IV. EXPERIMENTACI�N Y DIAGNOSIS
S�lo lo que es mensurable se conoce
AHORA es importante notar que para poder evaluar un resultado
experimental (por ejemplo, la implosi�n de una microesfera de deuterio y tritio)
o la utilidad de un aparato (por ejemplo, un l�ser) es necesario ser capaz de
medir. Por desgracia, en la mayor�a de los casos en el trabajo cient�fico, no
es posible hacer mediciones directas como las que uno hace con una regla y una
escuadra. En general, se requiere de complejos instrumentos de medici�n; s�lo
as� se puede llegar a determinar qu� est� ocurriendo realmente en nuestros
aparatos o experimentos. S�lo con base en cuidadosas mediciones experimentales
es posible comparar los resultados te�ricos y simulaciones computacionales con
lo que ocurre en la naturaleza. Es decir, los resultados experimentales son
la prueba m�s importante y definitiva de toda teor�a. Podemos pensar que los
cient�ficos te�ricos son sastres que pasan su tiempo dise�ando y haciendo vestidos
(algunos realmente muy hermosos) para una se�ora llamada "madre naturaleza".
Cuando los vestidos le quedan bien se guardan en un guardarropa especial (llamado
"teor�a cient�fica") y cuando no le quedan se desechan y se dise�an nuevos.
Es decir que, s�lo debido a la realimentaci�n que los resultados experimentales
proporcionan se puedan corregir y mejorar los resultados te�ricos. Aunque tambi�n
muchas veces son los resultados experimentales los que proporcionan la inspiraci�n
en la creaci�n de nuevos modelos te�ricos.
El trabajo de la fusi�n por medio del l�ser es un claro ejemplo de todo lo anterior ya que, debido a las condiciones extremas de presi�n, densidad y radiaci�n (similares a las que ocurren en las estrellas), a las que la materia est� sujeta durante estos experimentos, fue necesario desechar, corregir o proponer nuevas teor�as para explicar lo que se observa en los experimentos. Por ejemplo, en el cap�tulo anterior hablamos de varios procesos no lineales que ocurren entre fotones, plasmones y fonones en un plasma producido por un l�ser. Aunque las ideas b�sicas de estos procesos se comprend�an en su generalidad, era necesaria una teor�a precisa que permitiera hacer predicciones cuantitativas acerca de cuestiones como: la importancia relativa de cada uno de estos procesos y la competencia entre ellos; las intensidades l�ser en las que cada uno de ellos se inicia; las condiciones de plasma que favorecen o limitan la presencia de cada uno de estos procesos, y otras preguntas m�s. Esta informaci�n es esencial para determinar la factibilidad de diversos aspectos del programa de fusi�n v�a l�ser (como la selecci�n y las caracter�sticas del l�ser a utilizar) y s�lo fue posible cuando se dispuso de resultados experimentales con los cuales comparar los diferentes modelos te�ricos.
El trabajo experimental en investigaci�n relacionada con el proyecto de fusi�n por medio del l�ser es enorme y ha creado la necesidad de desarrollar nuevas t�cnicas experimentales o bien de perfeccionar algunas ya conocidas. Nos podemos dar cuenta de la dimensi�n del reto experimental al ver el enorme rango de posibilidades que requieren de instrumentales de medici�n. Por ejemplo, en la medici�n de longitudes se requiere medir desde 0.1 micr�n hasta 1 cent�metro; en la medici�n de tiempo se requieren detectores que cubran desde 1 picosegundo (1 x 1012 segundos) hasta 0.1 microsegundos; para las densidades se requiere cubrir un rango de 1016 hasta 1026 part�culas por cent�metro c�bico, y en la medici�n de energ�a se requiere un rango que va de 1 eV (1 eV —electr�n volt— = 1.6 x 10-19 joules) hasta decenas de millones de eV. De hecho, hoy se dispone de m�s de 65 t�cnicas experimentales distintas para el estudio de los efectos de la irradiaci�n de microesferas de deuterio y tritio con luz l�ser.
En este cap�tulo describiremos algunas de las t�cnicas experimentales m�s interesantes y novedosas. Est�n basadas en fotograf�a con rayos X, tanto est�tica y din�mica, as� como t�cnicas experimentales basadas en la detecci�n de neutrones. La t�cnica fotogr�fica dio origen a las c�maras fotogr�ficas m�s r�pidas del mundo, capaces de tomar el equivalente de m�s de 10 000 000 000 de fotograf�as por segundo. Finalmente se describir� la idea b�sica de una planta generadora de energ�a, basada en un reactor de fusi�n v�a l�ser.
Buscando huesos en microesferas
Seguramente el lector de estas l�neas en alguna ocasi�n se habr� tomado una radiograf�a, tambi�n conocida como placa de rayos X. De hecho las radiograf�as son fotograf�as que, en lugar de utilizar luz visible, usan rayos X. Como sabemos, los rayos X y la luz visible son radiaci�n electromagn�tica, pero los primeros tienen una longitud de onda menor. En otras palabras, los fotones que constituyen los rayos X son de mucho mayor energ�a que los fotones de la luz visible. Debido a su mayor energ�a, los rayos X pasan a trav�s del objeto que deseamos fotografiar, mientras que los fotones de luz son reflejados en el objeto a fotografiar. Este hecho nos permite utilizar los rayos X para determinar la densidad o las diferencias de densidad dentro de un objeto. Por ejemplo, al tomarnos una radiograf�a podemos ver claramente los huesos de nuestro esqueleto debido a que su densidad es mayor que la densidad del promedio del cuerpo. Por otra parte, en los experimentos de fusi�n l�ser tambi�n ocurren diferencias de densidad, pues durante la irradiaci�n con luz l�ser de una microesfera de deuterio y tritio el interior de �sta se comprime fuertemente mientras que la densidad del plasma en expansi�n que se forma alrededor es mucho menor. Debido a esto, una de las primeras t�cnicas experimentales usadas para observar la implosi�n de microesferas fue por medio de fotograf�as con rayos X. La figura IV.1 ilustra la imantaci�n pr�ctica de esta t�cnica, conocida como fotograf�a de agujero por iluminaci�n posterior con rayos X (su nombre en ingl�s es backlighting pinhole X-ray photography). Podemos observar que un haz l�ser auxiliar se enfoca detr�s de la microesfera, formando un eje entre el agujero de la c�mara de rayos X, la microesfera y el punto de foco del l�ser auxiliar. Este haz auxiliar tiene como objeto producir los rayos X, lo cual es muy sencillo, pues todo l�ser de potencia, al ser enfocado en un material, genera intensa radiaci�n X.
![[MCT 37]](../img/funu074.gif)
De este modo se pueden obtener fotograf�as que permiten estudiar el proceso de implosi�n de la microesfera, el cual ocurre en menos de un nanosegundo (1 x 10-9 segundos). Si el haz l�ser auxiliar que produce los rayos X es de unos cuantos picosegundos (1 picosegundo = 1 x 10-12 segundos) es posible iluminar la microesfera en cualquier instante deseado durante la implosi�n y saber cu�l es su estado en ese preciso instante. Esto es similar a fotografiar a un clavadista durante el tiempo de su ca�da. Lo �nico que se requiere para tomarle una buena foto es que el tiempo de disparo de la c�mara (el tiempo durante el cual la luz reflejada por el clavadista est� entrando a la c�mara fotogr�fica) sea mucho m�s corto que el tiempo que tarda el clavadista en caer al agua. En el caso del clavadista, esto se controla ajustando el tiempo de exposici�n de la c�mara, mientras que en el caso de la microesfera en implosi�n lo que controlamos es el tiempo que iluminaremos con rayos X a la microesfera. Esto �ltimo se hace ajustando la duraci�n del haz l�ser auxiliar y sincroniz�ndolo con respecto al l�ser de irradiaci�n principal de la microesfera.
La desventaja de este m�todo es que s�lo permite obtener una fotograf�a por cada implosi�n. Adem�s, es dif�cil saber si la fotograf�a tomada corresponde o no al punto de m�xima implosi�n. Lo ideal ser�a tomar una sucesi�n de fotograf�as que permitiera estudiar la evoluci�n temporal del proceso de implosi�n. Como veremos en la pr�xima secci�n, actualmente ello es posible utilizando c�maras ultrarr�pidas.
10 000 000 000 de fotografías por segundo
Como vimos en la secci�n anterior, para estudiar adecuadamente el proceso de implosi�n de una microesfera se requiere saber cu�l es su evoluci�n temporal durante el tiempo en que es irradiada por el haz l�ser principal. Esto se hace actualmente utilizando c�maras ultrarr�pidas, conocidas en ingl�s como framing cameras. �stas son capaces de tomar el equivalente de m�s de 10 000 000 000 de fotograf�as por segundo con tiempos de exposici�n de menos de 50 picosegundos.
La figura IV.2 muestra el esquema b�sico de una c�mara ultrarr�pida durante un experimento. Un haz l�ser auxiliar de igual duraci�n que el l�ser principal es utilizado para producir un fondo continuo de rayos X que irradia a la microesfera durante todo el proceso de implosi�n. La imagen de rayos X es obtenida y enfocada por medio de un peque�o agujero en un fotoc�todo. �ste es un material que convierte los fotones de rayos X incidentes en electrones. Idealmente, por cada fot�n de rayos X incidente en una cara del fotoc�todo obtenemos, del otro lado de �ste, un electr�n. Como resultado de enfocar la imagen de rayos X en el fotoc�todo obtenemos una r�plica de esta imagen, pero ya no consistente en fotones sino en electrones. La ventaja de tener una imagen con electrones y no con fotones est� en que los electrones, al ser part�culas con carga el�ctrica, pueden ser desviados por medio de un campo el�ctrico. De este modo podemos mover la imagen de electrones sencillamente variando el voltaje entre dos placas. De hecho, en la figura anterior podemos ver las placas de deflexi�n cuya funci�n es desplazar la imagen de electrones sobre una superficie de f�sforo. Esta superficie cumple una funci�n inversa al fotoc�todo pues lo que hace es producir un fot�n de luz visible por cada electr�n incidente. Es decir, la imagen de electrones incidente en un lado de la placa de f�sforo producir� del otro lado una imagen de luz capaz de ser fotografiada si se coloca una pel�cula fotogr�fica junto a �sta. Sin embargo, ya en la pr�ctica, las im�genes obtenidas son de tan baja intensidad que normalmente se coloca, entre la placa de f�sforo y la pel�cula fotogr�fica, un "intensificador de imagen" (no indicado en la figura IV.2) que aumenta la intensidad de la luz y por tanto facilita que se le filme en pel�cula o en video. Para obtener una sucesi�n de fotograf�as que registre la evoluci�n de la microesfera durante el proceso de implosi�n lo �nico que se requiere es introducir un voltaje entre estas placas que mueva la imagen con la rapidez deseada sobre la placa de f�sforo. En la figura IV.3 se muestra el resultado de introducir un voltaje con forma de triple escal�n entre las placas de deflexi�n de la c�mara. De este modo se obtienen tres im�genes en la placa fotogr�fica separadas entre s� por 100 picosegundos, que es el tiempo entre cada escal�n de voltaje.
![[MCT 38]](../img/funu076.gif)
![[MCT 39]](../img/funu078.gif)
Esta t�cnica se ha utilizado con �xito para obtener series de quince o m�s fotograf�as que muestran en detalle el proceso de implosi�n de la microesfera. As�, hemos podido variar la estructura, composici�n y tama�o de las microesferas utilizadas con el fin de encontrar un dise�o �ptimo. Usando estas c�maras es posible tambi�n estudiar el efecto de variar la forma temporal del haz l�ser incidente en la microesfera, entre muchas otras cosas.
Como vimos en el primer cap�tulo, la probabilidad de que ocurra una reacci�n de fusi�n depende de la temperatura a que se encuentra la mezcla de material fusionable. Por otra parte, como resultado de la fusi�n de deuterio-deuterio o deuterio-tritio se obtienen neutrones de energ�a particular. Por ejemplo, la reacci�n de D-D produce neutrones con energ�a de 2.45 MeV y, por tanto, detectar neutrones con esta energ�a es una indicaci�n de que est�n ocurriendo reacciones de fusi�n, as� como de la temperatura y densidad a las cuales se encuentra el interior de la microesfera. Midiendo la diferencia entre el instante en que se empiezan a detectar neutrones en relaci�n con el haz l�ser incidente, podemos saber qu� tan r�pido ocurri� la implosi�n. Midiendo el tiempo que dura y la intensidad del pulso de neutrones se puede calcular la temperatura m�xima alcanzada.
Al irradiar una microesfera llena de deuterio pueden ocurrir dos reacciones de fusi�n:
La primera reacci�n produce un neutr�n de 2.45 MeV de energ�a, mientras que la segunda produce un prot�n de 2.45 MeV m�s un trit�n de 1 MeV. Si el combustible de deuterio se comprime a una densidad suficientemente alta, existe la posibilidad de que el trit�n de 1 MeV se fusione con un deuter�n antes de escapar de la zona comprimida. As�, se produce la reacci�n:
donde el neutr�n secundario n' tiene una energ�a de 12 a 17 MeV. Es decir, que este neutr�n secundario se mueve mucho m�s r�pidamente que los neutrones primarios originados en la reacci�n D-D. Por tanto, midiendo el tiempo entre pulsos de neutrones y la intensidad de �stos, es posible determinar con precisi�n la densidad del combustible de fusi�n en compresi�n. Utilizando ideas similares es posible tener reacciones de tercer orden, en las que la energ�a de los neutrones terciarios n" es de hasta 30 MeV. Claro est�, existen t�cnicas similares que se emplean cuando el combustible nuclear es D-T.
Produciendo electricidad a partir de la fusi�n
La idea b�sica de un reactor de fusi�n accionado por l�ser se muestra en la figura IV.4. Podemos ver que consta de un n�cleo en el centro del cual convergen varios haces l�ser que inciden en una microesfera que contiene una mezcla de deuterio y tritio (D-T) en su interior. A trav�s del canal de inyecci�n entran las microesferas a raz�n de aproximadamente 10 esferas por segundo. Como hemos visto, debido a la intensa irradiaci�n l�ser en la superficie de cada microesfera se forma un plasma en expansi�n. Este ocasiona la implosi�n de la mezcla de D-T del interior y eleva su temperatura y su densidad a valores en los cuales la fusi�n nuclear entre los �tomos de deuterio y tritio ocurre de acuerdo con la reacci�n:
![[MCT 40]](../img/funu081.gif)
La energ�a liberada en esta microexplosi�n termonuclear aumenta la temperatura del litio l�quido que se encuentra en el interior del reactor hasta aproximadamente 800 grados cent�grados. El litio caliente se extrae del reactor y en un intercambiador de calor produce vapor de agua que acciona una turbina de vapor. Despu�s, el eje de rotaci�n de la turbina de vapor conectado a un generador el�ctrico produce electricidad que se trasmite a trav�s de l�neas de distribuci�n convencionales.
Como hemos dicho, el combustible nuclear utilizado es una mezcla de deuterio y tritio. El deuterio existe en abundancia y se extrae f�cilmente del agua de mar, que contiene un �tomo de deuterio por cada 6 500 �tomos de hidr�geno. Sin embargo, es necesario producir tritio mediante la reaccion:
Debido a esto, se utiliza litio para extraer la energ�a de fusi�n liberada en la reacci�n de D-T, ya que el litio, adem�s de su funci�n como elemento de transporte t�rmico, al ser bombardeado por los neutrones de fusi�n liberados produce el tritio, que posteriormente se mezcla con el deuterio para ser usado como combustible del reactor en las microesferas utilizadas.
Desde luego que la operaci�n del l�ser utilizado y de la planta de separaci�n del litio y tritio requiere energ�a y �sta debe ser proporcionada por el propio reactor. La figura IV.5 ilustra que un reactor �til debe producir mucha m�s energ�a de la que consume. De hecho, el problema m�s grave actualmente para construir un reactor de fusi�n por medio del l�ser es la baja eficiencia de los l�seres disponibles, que es caracter�sticamente menor a 1% (eficiencia l�ser de 1% implica que por cada cien unidades de energ�a el�ctrica que consume produce una unidad de energ�a de radiaci�n l�ser). El usar estos l�seres de tan baja eficiencia en un reactor dar�a el absurdo resultado de que casi toda la energ�a producida por el reactor ser�a consumida por el propio l�ser. Debido a esto, es hoy un tema de gran prioridad la investigaci�n en l�seres eficientes de alta potencia que emiten radiaci�n de longitud de onda corta.
![[MCT 41]](../img/funu082.gif)
Una caracter�stica de estos reactores es su seguridad intr�nseca, debido a que s�lo utilizan el combustible suministrado. No es posible que el n�cleo de un reactor explote debido a que se genere energ�a de fusi�n en exceso (lo cual s� ha ocurrido en reactores de fisi�n) ya que aun si deliberadamente se intentara producir una explosi�n introduciendo una microesfera m�s grande (o con m�s combustible) el l�ser no ser�a capaz de llevar esa nueva microesfera a la temperatura y densidad adecuadas para que ocurra la fusi�n nuclear.
