En agosto de 2022, cuando el equipo de científicos de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) disparó un tiro que logró un rendimiento de 1,35 megajulios (MJ) de energía de fusión con 1,9 MJ de energía láser, fue un avance científico muy esperado-que señalaba la quema de fusión.
Más tarde, ese mismo año, durante otro experimento de fusión inercial (también conocido como fusión-impulsada por láser), los científicos lograron un rendimiento de 3,15 MJ de energía de fusión con 2,05 MJ de energía láser y lograron la ignición. Fue una reacción de fusión termonuclear creada en el laboratorio-y dio inicio a una carrera mundial para poner en la red energía de fusión-láser libre de carbono-para las décadas de 2030 o 2040.
"Este fue un punto de inflexión cuando el NIF demostró por primera vez con éxito que la fusión inercial era posible, y la clave es tener el tipo correcto de combustible-deuterio-tritio-y usar láseres para comprimirlo y fusionarlo para generar ganancia (más energía que la que se ingresa)", dice Arianna Gleason, científica y subdirectora de la división de Ciencias de Alta Densidad de Energía de SLAC. "Es como sostener el combustible de una estrella-sólo durante una fracción de segundo dentro de un laboratorio".
En agosto de 2022, cuando el equipo de científicos de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) disparó un tiro que logró un rendimiento de 1,35 megajulios (MJ) de energía de fusión con 1,9 MJ de energía láser, fue un avance científico muy esperado-que señalaba la quema de fusión.
Más tarde, ese mismo año, durante otro experimento de fusión inercial (también conocido como fusión-impulsada por láser), los científicos lograron un rendimiento de 3,15 MJ de energía de fusión con 2,05 MJ de energía láser y lograron la ignición. Fue una reacción de fusión termonuclear creada en el laboratorio-y dio inicio a una carrera mundial para poner en la red energía de fusión-láser libre de carbono-para las décadas de 2030 o 2040.
"Este fue un punto de inflexión cuando el NIF demostró por primera vez con éxito que la fusión inercial era posible, y la clave es tener el tipo correcto de combustible-deuterio-tritio-y usar láseres para comprimirlo y fusionarlo para generar ganancia (más energía que la que se ingresa)", dice Arianna Gleason, científica y subdirectora de la división de Ciencias de Alta Densidad de Energía de SLAC. "Es como sostener el combustible de una estrella-sólo durante una fracción de segundo dentro de un laboratorio".
Avances en la arquitectura láser para la fusión
NIF fue construido durante la década de 1990 y cuenta con la tecnología láser de la época. "Ahora construimos láseres de manera mucho más eficiente que en la década de 1990. Nuestra tecnología ha avanzado hasta un punto en el que podemos tener láseres altamente eficientes con velocidades de repetición que necesitamos para la fusión:-muchos disparos por segundo", dice Glenzer. "Curiosamente, los microchips dentro de los iPhone se producen con tecnología láser que en realidad surgió del programa de fusión láser. Fue el primer éxito comercial de la fusión láser".
Dentro de la comunidad de fusión, la tecnología láser se está alejando lentamente de las arquitecturas más antiguas que funcionaban en el pasado.-Los láseres basados en lámpara de flash-bombeados o con lámpara de flash-eran "un caballo de batalla muy fuerte", dice Gleason. "Pero necesitamos otros más eficientes, por lo que utilizamos láseres de estado sólido-bombeados-por diodos (DPSSL)".
Esto significa que es necesario fortalecer la cadena de suministro de láseres DPSSL, porque todos están avanzando hacia la plataforma láser estándar IFE para las pruebas requeridas. "Los láseres de fibra-acoplada son un método para mover la luz de un lugar a otro, utilizado de forma omnipresente en las telecomunicaciones, pero a medida que la comunidad de fusión intenta aprovechar la generación actual de arquitecturas láser y construimos láseres más grandes, debemos ser más conscientes de cómo se enfrían las cosas. Es un espacio de innovación para las empresas", afirma Gleason.
Los láseres excimer utilizan gas como medio y "tienen un sólido historial con el Departamento de Defensa (DoD) para armas de energía dirigida-", afirma Gleason. "También es la base para un concepto de fusión. Se están logrando grandes avances con los láseres excimer, que se basan en décadas de física y estudios. Estamos avanzando para tener un láser tan potente-tal vez con un tamaño más pequeño o con mayor eficiencia. ¿Cómo se enfría una estructura láser tan grande? Estos son lugares donde las empresas privadas pueden desarrollar su propia salsa secreta".
Centros de fusión STARFIRE y RISE
El centro de fusión STARFIRE está dirigido por LLNL, junto con SLAC, para comercializar energía de fusión impulsada por láser-. Su enfoque son los diseños de objetivos de alta-ganancia, la fabricación de objetivos y los DPSSL. Los miembros incluyen MIT; Universidad de California, Berkeley; Universidad de California, Los Ángeles; Universidad de California, San Diego; Universidad de Oklahoma; Universidad de Rochester; Texas A&M; Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser; Fundación del Laboratorio Livermore; Laboratorio Nacional Oak Ridge; Laboratorio Nacional del Río Savannah; Energía enfocada Inc.; Atómica General; Leonardo Electronics Estados Unidos; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; y Xcimer Energy Corp.
El equipo tiene acceso a laboratorios de láser en SLAC, por lo que tienen la oportunidad de utilizar la fuente de luz coherente Linac (LCLS), el único láser de electrones-libre-de rayos X (XFEL) en los EE. UU., para sondear e interrogar los materiales de las cápsulas o el combustible de fusión. Funciona a 120 Hz, pero pronto funcionará en megahercios.
"Utilizamos dos láseres a la vez en nuestros experimentos en SLAC. Un láser de pulso- largo genera ondas de choque en la muestra y luego la probamos con el LCLS para ver qué sucede en las escalas de tiempo y longitud más pequeñas para mejorar nuestros modelos de física", dice Gleason. "Necesitamos comparar manzanas con manzanas para evaluar si nuestro modelo físico es correcto. Respalda no solo lo que necesitan los laboratorios nacionales, sino que también brinda a las empresas privadas una manera de predecir si parte de su concepto funcionará o no (por ejemplo, cómo están simulando su compromiso con el objetivo). Y les estamos proporcionando estos datos críticos aprovechando nuestro acceso a diferentes plataformas láser e instrumentos".
Otro centro, RISE, está dirigido por SLAC y la Universidad Estatal de Colorado, e involucra a expertos de la Universidad de Cornell, la Universidad de Illinois, Texas A&M, el Laboratorio Nacional de Los Álamos, el Laboratorio de Investigación Naval y empresas privadas-Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion y General Atomics-que trabajan en diferentes enfoques para un controlador láser.
"Todos tienen un enfoque creíble", afirma Glenzer. "Pero no es como si una empresa tratara de hacer que todo esto suceda-esto es una comunidad y un centro de fusión a nivel nacional. Los investigadores están tratando de hacer avanzar las tecnologías y estamos aprendiendo unos de otros para tratar de cerrar las brechas en investigación y tecnología para la década de 2030".
Los inversores preguntan con frecuencia a Glenzer qué empresa de fusión respaldar. "Algunas de las empresas de láser pueden ganar dinero mucho antes suministrando láseres para derribar drones dentro del espacio de defensa", afirma. "Pero a los inversores no les gusta mucho la idea porque quieren un mercado que sólo atienda a la fusión y la electricidad. En realidad, quieren que estas empresas hagan fusión para poder vender electricidad. Es realmente interesante lo centrados que están en hacer que la fusión suceda".
La comunidad de la fusión es "muy consciente de los requisitos de la cadena de suministro para que las empresas de fusión tengan los recursos no sólo para desarrollar sus planes piloto de demostración sino también para tener una flota de reactores a largo plazo", dice Gleason. "Es un enfoque múltiple en términos de dónde podemos obtener las materias primas y luego fabricar los componentes en todo Estados Unidos para establecer una cadena de suministro nacional. Esto es clave".
¿Década de 2030 o 2040 para una planta piloto de fusión?
Las asociaciones y la financiación público-privadas son cruciales para acercarnos a poner la fusión impulsada por láser-en la red durante la década de 2030.
"Nuestra función es principalmente apoyar y eliminar riesgos de la tecnología crítica que necesitan la industria de la fusión y las empresas privadas", dice Gleason. "Pero algunas empresas dicen que esperan que sea durante la década de 2030".
El Departamento de Energía de Estados Unidos fijó como objetivo la década de 2030. "Esto significa que queremos cerrar todas las brechas tecnológicas y de investigación, algunas a mediados de la década de 2030, y luego construir una planta piloto", dice Glenzer. "Realmente depende de cuánto dinero se invierta, pero es realista esperar una planta piloto a finales de los años 2030 o principios de los 2040".
