INTRODUCCIÓN
UN DÍA EN EL LABORATORIO RUTHERFORD APPLETON
Estamos en el Laboratorio Rutherford Appleton en Didcot, Inglaterra, a 20 km de Oxford. Es el laboratorio europeo más importante dedicado a la investigación en confinamiento inercial por medio del láser, y su herramienta de trabajo principal es el láser Vulcan, de neodimio, que funciona a una longitud de onda de 1.06, 0.53 o 0.35 micrones y es capaz de proporcionar más de 3 kilojoules de energía en pulsos de menos de 1 nanosegundo distribuidos en doce haces.
Son las 7:30 de la mañana y muchos investigadores, todos los estudiantes de doctorado y algunos trabajadores, ya están aquí a pesar de que la entrada oficial es a las 8:30. La presión de trabajo es muy dura, pero igualmente grande es el placer y la satisfacción que la mayoría de ellos encuentra en su labor.
Un experimento con un nuevo tipo de microesfera está en curso en la Sala de Experimentación Número 1. Es necesario verificar si con un nuevo diseño la densidad y la temperatura de implosión máximas alcanzadas son mayores que las obtenidas con modelos previos. Para esto se deberá medir la uniformidad de irradiación láser depositada en la microesfera, la simetría de implosión, la cantidad de neutrones producidos, la energía de los electrones supratérmicos generados, la radiación láser reflejada por procesos no lineales y el perfil de densidad del plasma producido. En la Sala de Experimentación Número 2, que es mucho más pequeña y cuenta con sólo un haz láser, está en marcha un experimento realizado por un grupo de astrofísicos que producen plasmas por medio de un láser con el fin de simular la expansión de los plasmas estelares. Más de 30 investigadores, distribuidos en varios equipos, son responsables de los diversos aspectos de los experimentos en curso.
El grupo más numeroso se encuentra en la Sala Número 1. Los investigadores se mueven como hormigas, encendiendo equipos y verificando una vez más que todo esté listo. Se introduce la microesfera a la cámara de vacío donde será irradiada. Con un láser de argón de muy baja potencia y con la ayuda de circuitos de televisión, cada uno de los doce haces láser se enfoca cuidadosamente sobre la pequeña esfera. Una vez que la microesfera está en posición, todo el instrumental experimental se prepara para el disparo principal del láser de neodimio, que en menos de 1 nanosegundo la convertirá en una intensa fuente de neutrones, rayos X y radiación óptica.
Después de una hora de alineación y verificación, las cámaras ultrarrápidas de rayos X, los detectores de neutrones, los espectrómetros de cristal de rayos X, los sistemas ópticos de detección de uniformidad, así como los monocromadores, los espectrómetros, los interferómetros y los pirómetros ópticos están listos para el experimento. Aunque todos los investigadores hablan inglés, a veces hay que hacer un esfuerzo por comprender el raro acento de los rusos, franceses, japoneses, suecos, alemanes y uno que otro latinoamericano. El entusiasta y brillante doctor Mike Key, director general del laboratorio, después de verificar con su equipo que su espectrómetro de rayos X está listo, entra a la sala de control donde se une a la conversación de un grupo de jóvenes investigadores acerca de las simulaciones computacionales obtenidas. Éstas predicen dos diferentes resultados para el nivel de uniformidad y compresión que el experimento deberá producir. El doctor Key da su opinión: las discrepancias obtenidas en los diferentes modelos computacionales tienen su origen en que no existe aún el modelo teórico apropiado para describir el fenómeno de filamentación en el plasma en expansión. Este fenómeno, dicho sea de paso, fue descubierto por Oswald Willi cuando era estudiante de doctorado en este mismo laboratorio. Oswald escucha el comentario y entre risas, y con su fuerte acento alemán de Austria, les dice que dejen de discutir pues en unos cuantos minutos, cuando el láser sea disparado y sean obtenidos los resultados experimentales, sabrán cuál modelo computacional predice resultados más cercanos a lo que realmente ocurre.
Pronto la sala de control parece una lata de sardinas. Casi todos han abandonado la sala de Experimentación Número 1 y están a la espera de que el láser sea disparado. El doctor Adrian Cole, cumpliendo una formalidad, toma el micrófono para anunciar por el sistema de altavoces que todo mundo debe abandonar la Sala, pues están listos para disparar el láser. Sin embargo, al encender el amplificador ante la sorpresa y la risa general de la concurrencia, la música de los Beatles inunda la sala. David Bassett, un joven trabajador amante de la música, una vez más dejó desconectado el micrófono y conectada su grabadora al equipo de sonido. Varias personas hablan con los operadores del láser y Justin Wark, joven estudiante de doctorado, los tranquiliza afirmando que pasó toda la noche anterior, junto con el doctor Rumbsy, en el laboratorio instalando su nuevo diseño de oscilador láser para garantizar que el perfil temporal del pulso sea suave y sin picos extraños que perturben los resultados esperados.
Mientras la computadora que controla el láser corre su programa rutinario de verificación, el doctor Héctor Baldis platica con un grupo de colegas sobre los problemas que tuvo en la aduana al salir de Canadá, pues los inspectores insistían en que pasara sus rollos de película fotográfica (especiales para la cámara ultrarrápida de rayos X) por el sistema de detección de armas y explosivos de rayos X del aeropuerto en Toronto. "Todos los pasajeros, antes de abordar el avión, deben hacer pasar sus pertenencias por este detector. Le garantizamos que no dañará sus rollos fotográficos." Esto es lo que el policía aduanal decía mientras Baldis intentaba explicarle que sus rollos fotográficos eran distintos a los de los demás pasajeros, pues los de él sí eran sensibles a los rayos X y quedarían dañados si los pasaban a través del sistema de detección. En otro grupo el doctor Tom Hall muestra con satisfacción una copia del Libro Guinness de Records donde aparece que la cámara ultrarrápida que construyó es la de mayor velocidad del mundo.
Finalmente se cierra la puerta de la Sala Número 1. La llave es retirada y luego se inserta en el interruptor principal del láser de neodimio que, por razones de seguridad, sólo así puede dispararse. Hay tensión entre todos los presentes que, en silencio, escuchan el zumbido de las alarmas anunciando que el banco principal de capacitores del láser está siendo cargado. Con los ojos fijos en las pantallas de televisión observan las barras de indicación que muestran, en color verde intenso, cómo los capacitores principales de los amplificadores de disco de los doce haces láser se cargan hasta el máximo nivel. Por último, una alarma continua anuncia durante tres segundos el inminente disparo del láser y el fuerte ruido de descarga de los tiratrones confirma que esto ocurrió. En las pantallas de televisión se muestra la energía proporcionada por cada haz y hay alivio al ver que la variación máxima entre los haces no excedió el 5%. Cada equipo de investigación se apresura a extraer los resultados obtenidos por sus instrumentos. La sala de control nuevamente se encuentra repleta pues todos están ansiosos de comparar resultados y verificar la compatibilidad preliminar entre éstos, así como, aunque sólo sea cualitativamente, comparar los resultados experimentales con las predicciones teóricas y las simulaciones computacionales.
Si todo marcha bien, durante el día será posible disparar el láser doce o quince veces, y aproximadamente a la una de la tarde (los que tengan tiempo de hacerlo) se dirigirán al restaurante pues es la hora del almuerzo. Ahí, como de costumbre, los franceses se quejarán, entre diálogos científicos y culinarios, que el vino, si es de Burdeos, no se debe servir tan joven y que sería bueno que, aparte del queso camembert hubiera también roquefort. A las 6:00 de la tarde se apaga el láser y entonces es tiempo de ajustar aparatos, limpiar sistemas ópticos, hacer modificaciones a los programas de cómputo y analizar resultados. Finalmente, hacia las 10:00 de la noche casi todos han abandonado el laboratorio y están en algún pub de Oxford tomando cerveza oscura, espesa y casi tibia, acompañada de una papa rellena de queso o un trozo de pollo frito con ensalada. Los más románticos, antes de llegar a casa, caminan un poco durante la noche pasando por los alrededores de la Biblioteca Bodleiana para recibir la inspiración que les permitirá interpretar los resultados obtenidos durante el día.
En este pequeño libro hablaremos de uno de los más fascinantes desafíos científicos de este siglo: cómo obtener la fusión nuclear por medio del láser. El interés al respecto reside en que, si existe una forma de lograrla, proporcionaría al hombre una fuente de energía abundante y prácticamente inagotable. No obstante, para que esto sea posible primero se deberán resolver complejas cuestiones tecnológicas, necesarias para comprender cabalmente los diversos aspectos de la física de la fusión láser.
Como es sabido, la energía nuclear ha sido utilizada por el hombre desde hace varias décadas, en usos civiles y militares: reactores nucleares que suministran electricidad a nuestras ciudades, y bombas de inimaginable poder destructor. Las reacciones nucleares que se producen en los ejemplos anteriores se clasifican como reacciones de fisión o reacciones de fusión. En las reacciones de fisión los núcleos de los átomos pesados, como el del uranio o el del plutonio, son fraccionados o fisionados dando como resultado átomos más pequeños; mientras que en las reacciones de fusión los núcleos de los átomos ligeros, como el del hidrógeno o el del helio, son unidos o fusionados, produciendo átomos más pesados. En ambos casos se libera energía en la reacción. De hecho, el Sol y todas las demás estrellas producen su energía a partir de reacciones nucleares de fusión.
Las reacciones nucleares de fisión se utilizan hoy en todos los reactores nucleares del mundo. También se emplearon en la construcción de las primeras bombas atómicas, conocidas como bombas A, similares a las que lamentablemente fueron detonadas en 1945 sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki. En el primer caso que ocurre en un reactor nuclear, se trata de una reacción de fisión controlada, mientras que en el segundo, el de la bomba, se trata de una violenta reacción nuclear de fisión sin control alguno.
Por otra parte, desde la década de los años sesenta se desarrollaron dispositivos que operan con base en las reacciones de fusión. Estos instrumentos son bombas atómicas conocidas como bombas H, capaces de liberar mucha más energía que cualquier bomba A. Desde que las bombas H fueron desarrolladas, se abrió también la posibilidad de construir un reactor nuclear de fusión que permitiera hacer uso controlado y pacífico de la abundante energía producida en estas reacciones. Así como los reactores nucleares actuales nos permiten hacer un uso pacífico de las reacciones nucleares de fisión, el problema ahora es construir un reactor nuclear basado en reacciones de fusión. Este planteamiento se muestra esquemáticamente en la figura 1.
![[FNT 1]](../img/funu015.gif)
A diferencia de un reactor nuclear de fisión (como los usados actualmente), construir un reactor nuclear de fusión tendría varias ventajas: en primer lugar, existe abundante combustible nuclear de fusión de bajo costo; su operación, por otro lado, sería más segura y confiable que la de cualquier reactor nuclear convencional actual y; por último, se reduciría sustancialmente el problema de peligrosos desechos radiactivos.
Construir un reactor nuclear de fusión ha resultado ser un problema de inmensa
complejidad. Tanto así que, a pesar de que tras varias décadas de trabajo, sólo
recientemente se han obtenido resultados satisfactorios. Como consecuencia de
las dificultades encontradas, muchos institutos de investigación del mundo que
iniciaron de modo individual y "secreto" sus programas de desarrollo de reactores
de fusión, al evaluar la magnitud científica y costo del proyecto han terminado
por asociarse y constituir grupos multinacionales de investigación, como por
ejemplo el Joint European Torous (JET), que conjunta los esfuerzos
de varios países europeos.
Existen actualmente varios métodos mediante los cuales se intenta lograr la fusión nuclear controlada. Estos son esencialmente tres: fusión por confinamiento magnético, fusión por haces de partículas y fusión láser. En este libro se exponen las ideas básicas de este último método, basado en el uso de rayos láser de muy alta intensidad. A lo largo de estas páginas describimos, por tanto, las reacciones nucleares de fusión, la operación y construcción de láseres de muy alta intensidad, la física de la materia cuando es irradiada por luz láser, así como algunas técnicas experimentales usadas para estudiar la materia en estas condiciones. Asimismo, se explica la idea básica de la propuesta para construir una central de generación eléctrica de fusión. Finalmente, en el Epílogo, se presentan algunas reflexiones respecto a la situación energética actual en el mundo y su relación con otros problemas, como la contaminación ambiental.
