s. Como las energ�as que intervienen son muy grandes, el movimiento hacia adentro es muy violento, produci�ndose una implosi�n (lo contrario de una explosi�n), 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 s�lidas, aunque tambi�n se usan combinaciones de un cascar�n s�lido con gas o l�quido en el interior, para aumentar la ganancia Q. M�s adelante describiremos la composici�n de los blancos. En estado s�lido, la densidad del combustible es 4.5 x 10 ²² part�culas/ cm³. Para obtener valores de Q suficientemente altos, la compresi�n debe aumentar la densidad en un factor de mil, as� que n ser� del orden de 10 ²⁵ a 10 ²⁶ part�culas/ cm ³ mientras que la temperatura debe ser de 5 a 10 keV. Para obtener esta compresi�n, la energ�a requerida es mucho menor que la que se necesitar�a para calentar todo el blanco hasta la temperatura de encendido. En el caso del confinamiento inercial el criterio de Lawson es un poco m�s exigente; no basta que el par�metro n�t_E para las reacciones D-T sea mayor que 10 1⁴ s/ cm³. Esto se debe a que las eficiencias de conversi�n de energ�a el�ctrica a energ�a de los haces, y la de absorci�n de energ�a por el blanco son bastante menores que 1/3, que es la que se usa para obtener el valor anterior. Adem�s, en lugar del par�metro de Lawson, en el confinamiento inercial es m�s com�n utilizar el par�metro r.R, donde p es la densidad de masa del combustible (r= n�m, m = masa de una part�cula) y R el radio del combustible al final de la compresi�n. El cambio de par�metro se hace porque el tiempo de confinamiento inercial es una cantidad bien establecida, t_I = R/ v_s, que depende s�lo de R y la temperatura (a trav�s de la velocidad del sonido v_s), y resulta ser m�s pr�ctico 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 l�ser, pero el valor de r�R todav�a no se logra.

El n�cleo de la pelotilla es encendido por un frente de choque esf�rico, y en ese momento las part�culas a producidas por la fusi�n aumentan la temperatura del combustible venciendo las p�rdidas de energ�a debidas a la radiaci�n, la conducci�n t�rmica y la expansi�n. Si la densidad es suficientemente alta, la energ�a de las part�culas a queda atrapada en el combustible que rodea al n�cleo, y lo calienta hasta encenderse tambi�n. As� va avanzando la regi�n de encendido, como una onda de quemado movi�ndose hacia afuera a trav�s del combustible, hasta que la expansi�n 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 n�cleo, donde inicialmente se tiene el encendido, es aproximadamente 0.1 R as� que comprende una cantidad peque�a de combustible. En la figura 30 se muestran esquem�ticamente las etapas de evoluci�n de una pelotilla de fusi�n.

FIGURA 30. Proceso de evoluci�n de una pelotilla para confinamiento inercial. Se irradia con un conjunto de haces impulsores (l�seres o part�culas aceleradas) que producen una compresi�n, la cual da lugar a las condiciones para tener fusi�n por corto tiempo.

El estudio de las condiciones f�sicas que imperan en el momento de m�xima compresi�n es complicado, porque a esas densidades ya no es aplicable la f�sica cl�sica y los efectos cu�nticos entran en juego. En particular, se presenta el efecto de la degeneraci�n de un gas de electrones, que aparece cuando las densidades son muy altas. Cu�nticamente, cuando un electr�n tiene un volumen muy peque�o para moverse, los niveles de energ�a m�s bajos tienen energ�as muy altas; del orden de la energ�a t�rmica de los electrones. Debido al principio de exclusi�n de la mec�nica cu�ntica ¹⁷ no todos los electrones pueden permanecer con la energ�a t�rmica sino que tienen que ir ocupando estados de mayor energ�a. Esto le da al gas degenerado una presi�n mayor que la que tendr�a en ausencia de los efectos cu�nticos. El estado de degeneraci�n se da cuando la temperatura del sistema es menor que una "temperatura de degeneraci�n", que depende de la densidad. A las densidades de 10 ²⁶ cm^-3, esta temperatura es 2 keV, por lo que la degeneraci�n es importante antes de que el frente de choque caliente el centro.

Para que el proceso de compresi�n y calentamiento del combustible sea efectivo hay que procurar que se den precisamente en este orden: primero comprimir y despu�s 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 presi�n aumentada se opone a la compresi�n. Un proceso en el que no se absorbe ni se pierde calor se llama adiab�tico o isentr�pico (de entrop�a constante), as� que la compresi�n debe ser lo m�s cercano posible a un proceso isentr�pico. Es interesante saber que un gas degenerado cumple con los requerimientos isentr�picos, ya que la cantidad de calor que puede absorber es independiente de la temperatura, as� que se mantiene constante mientras la temperatura aumenta en la compresi�n. Un problema severo es que siempre se tienen electrones energ�ticos y radiaci�n (rayos X) producidos en la corona que penetran al interior del combustible y lo calientan antes de que se termine la compresi�n.

Desafortunadamente, este precalentamiento no puede evitarse, pero se puede reducir por diferentes procedimientos, que tienden a inhibir la producci�n de electrones de altas energ�as o a evitar la conducci�n de calor al interior. El primer objetivo se puede lograr evitando la formaci�n de ondas de choque fuertes antes de la m�xima compresi�n, tratando de que no haya cambios de presi�n repentinos en la superficie. En el caso de usar impulsores de l�ser conviene usar longitudes de onda peque�as e intensidades de l�ser no demasiado grandes. La conducci�n de calor al interior puede atenuarse colocando un cascar�n de un material pesado antes del combustible, o dejando un hueco vac�o entre el combustible y el cascar�n externo.

Otro problema que se presenta durante la compresi�n 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 cap�tulo V. La inestabilidad es iniciada porque la irradiaci�n del blanco por los haces no es realmente uniforme y porque la pelotilla no es del todo esf�ricamente sim�trica. Estos factores dan lugar a que en ciertos puntos el empuje producido por los haces sea mayor que en otros, cre�ndose la situaci�n propicia para que la inestabilidad de Rayleigh-Taylor se desarrolle. Entonces, los puntos que se han desplazado m�s hacia el centro avanzan cada vez m�s r�pido, mientras que los m�s alejados del centro casi no se mueven, produciendo una compresi�n totalmente asim�trica que es muy ineficiente. Esta inestabilidad puede aparecer en la fase de aceleraci�n (al principio) y en la fase de frenado o desaceleraci�n (al final). En la �ltima fase, ocurre cuando la regi�n central menos densa frena al frente de compresi�n m�s denso, y el efecto de la inestabilidad es mezclar las capas m�s externas con la del combustible. Esto tiene el efecto de reducir la producci�n de neutrones, como se ha observado experimentalmente.

Durante la primera fase, el crecimiento de la inestabilidad puede reducirse por efecto de la ablaci�n, pues el material denso se va evaporando. Cuando se usan haces de l�ser, esta contribuci�n estabilizadora se espera que sea mayor cuando la longitud de onda es corta. Tambi�n puede lograrse cierta estabilizaci�n 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 compresi�n y el acoplamiento del plasma con el l�ser (en caso de usarse �ste), son mejores cuando el cascar�n es delgado y el di�metro del blanco grande. Para optimizar estos factores simult�neamente con la estabilidad, se debe escoger entonces un grosor intermedio �ptimo.

Todav�a no se han tratado las posibilidades de los haces impulsores y sus caracter�sticas. 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 desempe�o. Una propiedad que debe tener cualquier impulsor es que debe poder proporcionar energ�as muy altas (> 10 kJ) al blanco en tiempos del orden de nanosegundos, y deben enfocarse en superficies muy peque�as. La primera alternativa es el uso de haces de radiaci�n electromagn�tica de alta potencia y bien dirigida; este tipo de radiaci�n se tiene con un l�ser. La fusi�n con l�ser es la que m�s se ha estudiado y la m�s avanzada, aunque tiene todav�a muchos problemas. Uno de los mayores inconvenientes es que las energ�as requeridas de los haces son demasiado altas para los l�seres que se hab�an desarrollado hasta hace poco, por lo que se han tenido que desarrollar nuevos tipos de l�ser especialmente para el programa de fusi�n. Mucha de la investigaci�n al respecto es secreta, porque los l�seres de alta potencia pueden tener uso militar, por lo que no se conoce bien el grado de avance al respecto. Los tipos de l�ser 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 categor�a producen radiaci�n de longitud de onda suficientemente peque�a (luz visible) pero las potencias son bajas, as� que se trata de aumentarlas. Los l�seres de gas pueden tener mayor potencia, pero emiten radiaci�n de longitud de onda muy grande (como el l�ser de bi�xido de carbono que emite en el infrarrojo), por lo que se trata de conseguir un gas con la misma potencia de emisi�n, en el rango visible o ultravioleta. Un caso interesante en esta categor�a es el l�ser de fluoruro de kript�n (KrF) que puede emitir en longitudes de onda cortas manteniendo las altas eficiencias, pero se requiere de mayor investigaci�n en su aplicaci�n a fusi�n.

Otra desventaja de los l�seres es que tienen una eficiencia de operaci�n muy baja, es decir, la conversi�n de energ�a el�ctrica en energ�a de la radiaci�n es baja. Esto significa que, para recuperar la energ�a invertida a partir de la fusi�n es necesario crear las condiciones para tener un n�mero muy grande de reacciones (hay que lograr densidades y compresiones muy altas). Adem�s de la conversi�n de electricidad en radiaci�n l�ser, hay que considerar la transmisi�n de energ�a del l�ser al blanco, que tampoco es muy eficiente, y aumenta los requerimientos de la fusi�n producida. La interacci�n plasma-l�ser es un fen�meno muy complejo pues involucra una gran variedad de procesos. Parte de la radiaci�n es absorbida y otra reflejada y se pierde. Las reflexiones m�s importantes se dan cuando la radiaci�n l�ser, al irse propagando hacia el interior donde la densidad es mayor, llega al punto de densidad cr�tica. Cuando una onda electromagn�tica se propaga a trav�s de un plasma, si su frecuencia de oscilaci�n 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 el�ctrico de la onda, e impedir su propagaci�n. Como la frecuencia natural de oscilaci�n del plasma es proporcional a la densidad, resulta que para densidades altas, tales que la frecuencia natural sea mayor que la de la onda, �sta no se propaga, y a la densidad a la que esto ocurre se le llama densidad cr�tica.

Para evitar la reflexi�n en el punto cr�tico se intenta que la absorci�n de la onda se d� antes de llegar a esta regi�n. La radiaci�n 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 energ�a de oscilaci�n tomada de la onda, convirti�ndola en energ�a t�rmica. La absorci�n por resonancia se explic� en relaci�n al calentamiento de un tokamak con radioondas, y el �ltimo proceso se da cuando la onda electromagn�tica se convierte en dos ondas electrost�ticas que corresponden a frecuencias naturales del plasma. Aunque estos procesos pueden absorber una: gran parte de la energ�a de la radiaci�n antes del punto cr�tico, existen tambi�n otros procesos que reflejan las ondas en esta regi�n, que tambi�n son del tipo de acoplamiento de ondas, pero en �stos la onda electromagn�tica se convierte en otra onda del mismo tipo propag�nd�se en direcci�n diferente y en una onda narural del plasma. A esto se le llama dispersi�n estimulada. El resultado de todos estos procesos es que s�lo una fracci�n peque�a de la radiaci�n incidente es absorbida; la fracci�n aumenta un poco para longitudes de onda peque�as, porque la densidad cr�tica se encuentra m�s adentro, as� que hay mayor posibilidad de absorci�n. M�s adentro de la superficie de densidad cr�tica, la energ�a se transmite por los electrones y rayos X producidos por la onda.

Los otros impulsores que se emplean son haces de part�culas energ�ticas, 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 producci�n de energ�a, de bajo costo y con la propiedad de generar enormes campos magn�ticos al incidir sobre el blanco, que ayudan al confinamiento del combustible. Sin embargo, tienen la gran desventaja de que no se pueden enfocar f�cilmente sobre el blanco, debido a que la repulsi�n mutua entre los electrones del haz hace que �ste se vaya abriendo. Para mejorar el enfoque se utiliza un campo magn�tico gu�a que los colima, o tambi�n pueden propagarse a trav�s de un gas de baja presi�n para que al ionizarse se neutralice la carga de los electrones y se reduzca la repulsi�n. Aun as�, la dispersi�n del haz es relativamente grande. Adem�s 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 cuesti�n 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 m�s dif�cil que se dispersen. Comparados con los haces de l�ser, el enfoque de iones ligeros sigue siendo malo, adem�s de que es dif�cil: almacenar la energ�a 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 peque�o, en comparaci�n con los l�seres.

El uso de haces de iones pesados requiere de una tecnolog�a diferente; pero es posible realizarla con los avances tecnol�gicos actuales. Los aceleradores de iones son m�s complicados y costosos que los de iones ligeros, en parte porque comprenden mayores energ�as en los haces; debido a las grandes masas usadas. Por lo general las masas de iones son m�s de 200 veces mayores que la masa del prot�n (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 l�seres, y el precalentamiento es muy peque�o 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. Adem�s tienen eficiencias muy buenas (10-40%) y los resultados son reproducibles.

Otro factor importante en el confinamiento inercial es el dise�o de las pelotillas a irradiar, pues con un buen dise�o se puede mejorar la tasa de compresi�n. La forma del blanco depende del tipo de irradiador o impulsor que se emplee. Describiremos ahora los blancos para la fusi�n mediante l�ser. Existen dos tipos de blancos: los de impulsi�n directa, que absorben la energ�a del haz directamente sobre la c�psula de combustible; y los de impulsi�n indirecta, que primero convierten en rayos X la energ�a del haz en una c�mara externa, que luego son absorbidos por la c�psula de combustible. En el m�todo de impulsi�n directa se tiene una transmisi�n de energ�a a la c�psula muy eficiente, pero se necesita lograr gran uniformidad en los haces. Por el contrario, con el m�todo indirecto se pueden tolerar mayores diferencias en la uniformidad, pero el acoplamiento con la c�psula es ineficiente. Con impulsi�n directa se han alcanzado altas temperaturas y densidades, pero no simult�neamente. Para tener las altas densidades se requiere buena uniformidad; y esto se logra aumentando el n�mero de haces, dividiendo los principales en muchos haces peque�os, por medio de un dispositivo especial. La impulsi�n indirecta da mayores compresiones, pero tambi�n temperaturas menores.Con estos dise�os se han obtenido valores del par�metro de Lawson del orden de (2-4) x 10 ¹⁴ s/ cm³, en el experimento NOVA, con l�seres de longitud de onda peque�a (0.35 mm), que como ya se ha mencionado es la m�s adecuada por varias razones.

Hay varios m�todos para hacer la c�psula de combustible; el m�s sencillo, pero no necesariamente el m�s adecuado es hacer una pelotilla s�lida de combustible congelado. Otra posibilidad es fabricar un cascar�n hueco de vidrio lleno del gas combustible; el vidrio act�a como un empujador que comprime el gas y despu�s se desintegra, pero no es eficiente. Para aumentar las ganancias existen otras posibilidades en la distribuci�n del combustible y el empujador, que constan de capas m�ltiples. Por lo com�n, la capa exterior se fabrica de un material ligero, como el polietileno, que se evapora con la irradiaci�n; en el interior est� colocado un empujador hecho de alg�n material pl�stico, que si es grueso, adem�s de comprimir el combustible, lo protege de los electrones energ�ticos; la �ltima capa es el combustible congelado que forma un cascar�n hueco, cuyo interior puede estar vac�o o lleno de gas combustible a baja presi�n. Tambi�n se puede utilizar combustible l�quido en el interior.

Para terminar, presentaremos c�mo se planea el funcionamiento de un reactor de fusi�n de confinamiento inercial: el �rea principal la forma una c�mara grande, al vac�o, donde se inyecta una pelotilla. Cuando pasa por el centro de la c�mara se le bombardea con una serie de haces, de l�ser o de part�culas energ�ticas, produci�ndose la implosi�n del blanco seguida de una miniexplosi�n termonuclear. Las bombas de vac�o retiran los gases y los desechos de la explosi�n, antes de que una nueva pelotilla sea inyectada. Aproximadamente, se hacen entre una y diez inyecciones por segundo, de manera que la energ�a liberada pueda ser recolectada de forma continua. El calor generado en las paredes de la c�mara por los neutrones que se producen en las reacciones, y las part�culas a que llegan a escapar (la mayor�a deja su energ�a 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, adem�s de los que ya se mencionaron, como por ejemplo la composici�n de las paredes de la c�mara. Las paredes deben ser capaces de aguantar la radiaci�n continua e intensa de los productos de la fusi�n sin fundirse o descomponerse. Se han propuesto algunos m�todos de protecci�n o aislamiento de las paredes, como hacer un recubrimiento de litio l�quido, aplicar un campo magn�tico como blindaje, o rodear el blanco con chorros de metal l�quido.