IV. EXPERIMENTACIÓN Y DIAGNOSIS

EL PROCESO DE MEDICIÓN

Sólo lo que es mensurable se conoce

AHORA es importante notar que para poder evaluar un resultado experimental (por ejemplo, la implosión de una microesfera de deuterio y tritio) o la utilidad de un aparato (por ejemplo, un láser) es necesario ser capaz de medir. Por desgracia, en la mayoría de los casos en el trabajo científico, 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 medición; sólo así se puede llegar a determinar qué está ocurriendo realmente en nuestros aparatos o experimentos. Sólo con base en cuidadosas mediciones experimentales es posible comparar los resultados teóricos y simulaciones computacionales con lo que ocurre en la naturaleza. Es decir, los resultados experimentales son la prueba más importante y definitiva de toda teoría. Podemos pensar que los científicos teóricos son sastres que pasan su tiempo diseñando y haciendo vestidos (algunos realmente muy hermosos) para una señora llamada "madre naturaleza". Cuando los vestidos le quedan bien se guardan en un guardarropa especial (llamado "teoría científica") y cuando no le quedan se desechan y se diseñan nuevos. Es decir que, sólo debido a la realimentación que los resultados experimentales proporcionan se puedan corregir y mejorar los resultados teóricos. Aunque también muchas veces son los resultados experimentales los que proporcionan la inspiración en la creación de nuevos modelos teóricos.

El trabajo de la fusión por medio del láser es un claro ejemplo de todo lo anterior ya que, debido a las condiciones extremas de presión, densidad y radiación (similares a las que ocurren en las estrellas), a las que la materia está sujeta durante estos experimentos, fue necesario desechar, corregir o proponer nuevas teorías para explicar lo que se observa en los experimentos. Por ejemplo, en el capítulo anterior hablamos de varios procesos no lineales que ocurren entre fotones, plasmones y fonones en un plasma producido por un láser. Aunque las ideas básicas de estos procesos se comprendían en su generalidad, era necesaria una teoría 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 láser 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 más. Esta información es esencial para determinar la factibilidad de diversos aspectos del programa de fusión vía láser (como la selección y las características del láser a utilizar) y sólo fue posible cuando se dispuso de resultados experimentales con los cuales comparar los diferentes modelos teóricos.

El trabajo experimental en investigación relacionada con el proyecto de fusión por medio del láser es enorme y ha creado la necesidad de desarrollar nuevas técnicas experimentales o bien de perfeccionar algunas ya conocidas. Nos podemos dar cuenta de la dimensión del reto experimental al ver el enorme rango de posibilidades que requieren de instrumentales de medición. Por ejemplo, en la medición de longitudes se requiere medir desde 0.1 micrón hasta 1 centímetro; en la medición 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 partículas por centímetro cúbico, y en la medición de energía se requiere un rango que va de 1 eV (1 eV —electrón volt— = 1.6 x 10^-19 joules) hasta decenas de millones de eV. De hecho, hoy se dispone de más de 65 técnicas experimentales distintas para el estudio de los efectos de la irradiación de microesferas de deuterio y tritio con luz láser.

En este capítulo describiremos algunas de las técnicas experimentales más interesantes y novedosas. Están basadas en fotografía con rayos X, tanto estática y dinámica, así como técnicas experimentales basadas en la detección de neutrones. La técnica fotográfica dio origen a las cámaras fotográficas más rápidas del mundo, capaces de tomar el equivalente de más de 10 000 000 000 de fotografías por segundo. Finalmente se describirá la idea básica de una planta generadora de energía, basada en un reactor de fusión vía láser.

FOTOGRAFÍA CON RAYOS X

Buscando huesos en microesferas

Seguramente el lector de estas líneas en alguna ocasión se habrá tomado una radiografía, también conocida como placa de rayos X. De hecho las radiografías son fotografías que, en lugar de utilizar luz visible, usan rayos X. Como sabemos, los rayos X y la luz visible son radiación electromagnética, pero los primeros tienen una longitud de onda menor. En otras palabras, los fotones que constituyen los rayos X son de mucho mayor energía que los fotones de la luz visible. Debido a su mayor energía, los rayos X pasan a través 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 radiografía 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 fusión láser también ocurren diferencias de densidad, pues durante la irradiación con luz láser de una microesfera de deuterio y tritio el interior de ésta se comprime fuertemente mientras que la densidad del plasma en expansión que se forma alrededor es mucho menor. Debido a esto, una de las primeras técnicas experimentales usadas para observar la implosión de microesferas fue por medio de fotografías con rayos X. La figura IV.1 ilustra la imantación práctica de esta técnica, conocida como fotografía de agujero por iluminación posterior con rayos X (su nombre en inglés es backlighting pinhole X-ray photography). Podemos observar que un haz láser auxiliar se enfoca detrás de la microesfera, formando un eje entre el agujero de la cámara de rayos X, la microesfera y el punto de foco del láser auxiliar. Este haz auxiliar tiene como objeto producir los rayos X, lo cual es muy sencillo, pues todo láser de potencia, al ser enfocado en un material, genera intensa radiación X.

Figura IV. 1.

De este modo se pueden obtener fotografías que permiten estudiar el proceso de implosión de la microesfera, el cual ocurre en menos de un nanosegundo (1 x 10^-9 segundos). Si el haz láser 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 implosión y saber cuál es su estado en ese preciso instante. Esto es similar a fotografiar a un clavadista durante el tiempo de su caída. Lo único que se requiere para tomarle una buena foto es que el tiempo de disparo de la cámara (el tiempo durante el cual la luz reflejada por el clavadista está entrando a la cámara fotográfica) sea mucho más corto que el tiempo que tarda el clavadista en caer al agua. En el caso del clavadista, esto se controla ajustando el tiempo de exposición de la cámara, mientras que en el caso de la microesfera en implosión lo que controlamos es el tiempo que iluminaremos con rayos X a la microesfera. Esto último se hace ajustando la duración del haz láser auxiliar y sincronizándolo con respecto al láser de irradiación principal de la microesfera.

La desventaja de este método es que sólo permite obtener una fotografía por cada implosión. Además, es difícil saber si la fotografía tomada corresponde o no al punto de máxima implosión. Lo ideal sería tomar una sucesión de fotografías que permitiera estudiar la evolución temporal del proceso de implosión. Como veremos en la próxima sección, actualmente ello es posible utilizando cámaras ultrarrápidas.

FOTOGRAFÍA ULTRARRÁPIDA

10 000 000 000 de fotografías por segundo

Como vimos en la sección anterior, para estudiar adecuadamente el proceso de implosión de una microesfera se requiere saber cuál es su evolución temporal durante el tiempo en que es irradiada por el haz láser principal. Esto se hace actualmente utilizando cámaras ultrarrápidas, conocidas en inglés como framing cameras. Éstas son capaces de tomar el equivalente de más de 10 000 000 000 de fotografías por segundo con tiempos de exposición de menos de 50 picosegundos.

La figura IV.2 muestra el esquema básico de una cámara ultrarrápida durante un experimento. Un haz láser auxiliar de igual duración que el láser principal es utilizado para producir un fondo continuo de rayos X que irradia a la microesfera durante todo el proceso de implosión. La imagen de rayos X es obtenida y enfocada por medio de un pequeño agujero en un fotocátodo. Éste es un material que convierte los fotones de rayos X incidentes en electrones. Idealmente, por cada fotón de rayos X incidente en una cara del fotocátodo obtenemos, del otro lado de éste, un electrón. Como resultado de enfocar la imagen de rayos X en el fotocátodo obtenemos una réplica de esta imagen, pero ya no consistente en fotones sino en electrones. La ventaja de tener una imagen con electrones y no con fotones está en que los electrones, al ser partículas con carga eléctrica, pueden ser desviados por medio de un campo eléctrico. 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 deflexión cuya función es desplazar la imagen de electrones sobre una superficie de fósforo. Esta superficie cumple una función inversa al fotocátodo pues lo que hace es producir un fotón de luz visible por cada electrón incidente. Es decir, la imagen de electrones incidente en un lado de la placa de fósforo producirá del otro lado una imagen de luz capaz de ser fotografiada si se coloca una película fotográfica junto a ésta. Sin embargo, ya en la práctica, las imágenes obtenidas son de tan baja intensidad que normalmente se coloca, entre la placa de fósforo y la película fotográfica, 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 película o en video. Para obtener una sucesión de fotografías que registre la evolución de la microesfera durante el proceso de implosión lo único que se requiere es introducir un voltaje entre estas placas que mueva la imagen con la rapidez deseada sobre la placa de fósforo. En la figura IV.3 se muestra el resultado de introducir un voltaje con forma de triple escalón entre las placas de deflexión de la cámara. De este modo se obtienen tres imágenes en la placa fotográfica separadas entre sí por 100 picosegundos, que es el tiempo entre cada escalón de voltaje.

Figura IV. 2.

Figura IV. 3.

Esta técnica se ha utilizado con éxito para obtener series de quince o más fotografías que muestran en detalle el proceso de implosión de la microesfera. Así, hemos podido variar la estructura, composición y tamaño de las microesferas utilizadas con el fin de encontrar un diseño óptimo. Usando estas cámaras es posible también estudiar el efecto de variar la forma temporal del haz láser incidente en la microesfera, entre muchas otras cosas.

DETECCIÓN DE NEUTRONES

Los voceadores de la fusión

Como vimos en el primer capítulo, la probabilidad de que ocurra una reacción de fusión depende de la temperatura a que se encuentra la mezcla de material fusionable. Por otra parte, como resultado de la fusión de deuterio-deuterio o deuterio-tritio se obtienen neutrones de energía particular. Por ejemplo, la reacción de D-D produce neutrones con energía de 2.45 MeV y, por tanto, detectar neutrones con esta energía es una indicación de que están ocurriendo reacciones de fusión, así 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 relación con el haz láser incidente, podemos saber qué tan rápido ocurrió la implosión. Midiendo el tiempo que dura y la intensidad del pulso de neutrones se puede calcular la temperatura máxima alcanzada.

Al irradiar una microesfera llena de deuterio pueden ocurrir dos reacciones de fusión:

²₁D + ²₁D ® ³₂He + n + 3.27 MeV

y:

²₁D + ²₁D ® ³₁T + p + 4.03 MeV

La primera reacción produce un neutrón de 2.45 MeV de energía, mientras que la segunda produce un protón de 2.45 MeV más un tritón de 1 MeV. Si el combustible de deuterio se comprime a una densidad suficientemente alta, existe la posibilidad de que el tritón de 1 MeV se fusione con un deuterón antes de escapar de la zona comprimida. Así, se produce la reacción:

²₁D + ³₁T ® ⁴₂He + n',

donde el neutrón secundario n' tiene una energía de 12 a 17 MeV. Es decir, que este neutrón secundario se mueve mucho más rápidamente que los neutrones primarios originados en la reacción D-D. Por tanto, midiendo el tiempo entre pulsos de neutrones y la intensidad de éstos, es posible determinar con precisión la densidad del combustible de fusión en compresión. Utilizando ideas similares es posible tener reacciones de tercer orden, en las que la energía de los neutrones terciarios n" es de hasta 30 MeV. Claro está, existen técnicas similares que se emplean cuando el combustible nuclear es D-T.

DISEñO DE UN REACTOR

Produciendo electricidad a partir de la fusión

La idea básica de un reactor de fusión accionado por láser se muestra en la figura IV.4. Podemos ver que consta de un núcleo en el centro del cual convergen varios haces láser que inciden en una microesfera que contiene una mezcla de deuterio y tritio (D-T) en su interior. A través del canal de inyección entran las microesferas a razón de aproximadamente 10 esferas por segundo. Como hemos visto, debido a la intensa irradiación láser en la superficie de cada microesfera se forma un plasma en expansión. Este ocasiona la implosión de la mezcla de D-T del interior y eleva su temperatura y su densidad a valores en los cuales la fusión nuclear entre los átomos de deuterio y tritio ocurre de acuerdo con la reacción:

²₁D + ³₁T®⁴₂He + n + 17.6 MeV.

Figura IV. 4.

La energía liberada en esta microexplosión termonuclear aumenta la temperatura del litio líquido que se encuentra en el interior del reactor hasta aproximadamente 800 grados centígrados. El litio caliente se extrae del reactor y en un intercambiador de calor produce vapor de agua que acciona una turbina de vapor. Después, el eje de rotación de la turbina de vapor conectado a un generador eléctrico produce electricidad que se trasmite a través de líneas de distribución convencionales.

Como hemos dicho, el combustible nuclear utilizado es una mezcla de deuterio y tritio. El deuterio existe en abundancia y se extrae fácilmente del agua de mar, que contiene un átomo de deuterio por cada 6 500 átomos de hidrógeno. Sin embargo, es necesario producir tritio mediante la reaccion:

⁶₃Li + n® ³₁T + ⁴₂He + 4.8 MeV.

Debido a esto, se utiliza litio para extraer la energía de fusión liberada en la reacción de D-T, ya que el litio, además de su función como elemento de transporte térmico, al ser bombardeado por los neutrones de fusión 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 operación del láser utilizado y de la planta de separación del litio y tritio requiere energía y ésta debe ser proporcionada por el propio reactor. La figura IV.5 ilustra que un reactor útil debe producir mucha más energía de la que consume. De hecho, el problema más grave actualmente para construir un reactor de fusión por medio del láser es la baja eficiencia de los láseres disponibles, que es característicamente menor a 1% (eficiencia láser de 1% implica que por cada cien unidades de energía eléctrica que consume produce una unidad de energía de radiación láser). El usar estos láseres de tan baja eficiencia en un reactor daría el absurdo resultado de que casi toda la energía producida por el reactor sería consumida por el propio láser. Debido a esto, es hoy un tema de gran prioridad la investigación en láseres eficientes de alta potencia que emiten radiación de longitud de onda corta.

Figura IV. 5.

Una característica de estos reactores es su seguridad intrínseca, debido a que sólo utilizan el combustible suministrado. No es posible que el núcleo de un reactor explote debido a que se genere energía de fusión en exceso (lo cual sí ha ocurrido en reactores de fisión) ya que aun si deliberadamente se intentara producir una explosión introduciendo una microesfera más grande (o con más combustible) el láser no sería capaz de llevar esa nueva microesfera a la temperatura y densidad adecuadas para que ocurra la fusión nuclear.