HiPER

El proyecto HiPER ( High Power Laser Energy Research Facility ) es un dispositivo experimental de fusión por confinamiento inercial (ICF) impulsado por láser que se encuentra en fase de diseño preliminar para su posible construcción en la Unión Europea . A fecha de 2019 , el proyecto parece estar inactivo. ^[actualizar]

HiPER fue diseñado para estudiar el enfoque de "ignición rápida" para generar fusión nuclear , que utiliza láseres mucho más pequeños que los diseños de ICF convencionales, pero produce salidas de potencia de fusión de aproximadamente la misma magnitud. Esto ofrece una " ganancia de fusión " total que es mucho mayor que la de dispositivos como la Instalación Nacional de Ignición (NIF), y una reducción en los costos de construcción de aproximadamente diez veces. Esto abrió una ventana para que se construyera rápidamente una pequeña máquina que alcanzaría la ignición antes que la NIF. HiPER y los diseños japoneses FIREX pretendían explorar este enfoque.

Sin embargo, la investigación sobre el método de encendido rápido en máquinas más pequeñas, como el láser Omega en los EE. UU., demostró una serie de problemas con el concepto. Otro método alternativo, el encendido por choque , comenzó a tomar el control del desarrollo futuro a partir de alrededor de 2012. ^[1] Tanto HiPER como FIREX parecen no haber experimentado ningún desarrollo adicional desde entonces.

HiPER no debe confundirse con un dispositivo ICF anterior fabricado en Japón, conocido como "HIPER", que no ha estado operativo durante algún tiempo.

Los dispositivos de fusión por confinamiento inercial (ICF) utilizan "conductores" para calentar rápidamente las capas externas de un "objetivo" para comprimirlo. El objetivo es una pequeña pastilla esférica que contiene unos pocos miligramos de combustible de fusión, normalmente una mezcla de deuterio y tritio , o "DT". El calor del láser quema la superficie de la pastilla hasta formar un plasma , que explota en la superficie. La parte restante del objetivo es impulsada hacia adentro debido a la Tercera Ley de Newton , colapsando en un pequeño punto de muy alta densidad. La rápida explosión también crea una onda de choque que viaja hacia el centro del combustible comprimido. Cuando llega al centro del combustible y se encuentra con el choque del otro lado del objetivo, la energía en el centro calienta y comprime aún más el pequeño volumen que lo rodea. Si la temperatura y la densidad de ese pequeño punto se pueden aumentar lo suficiente, se producirán reacciones de fusión. Este enfoque ahora se conoce como "ignición de punto caliente" para distinguirlo de los nuevos enfoques. ^[2]

Las reacciones de fusión liberan partículas de alta energía, algunas de las cuales (principalmente partículas alfa ) chocan con el combustible de alta densidad que las rodea y pierden velocidad. Esto calienta el combustible circundante y puede provocar que este combustible también se fusione. Si se dan las condiciones generales adecuadas del combustible comprimido (densidad y temperatura lo suficientemente altas), este proceso de calentamiento puede provocar una reacción en cadena , quemándose hacia afuera desde el centro. Esta es una condición conocida como "ignición", que puede provocar que una parte significativa del combustible en el objetivo se fusione y libere cantidades significativas de energía. ^[3]

Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos de ICF han utilizado láseres para calentar los objetivos. Los cálculos muestran que la energía debe ser entregada rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se desarme, así como para crear una onda de choque adecuada. La energía también debe ser enfocada de manera extremadamente uniforme a lo largo de la superficie exterior del objetivo para colapsar el combustible en un núcleo simétrico. Aunque se han sugerido otros impulsores, en particular iones pesados ​​impulsados ​​en aceleradores de partículas , los láseres son actualmente los únicos dispositivos con la combinación adecuada de características. ^{[4] [5]}

En el caso de HiPER, el sistema láser del controlador es similar a sistemas existentes como NIF, pero considerablemente más pequeño y menos potente.

El controlador consta de una serie de "líneas de luz" que contienen amplificadores láser de Nd: vidrio en un extremo del edificio. Justo antes de disparar, el vidrio se "bombea" a un estado de alta energía con una serie de tubos de destello de xenón , lo que provoca una inversión de población de los átomos de neodimio (Nd) en el vidrio. Esto los prepara para la amplificación a través de la emisión estimulada cuando una pequeña cantidad de luz láser, generada externamente en una fibra óptica , se alimenta a las líneas de luz. El vidrio no es particularmente eficaz para transferir energía al haz, por lo que para recuperar la mayor cantidad de energía posible, el haz se refleja a través del vidrio cuatro veces en una cavidad con espejo, ganando cada vez más energía. ^[6] Cuando este proceso se completa, una celda de Pockels apaga la luz de la cavidad. ^[7] Un problema para el proyecto HiPER es que el Nd: vidrio ya no se produce comercialmente, por lo que es necesario estudiar varias opciones para garantizar el suministro de los aproximadamente 1.300 discos. ^[7]

Desde allí, la luz láser se introduce en un filtro espacial muy largo para limpiar el pulso resultante. El filtro es esencialmente un telescopio que enfoca el haz en un punto a cierta distancia, donde un pequeño orificio ubicado en el punto focal corta cualquier luz "parásita" causada por inhomogeneidades en el haz láser. El haz luego se ensancha hasta que una segunda lente lo devuelve a un haz recto nuevamente. Es el uso de filtros espaciales lo que conduce a las largas líneas de haz observadas en los dispositivos láser ICF. En el caso de HiPER, los filtros ocupan aproximadamente el 50% de la longitud total. El ancho del haz a la salida del sistema controlador es de aproximadamente 40 cm × 40 cm. ^[8]

Uno de los problemas encontrados en experimentos anteriores, en particular el láser Shiva , fue que la luz infrarroja proporcionada por los láseres de Nd: vidrio (a ~1054 nm en vaco ) se acopla fuertemente con los electrones alrededor del objetivo, perdiendo una cantidad considerable de energía que de otro modo calentaría el propio objetivo. Esto normalmente se soluciona mediante el uso de un multiplicador de frecuencia óptica , que puede duplicar o triplicar la frecuencia de la luz, en verde o ultravioleta , respectivamente. Estas frecuencias más altas interactúan menos fuertemente con los electrones, poniendo más energía en el objetivo. HiPER utilizará la triplicación de frecuencia en los controladores. ^[9]

Una vez finalizado el proceso de amplificación, la luz láser entra en la cámara experimental, situada en un extremo del edificio. Allí se refleja en una serie de espejos deformables que ayudan a corregir las imperfecciones restantes en el frente de onda y luego se envía a la cámara objetivo desde todos los ángulos. Dado que las distancias generales desde los extremos de las líneas de luz hasta los diferentes puntos de la cámara objetivo son diferentes, se introducen retrasos en las trayectorias individuales para garantizar que todas lleguen al centro de la cámara al mismo tiempo, en unos 10 picosegundos (ps). El objetivo, una pastilla de combustible de fusión de aproximadamente 1 mm de diámetro en el caso de HiPER, se encuentra en el centro de la cámara. ^[10]

HiPER se diferencia de la mayoría de los dispositivos ICF en que también incluye un segundo conjunto de láseres para calentar directamente el combustible comprimido. El pulso de calentamiento debe ser muy corto, de unos 10 a 20 ps de duración, pero este tiempo es demasiado corto para que los amplificadores funcionen bien. Para resolver este problema, HiPER utiliza una técnica conocida como amplificación de pulsos chirriantes (CPA). La CPA comienza con un pulso corto de una fuente láser de ancho de banda amplio (multifrecuencia), a diferencia del controlador que utiliza una fuente monocromática (de frecuencia única). La luz de este pulso inicial se divide en diferentes colores utilizando un par de rejillas de difracción y retardos ópticos. Esto "estira" el pulso en una cadena de varios nanosegundos de duración. Luego, el pulso se envía a los amplificadores de forma normal. Cuando sale de las líneas de luz, se recombina en un conjunto similar de rejillas para producir un único pulso muy corto, pero como el pulso ahora tiene una potencia muy alta, las rejillas tienen que ser grandes (aproximadamente 1 m) y estar en el vacío. Además, los haces individuales deben tener una potencia menor en general; el lado de compresión del sistema utiliza 40 líneas de luz de aproximadamente 5 kJ cada una para generar un total de 200 kJ, mientras que el lado de ignición requiere 24 líneas de luz de poco menos de 3 kJ para generar un total de 70 kJ. El número preciso y la potencia de las líneas de luz son actualmente un tema de investigación. ^[10] También se utilizará la multiplicación de frecuencia en los calentadores, pero aún no se ha decidido si se utilizará la duplicación o la triplicación; esta última pone más potencia en el objetivo, pero es menos eficiente al convertir la luz. A partir de 2007, el diseño de referencia se basa en la duplicación en el verde. ^[11]

En los dispositivos ICF tradicionales, el láser conductor se utiliza para comprimir el objetivo a densidades muy altas. La onda de choque creada por este proceso calienta aún más el combustible comprimido cuando choca en el centro de la esfera. Si la compresión es lo suficientemente simétrica, el aumento de temperatura puede crear condiciones cercanas al criterio de Lawson y provocar la ignición.

La cantidad de energía láser necesaria para comprimir eficazmente los objetivos hasta alcanzar las condiciones de ignición ha crecido rápidamente desde las primeras estimaciones. En los "primeros días" de la investigación sobre el ICF en la década de 1970 se creía que  bastaría con tan sólo 1 kilojulio (kJ), ^{[12] [13]} y se construyeron varios láseres experimentales para alcanzar estos niveles de potencia. Cuando lo hicieron, una serie de problemas, generalmente relacionados con la homogeneidad del colapso, resultó alterar gravemente la simetría de la implosión y condujo a temperaturas del núcleo mucho más frías de lo esperado originalmente. A lo largo de la década de 1980, la energía estimada necesaria para alcanzar la ignición aumentó hasta el rango de los megajulios, lo que pareció hacer que el ICF fuera poco práctico para la producción de energía de fusión. Por ejemplo, la Instalación Nacional de Ignición (NIF) utiliza unos 420 MJ de potencia eléctrica para bombear los láseres impulsores y, en el mejor de los casos, se espera que produzca unos 20 MJ de potencia de fusión. ^[2] Sin aumentos espectaculares en la producción, un dispositivo de este tipo nunca sería una fuente de energía práctica.

El método de encendido rápido intenta evitar estos problemas. En lugar de utilizar la onda de choque para crear las condiciones necesarias para la fusión por encima del rango de ignición, este método calienta directamente el combustible. Esto es mucho más eficiente que la onda de choque, que se vuelve menos importante. En HiPER, la compresión proporcionada por el controlador es "buena", pero no se acerca a la creada por dispositivos más grandes como NIF; el controlador de HiPER es de aproximadamente 200 kJ y produce densidades de aproximadamente 300 g/cm ³ . Eso es aproximadamente un tercio de la de NIF, y aproximadamente la misma que la generada por el láser NOVA anterior de la década de 1980. A modo de comparación, el plomo es de aproximadamente 11 g/cm ³ , por lo que esto todavía representa una cantidad considerable de compresión, en particular cuando se considera que el interior del objetivo contenía combustible DT ligero de alrededor de 0,1 g/cm ³ . ^[10]

La ignición se inicia con un pulso láser de potencia ultraalta (~70 kJ, 4 PW) muy corto (~10 picosegundos), dirigido a través de un orificio en el plasma en el núcleo. La luz de este pulso interactúa con el combustible frío circundante, generando una lluvia de electrones relativistas de alta energía (3,5 MeV) que son impulsados ​​hacia el combustible. Los electrones calientan un punto en un lado del núcleo denso y, si este calentamiento es lo suficientemente localizado, se espera que impulse el área mucho más allá de las energías de ignición. ^[10]

La eficiencia general de este enfoque es muchas veces mayor que la del enfoque convencional. En el caso del NIF, el láser genera alrededor de 4 MJ de potencia infrarroja para crear una ignición que libera alrededor de 20 MJ de energía. ^[2] Esto corresponde a una "ganancia de fusión" (la relación entre la potencia del láser de entrada y la potencia de fusión de salida) de alrededor de 5. Si se utilizan los supuestos de referencia para el diseño actual de HiPER, los dos láseres (controlador y calentador) producen alrededor de 270 kJ en total, pero generan de 25 a 30 MJ, una ganancia de alrededor de 100. ^[10] Considerando una variedad de pérdidas, se predice que la ganancia real será de alrededor de 72. ^[10] Esto no solo supera al NIF por un amplio margen, sino que los láseres más pequeños son mucho menos costosos de construir. En términos de energía por costo, se espera que HiPER sea aproximadamente un orden de magnitud menos costoso que los dispositivos convencionales como el NIF.

La compresión es un problema que ya se entiende bastante bien y el HiPER está principalmente interesado en explorar la física precisa del rápido proceso de calentamiento. No está claro con qué rapidez se detienen los electrones en la carga de combustible; si bien esto se sabe para la materia bajo presiones normales, no lo es para las condiciones ultradensas del combustible comprimido. Para trabajar de manera eficiente, los electrones deben detenerse en la menor distancia posible, para liberar su energía en un punto pequeño y así elevar la temperatura (energía por unidad de volumen) lo más alto posible.

La forma de hacer llegar la luz láser a ese punto también es un tema de investigación adicional. Un método utiliza un pulso corto de otro láser para calentar el plasma fuera del "núcleo" denso, lo que básicamente hace que se forme un agujero en él y se exponga el combustible denso que hay en su interior. Este método se probará en el sistema OMEGA-EP en los EE. UU. Otro método, probado con éxito en el láser GEKKO XII en Japón, utiliza un pequeño cono de oro que corta una pequeña área de la cubierta del objetivo; al calentarlo no se crea plasma en esta área, lo que deja un agujero al que se puede apuntar haciendo brillar el láser en la superficie interna del cono. HiPER está planeando actualmente utilizar el método del cono de oro, pero probablemente también estudiará la solución de combustión. ^[10]

En 2005, HiPER completó un estudio preliminar que esbozaba posibles enfoques y argumentos para su construcción. El informe recibió críticas positivas de la CE en julio de 2007 y pasó a una fase de diseño preparatorio a principios de 2008, con diseños detallados para su construcción a partir de 2011 o 2012. ^{[ cita requerida ]}

Paralelamente, el proyecto HiPER propone también construir sistemas láser más pequeños con tasas de repetición más altas. Las lámparas de destello de alta potencia que se utilizan para bombear el vidrio amplificador del láser hacen que éste se deforme y no se pueda volver a encender hasta que se enfríe, lo que puede tardar un día. Además, sólo una cantidad muy pequeña del destello de luz blanca generado por los tubos tiene la frecuencia adecuada para ser absorbido por el vidrio de neodimio y, por lo tanto, dar lugar a la amplificación; en general, sólo entre el 1 y el 1,5 % de la energía que se introduce en los tubos termina en el haz láser. ^[14]

La clave para evitar estos problemas es sustituir las lámparas de destello por bombas más eficientes, generalmente basadas en diodos láser . Estas son mucho más eficientes a la hora de generar luz a partir de electricidad y, por lo tanto, funcionan a temperaturas mucho más bajas. Más importante aún, la luz que generan es bastante monocromática y se puede ajustar a frecuencias que se pueden absorber fácilmente. Esto significa que se necesita utilizar mucha menos energía para producir una cantidad determinada de luz láser, lo que reduce aún más la cantidad total de calor que se genera. La mejora en la eficiencia puede ser espectacular; los dispositivos experimentales existentes funcionan con una eficiencia general de alrededor del 10% y se cree que los dispositivos "a corto plazo" mejorarán esta cifra hasta en un 20%. ^[15]

Investigaciones posteriores sobre el método de encendido rápido pusieron en duda su futuro. En 2013, la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos concluyó que ya no era una línea de investigación que valiera la pena y afirmó: "En este momento, el encendido rápido parece ser un método menos prometedor para la combustión ininterrumpida que otros conceptos de encendido". ^[16]

• Mike Dunne et al., "Informe sobre antecedentes técnicos y diseño conceptual de HiPER 2007", junio de 2007
• Mike Dunne et al., "HiPER: una instalación de fusión láser para Europa", 2005
• Edwin Cartlidge, "Europa planea una instalación de fusión láser", Physics World , 2 de septiembre de 2005
• Gerstner, Ed (2007), "Física láser: luz extrema", Nature , 446 (7131): 16– 18, Bibcode :2007Natur.446...16G, doi : 10.1038/446016a , PMID  17330018, S2CID  4388058

• Proyecto HiPER – Página de inicio del proyecto
• Vía rápida hacia la fusión: incluye una imagen del enfoque del cono de oro
• Experimentos de inestabilidad hidrodinámica en el láser GEKKO XII/HIPER: el experimento japonés del mismo nombre, a modo de comparación
• La visión láser impulsa el futuro energético, según un informe de la BBC
• El profesor Mike Dunne, director de la Central Laser Facility del Reino Unido, habla de los planes europeos para crear energía de fusión, revista Ingenia , diciembre de 2007
• HiPER Power – Artículo en physics.org, agosto de 2009