Energía de fusión inercial láser

Cuando se propuso por primera vez el proyecto LIFE, se centró en el concepto híbrido de fusión-fisión nuclear , que utiliza los neutrones rápidos de las reacciones de fusión para inducir la fisión en materiales nucleares fértiles . ^{[ 17 ]} El concepto híbrido se diseñó para generar energía a partir de combustible nuclear fértil y fisionable, y para quemar residuos nucleares. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} La manta de combustible se diseñó para utilizar combustible basado en TRISO enfriado por una sal fundida hecha de una mezcla de fluoruro de litio (LiF) y fluoruro de berilio (BeF ₂ ). ^{[ 21 ]}    

Las centrales nucleares de fisión convencionales se basan en la reacción en cadena que se produce cuando los eventos de fisión liberan neutrones térmicos que provocan nuevos eventos de fisión. Cada evento de fisión en el U-235 libera dos o tres neutrones con aproximadamente 2  MeV de energía cinética . Mediante una disposición cuidadosa y el uso de diversos materiales absorbentes, los diseñadores pueden equilibrar el sistema de manera que uno de esos neutrones provoque otro evento de fisión mientras que los otros uno o dos se pierden. Este equilibrio se conoce como criticidad . El uranio natural es una mezcla de tres isótopos: principalmente U-238 , con algo de U-235 y cantidades traza de U-234. Los neutrones liberados en la fisión de cualquiera de los isótopos principales provocarán la fisión en el U-235, pero no en el U-238, que requiere energías más altas, alrededor de 5  MeV. No hay suficiente U-235 en el uranio natural para alcanzar la criticidad. Los reactores nucleares comerciales de agua ligera , los reactores de potencia más comunes en el mundo, utilizan combustible nuclear que contiene uranio enriquecido al 3-5% de U-235, mientras que el resto es U-238. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Cada evento de fusión en el reactor de fusión DT emite una partícula alfa y un neutrón rápido con aproximadamente 14  MeV de energía cinética. Esta energía es suficiente para causar fisión en el U-238 y muchos otros elementos transuránicos . Esta reacción se utiliza en las bombas H para aumentar el rendimiento de la sección de fusión al envolverla en una capa de uranio empobrecido , que experimenta una fisión rápida al ser impactado por los neutrones de la bomba de fusión en su interior. El mismo concepto básico también se puede utilizar con un reactor de fusión como LIFE, utilizando sus neutrones para causar fisión en una capa de combustible de fisión. A diferencia de un reactor de fisión, que consume su combustible una vez que el U-235 cae por debajo de un cierto valor umbral, ^{[ a ]} estos reactores híbridos de fisión-fusión pueden continuar produciendo energía a partir del combustible de fisión mientras el reactor de fusión continúe proporcionando neutrones. Como los neutrones tienen alta energía, pueden potencialmente causar múltiples eventos de fisión, lo que lleva a que el reactor en su conjunto produzca más energía, un concepto conocido como multiplicación de energía . ^{[ 25 ]} Incluso el combustible nuclear sobrante de los reactores nucleares convencionales se quemará de esta manera. Esto es potencialmente atractivo porque, en el proceso, se queman muchos de los radioisótopos de larga vida, produciendo residuos que son solo ligeramente radiactivos y carecen de la mayoría de los componentes de larga vida. ^{[ 17 ]}

En la mayoría de los diseños de energía de fusión, los neutrones de fusión reaccionan con una capa de litio para generar tritio como combustible. Un problema importante del diseño de fisión-fusión es que los neutrones que causan la fisión ya no están disponibles para la generación de tritio. Si bien las reacciones de fisión liberan neutrones adicionales, estos no tienen la energía suficiente para completar la reacción de generación con Li-7, que constituye más del 92 % del litio natural. Estos neutrones de menor energía generarán tritio en Li-6, que podría concentrarse a partir del mineral de litio natural. Sin embargo, la reacción de Li-6 solo produce un tritio por neutrón capturado, y se necesita más de un tritio por neutrón para compensar la desintegración natural y otras pérdidas. ^{[ 26 ]} Al usar Li-6, los neutrones de la fisión compensarían las pérdidas, pero solo a costa de impedir que causen otras reacciones de fisión, lo que reduce la potencia de salida del reactor. El diseñador debe elegir qué es más importante: consumir el combustible mediante neutrones de fusión o proporcionar energía mediante eventos de fisión autoinducidos. ^{[ 27 ]}

La viabilidad económica de los diseños de fisión-fusión siempre ha sido cuestionable. El mismo efecto básico puede lograrse reemplazando el reactor de fusión central por un reactor de fisión especialmente diseñado y utilizando los neutrones excedentes de la fisión para generar combustible en la capa protectora. Estos reactores reproductores rápidos han demostrado ser antieconómicos en la práctica, y el mayor costo de los sistemas de fusión en el híbrido fisión-fusión siempre ha sugerido que serían antieconómicos a menos que se construyeran en unidades muy grandes. ^{[ 28 ]}

El concepto LIFE dejó de funcionar en líneas de fusión-fisión alrededor de 2009. Tras consultas con sus socios en la industria de servicios públicos, el proyecto se reorientó hacia un diseño de fusión pura con una producción eléctrica neta de alrededor de 1 gigavatio. ^{[ 29 ]}

La fusión por confinamiento inercial  es una de las dos principales líneas de desarrollo de la energía de fusión, siendo la otra la fusión por confinamiento magnético (FCM), en particular el concepto de tokamak que se está construyendo en un importante sistema experimental conocido como ITER . El confinamiento magnético se considera ampliamente el enfoque superior y ha experimentado una actividad de desarrollo significativamente mayor a lo largo de las décadas. Sin embargo, existen serias preocupaciones de que el enfoque de FCM de ITER nunca llegue a ser económicamente viable. ^{[ 30 ]}

Una de las preocupaciones sobre el costo de los diseños de MCF como ITER es que los materiales del reactor están sujetos al intenso flujo de neutrones generado por las reacciones de fusión. Cuando los neutrones de alta energía impactan los materiales, desplazan los átomos en la estructura, lo que provoca un problema conocido como fragilización neutrónica que degrada la integridad estructural del material. Este problema también afecta a los reactores de fisión, pero el flujo de neutrones y la energía en un tokamak son mayores que en la mayoría de los diseños de fisión. En la mayoría de los diseños MFE, el reactor se construye en capas: una cámara de vacío interna toroidal, o "primera pared", luego la manta de litio y, finalmente, los imanes superconductores que producen el campo que confina el plasma. Es deseable que los neutrones se detengan en la manta, pero aquellos que se detienen en la primera pared o en los imanes los degradan. Desmontar una pila toroidal de elementos sería un proceso laborioso que daría lugar a un bajo factor de capacidad , lo que tiene un impacto significativo en la economía del sistema. Reducir este efecto requiere el uso de materiales exóticos que aún no se han desarrollado. ^{[ 31 ]}

Como consecuencia natural del tamaño de los elementos combustibles y las explosiones resultantes, los diseños de ICF utilizan una cámara de reacción muy grande, de varios metros de diámetro. Esto reduce el flujo de neutrones en cualquier parte de la pared de la cámara según la ley del inverso del cuadrado . Además, no hay imanes ni otros sistemas complejos cerca o dentro del reactor, y el láser está aislado en el extremo opuesto de largas trayectorias ópticas. El extremo opuesto de la cámara está vacío, lo que permite colocar allí la manta y facilitar su mantenimiento. Si bien las paredes de la cámara de reacción y la óptica final se volverían quebradizas con el tiempo y requerirían reemplazo, la cámara es esencialmente una gran esfera de acero de construcción relativamente simple, compuesta por varias piezas, que podría reemplazarse sin demasiado esfuerzo. En general, la cámara de reacción es mucho más simple que las de los conceptos de fusión magnética, y los diseños LIFE propusieron construir varias y trasladarlas rápidamente dentro y fuera de producción. ^{[ 32 ]}

El láser del NIF utiliza un sistema de grandes tubos de destello (como los de una lámpara de flash fotográfica) para bombear ópticamente un gran número de placas de vidrio. Una vez que las placas han sido iluminadas y se han estabilizado en una inversión de población , se introduce una pequeña señal de un láser independiente en las líneas ópticas, estimulando la emisión en las placas. Estas, a su vez, transfieren su energía almacenada al haz creciente, amplificándolo miles de millones de veces. ^{[ 33 ]}

El proceso es extremadamente ineficiente en términos energéticos; NIF alimenta los tubos de destello con más de 400  MJ de energía, lo que produce 1,8  MJ de luz ultravioleta (UV). Debido a las limitaciones de la cámara de destino, NIF solo puede manejar salidas de fusión de hasta unos 50 MJ  , aunque los disparos generalmente serían aproximadamente la mitad de eso. Teniendo en cuenta las pérdidas en la generación, tal vez se  podrían extraer 20 MJ de energía eléctrica como máximo, lo que representa menos de 1/20 de la energía de entrada. ^{[ 33 ]}

Otro problema con los láseres del NIF es que los tubos de destello generan una cantidad significativa de calor, lo que calienta el vidrio láser lo suficiente como para deformarlo. Esto requiere un largo período de enfriamiento entre disparos, del orden de 12 horas. En la práctica, el NIF logra una tasa de disparo de menos de un disparo por día. ^{[ 34 ]} Para que fuera útil como planta de energía, se tendrían que realizar alrededor de una docena de disparos por segundo, lo cual supera con creces las capacidades de los láseres del NIF.

Cuando Nuckols concibió originalmente el confinamiento por fusión inercial impulsado por láser, se esperaba que este requiriera láseres de unos pocos cientos de kilojulios y el uso de gotas de combustible creadas mediante un sistema de pulverización de perfume . ^{[ 35 ]} Desde entonces, la investigación del LLNL ha demostrado que tal sistema no puede funcionar y requiere conjuntos mecanizados para cada disparo. Para ser económicamente útil, una máquina de IFE necesitaría utilizar conjuntos de combustible que cuestan centavos. Aunque el LLNL no publica los precios de sus propios blancos, el sistema similar del Laboratorio de Energía Láser de la Universidad de Rochester fabrica blancos por aproximadamente 1 millón de dólares cada uno. ^{[ 36 ]} Se sugiere que los blancos del NIF cuestan más de 10 000 dólares. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

El LLNL había comenzado a explorar diferentes soluciones al problema del láser mientras se describía el sistema por primera vez. En 1996 construyeron un pequeño sistema de prueba conocido como láser Mercury que reemplazó los tubos de destello con diodos láser. ^{[ 39 ]}

Una ventaja de este diseño fue que los diodos generaban luz con una frecuencia cercana a la de la salida del cristal láser, ^{[ 40 ]} en comparación con los tubos de destello de luz blanca, donde la mayor parte de la energía del destello se desperdiciaba al no estar cerca de la frecuencia activa del cristal láser. ^{[ 41 ]} Este cambio aumentó la eficiencia energética a aproximadamente un 10%, una mejora drástica. ^{[ 39 ]}

Para una cantidad dada de energía lumínica generada, los láseres de diodo emiten aproximadamente 1/3 del calor que produce un tubo de destello. Menos calor, combinado con refrigeración activa mediante helio soplado entre los diodos y las capas de vidrio del láser, eliminó el calentamiento del vidrio y permite que Mercury funcione continuamente. [ ^{40 ] En} 2008, Mercury pudo disparar 10 veces por segundo a 50 julios por disparo durante horas seguidas. ^{[ 39 ]}

Otros proyectos que se desarrollaron en paralelo con Mercury exploraron diversos métodos y conceptos de refrigeración que permitieron integrar numerosos diodos láser en un espacio muy reducido. Finalmente, estos proyectos dieron como resultado un sistema con 100  kW de energía láser en una caja de unos 50 centímetros (20 pulgadas) de longitud, conocida como matriz de diodos. En un diseño LIFE, estas matrices reemplazarían el empaquetado de diodos menos denso del diseño Mercury. ^{[ 39 ]} 

LIFE fue esencialmente una combinación de los conceptos de Mercury y nuevas disposiciones físicas para reducir considerablemente el volumen del NIF, facilitando así su construcción y mantenimiento. Mientras que una línea de haz del NIF para uno de sus 192 láseres tiene más de 100 metros (330 pies) de longitud, LIFE se basó en un diseño de aproximadamente 10,5 metros (34 pies) que contenía todo, desde las fuentes de alimentación hasta la óptica de conversión de frecuencia. Cada módulo era completamente independiente, a diferencia del NIF, que se alimenta de una señal central del oscilador maestro, lo que permitía retirar y reemplazar las unidades individualmente mientras el sistema en su conjunto seguía funcionando. ^{[ 42 ]}  

Cada celda de control en el diseño base LIFE contenía dos matrices de diodos de alta densidad dispuestas a ambos lados de una gran losa de vidrio láser. Las matrices se enfriaban mediante tubos de conexión en ambos extremos del módulo. El pulso láser inicial era proporcionado por un módulo preamplificador similar al del NIF, cuya salida se conmutaba a la línea de haz principal mediante un espejo y un conmutador óptico de celda Pockels . Para maximizar la energía depositada en el haz desde el vidrio láser, se utilizaron conmutadores ópticos para enviar el haz a espejos que reflejaban la luz a través del vidrio cuatro veces, de forma similar al NIF. ^{[ 40 ]} Finalmente, el enfoque y la limpieza óptica se realizaban mediante óptica a ambos lados del vidrio, antes de que el haz saliera del sistema a través de un convertidor de frecuencia en un extremo. ^{[ 42 ]}

El pequeño tamaño y la independencia de los módulos láser permitieron prescindir del enorme edificio NIF. En su lugar, los módulos se dispusieron en grupos que rodeaban la cámara de destino en una disposición compacta. En los diseños de referencia, los módulos se apilaban en grupos de 2 de ancho por 8 de alto en dos anillos por encima y por debajo de la cámara de destino, haciendo brillar su luz a través de pequeños orificios perforados en la cámara para protegerlos del flujo de neutrones que salía de ella. ^{[ 43 ]}

El objetivo final era producir un sistema que pudiera transportarse en un camión semirremolque convencional hasta la central eléctrica, proporcionando energía láser con una eficiencia de extremo a extremo del 18 %, 15 veces superior a la del sistema NIF. Esto reduce las ganancias de fusión requeridas a un rango de 25 a 50, dentro de los valores previstos para NIF. El consenso era que este sistema "haz en una caja" podría construirse por 3 centavos por vatio de potencia láser, y que este costo se reduciría a 0,7 centavos/W en producción sostenida. Esto significaría que una planta LIFE completa requeriría aproximadamente 600  millones de dólares solo en diodos, una cifra significativa, pero dentro del ámbito de la viabilidad económica. ^{[ 42 ]}

Los blancos para NIF son extremadamente caros. Cada uno consiste en un pequeño cilindro metálico abierto por un extremo, con ventanas transparentes de doble panel que sellan ambos extremos. Para convertir eficientemente la luz del láser impulsor en los rayos X que impulsan la compresión, el cilindro debe estar recubierto de oro u otros metales pesados . En su interior, suspendida mediante finos alambres de plástico, se encuentra una esfera hueca de plástico que contiene el combustible. Para lograr una implosión simétrica, tanto el cilindro metálico como la esfera de plástico tienen tolerancias de mecanizado extremadamente altas. El combustible, normalmente un gas a temperatura ambiente, se deposita dentro de la esfera y luego se congela criogénicamente hasta que se adhiere a su interior. Posteriormente, se alisa calentándolo lentamente con un láser infrarrojo para formar una  capa lisa de 100 μm en el interior de la pastilla. Cada blanco cuesta decenas de miles de dólares. ^{[ 37 ]}

Para abordar esta preocupación, se dedicó una cantidad considerable de esfuerzo del proyecto LIFE al desarrollo de diseños de blancos simplificados y a la construcción automatizada que reducirían su costo. En colaboración con General Atomics , el equipo de LIFE desarrolló un concepto que utilizaba fábricas de combustible en el sitio para producir en masa pastillas a un ritmo de aproximadamente un millón por día. Se esperaba que esto redujera su precio a unos 25 centavos por blanco, ^{[ 44 ]} aunque otras referencias sugieren que el precio del blanco era más cercano a los 50 centavos, y las propias estimaciones del LLNL oscilan entre 20 y 30 centavos. ^{[ 45 ]}

Una ventaja menos evidente del concepto LIFE es que la cantidad de tritio necesaria para poner en marcha el sistema se reduce considerablemente en comparación con los conceptos MFE. En MFE, se prepara y se introduce en el reactor una cantidad relativamente grande de combustible, lo que requiere gran parte del suministro mundial de tritio para uso civil solo para la puesta en marcha. LIFE, gracias a la ínfima cantidad de combustible en cada pastilla, puede comenzar a operar con mucho menos tritio, del ^orden de 1/10 . ^[ 32 ^]

Los primeros diseños de fusión-fisión no estaban bien desarrollados y solo se mostraron esquemáticos del concepto. Estos sistemas parecían una versión a escala reducida del NIF, con haces de luz de unos 100 metros (330 pies) de longitud a cada lado de una cámara de destino y un área de generación de energía. El láser producía 1,4 MJ de luz UV 13 veces por segundo. La fusión tenía lugar en una cámara de destino de 2,5 metros (8 pies 2 pulgadas) rodeada por 40 toneladas cortas (36 000 kg) de combustible de fisión no enriquecido, o alternativamente, unas 7 toneladas cortas (6400 kg) de plutonio o uranio altamente enriquecido procedente de armas. Se esperaba que el sistema de fusión produjera un factor Q del orden de 25 a 30, lo que resultaría en una energía de fusión de 350 a 500 MW. Los procesos de fisión desencadenados por la fusión añadirían una ganancia de energía adicional de 4 a 10 veces, lo que resultaría en una producción térmica total de entre 2000 y 5000 MW _{t . El uso de sistemas} de conversión térmica a eléctrica de alta eficiencia, como los diseños de ciclo Rankine , en combinación con generadores de vapor supercríticos ya probados , permitiría convertir aproximadamente la mitad de la producción térmica en electricidad. ^{[ 46 ] [ 47 ]}        

Para 2012, el diseño base del concepto de fusión pura, conocido como Planta de Entrada al Mercado (MEP), ^{[ b ]} se había estabilizado. Este era un diseño autónomo con toda la sección de fusión empaquetada en un edificio cilíndrico de hormigón similar a un edificio de confinamiento de reactor de fisión, aunque más grande, con 100 metros (330 pies) de diámetro. ^{[ 49 ]} El edificio central estaba flanqueado por edificios rectangulares más pequeños a cada lado, uno que contenía las turbinas y los sistemas de manejo de energía, el otro la planta de tritio. Un tercer edificio, ya sea adjunto a la planta o detrás de ella según el diagrama, se utilizaba para el mantenimiento. ^{[ 50 ]} 

Dentro del edificio central de fusión, los láseres de haz en caja estaban dispuestos en dos anillos, uno encima y otro debajo de la cámara de blancos. Un total de 384 láseres proporcionarían 2,2  MJ de luz UV a una longitud de onda de 0,351 micrómetros, ^{[ 40 ]} produciendo un Q de 21. Se utilizó un cañón de gas ligero para disparar 15 blancos por segundo a la cámara de blancos. ^{[ 51 ]} Con cada disparo, la temperatura de la pared interior de la cámara de blancos aumenta de 600 °C (1112 °F) a 800 °C (1470 °F) . ^{[ 52 ]}    

La cámara objetivo es una estructura de dos paredes rellena de litio líquido o una aleación de litio entre las paredes. ^{[ 53 ]} El litio captura neutrones de las reacciones para generar tritio y también actúa como circuito de refrigeración primario. ^{[ 54 ]} La cámara está llena de gas xenón que ralentiza los iones de la reacción y protege la pared interior, o primera pared , del flujo masivo de rayos X. ^{[ 50 ]} Debido a que la cámara no está altamente presurizada, como un núcleo de fisión, no es necesario construirla como una sola esfera. En cambio, la cámara LIFE está construida a partir de ocho secciones idénticas que incluyen conexiones integradas al circuito de refrigeración. Se envían a la planta y se atornillan entre sí sobre dos soportes, y luego se rodean con una estructura espacial tubular. ^{[ 55 ]}

Para hacer frente a la fragilización, la cámara de ensayo completa se diseñó para poder ser trasladada fácilmente sobre raíles desde el centro del edificio hasta el edificio de mantenimiento, donde podría reconstruirse. Se preveía que la cámara duraría cuatro años y que se reemplazaría en un mes. El sistema óptico está desacoplado de la cámara, lo que lo aísla de las vibraciones durante el funcionamiento y significa que las líneas de haz no tienen que realinearse después del reemplazo de la cámara. ^{[ 50 ]}

La planta tenía una capacidad de generación máxima, o capacidad nominal , de aproximadamente 400  MWe, con características de diseño que permitían su expansión hasta 1000  MWe. ^{[ 56 ]}

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