La Instalación Nacional de Ignición ( NIF ), es un gran dispositivo de investigación de fusión por confinamiento inercial (ICF) basado en láser , ubicado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en Livermore, California . NIF utiliza láseres para calentar y comprimir una pequeña cantidad de combustible de hidrógeno con el objetivo de inducir reacciones de fusión nuclear . La misión de NIF es lograr la ignición por fusión con alta ganancia de energía y apoyar el mantenimiento y el diseño de armas nucleares mediante el estudio del comportamiento de la materia en las condiciones que se encuentran dentro de las armas nucleares. [1] NIF es el dispositivo ICF más grande y enérgico construido hasta la fecha, y el láser más grande del mundo.
El concepto básico de todos los dispositivos ICF es colapsar rápidamente una pequeña cantidad de combustible para que la presión y la temperatura alcancen las condiciones relevantes para la fusión. NIF hace esto calentando la capa exterior de una pequeña esfera de plástico con el láser más poderoso del mundo . La energía del láser es tan intensa que hace que el plástico explote y apriete el combustible del interior. La velocidad de este proceso es enorme, con el combustible alcanzando un pico de alrededor de 350 km / s, [2] elevando la densidad de aproximadamente la del agua a aproximadamente 100 veces la del plomo . La entrega de energía y el proceso adiabático durante el colapso elevan la temperatura del combustible a cientos de millones de grados. A estas temperaturas, los procesos de fusión ocurren muy rápidamente, antes de que la energía generada en el combustible haga que también explote hacia afuera.
La construcción del NIF comenzó en 1997, pero los problemas de gestión y los retrasos técnicos retrasaron el progreso hasta principios de la década de 2000. El progreso después de 2000 fue más suave, pero en comparación con las estimaciones iniciales, el NIF se completó con cinco años de retraso y fue casi cuatro veces más caro de lo presupuestado originalmente. La construcción fue certificada como completa el 31 de marzo de 2009 por el Departamento de Energía de los Estados Unidos , [3] y se llevó a cabo una ceremonia de dedicación el 29 de mayo de 2009. [4] Los primeros experimentos de objetivos láser a gran escala se realizaron en junio de 2009 [5] y el Los primeros "experimentos de encendido integrado" (que probaron la potencia del láser) se declararon completados en octubre de 2010. [6]
Llevar el sistema a su máximo potencial fue un proceso largo que se llevó a cabo de 2009 a 2012. Durante este período, se trabajaron varios experimentos en el proceso bajo la Campaña Nacional de Ignición, con el objetivo de alcanzar la ignición justo después de que el láser alcanzara su nivel máximo. potencia, en algún momento de la segunda mitad de 2012. La Campaña terminó oficialmente en septiembre de 2012, aproximadamente a 1 ⁄ 10 de las condiciones necesarias para la ignición. [7] Desde entonces, los experimentos han llevado esto más cerca de 1 ⁄ 3 , pero se requiere un trabajo teórico y práctico considerable si el sistema alguna vez va a alcanzar la ignición. [8] Desde 2012, NIF se ha utilizado principalmente para la ciencia de los materiales y la investigación de armas.
Descripción
Conceptos básicos de ICF
Los dispositivos de fusión por confinamiento inercial (ICF) utilizan controladores para calentar rápidamente las capas externas de un objetivo con el fin de comprimirlo. El objetivo es una pequeña pastilla esférica que contiene algunos miligramos de combustible de fusión, típicamente una mezcla de deuterio (D) y tritio (T). La energía del láser calienta la superficie de la pastilla en un plasma , que explota fuera de la superficie. La porción restante del objetivo se empuja hacia adentro, comprimiéndolo eventualmente en un pequeño punto de densidad extremadamente alta. La rápida descarga también crea una onda de choque que viaja hacia el centro del combustible comprimido desde todos los lados. Cuando llega al centro del combustible, un pequeño volumen se calienta y se comprime aún más en mayor grado. Cuando la temperatura y la densidad de ese pequeño punto se elevan lo suficiente, se producen reacciones de fusión y liberan energía. [9]
Las reacciones de fusión liberan partículas de alta energía, algunas de las cuales, principalmente partículas alfa , chocan con el combustible de alta densidad circundante y lo calientan más. Si este proceso deposita suficiente energía en un área determinada, puede causar que ese combustible también se fusione. Sin embargo, el combustible también está perdiendo calor a través de las pérdidas de rayos X y los electrones calientes que abandonan el área del combustible, por lo que la tasa de calentamiento alfa debe ser mayor que estas pérdidas, una condición conocida como bootstrapping . [10] Dadas las condiciones generales adecuadas del combustible comprimido (densidad y temperatura lo suficientemente altas), este proceso de arranque dará como resultado una reacción en cadena , quemándose hacia afuera desde el centro donde la onda de choque inició la reacción. Esta es una condición conocida como ignición , que conducirá a que una parte significativa del combustible en el objetivo se fusione y libere grandes cantidades de energía. [11]
Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos de ICF han utilizado láseres para calentar el objetivo. Los cálculos muestran que la energía debe entregarse rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se desmonte. La energía láser también debe enfocarse de manera extremadamente uniforme a través 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 correcta de características. [12] [13]
Controlador láser
NIF tiene como objetivo crear un destello de luz de un solo pico de 500 teravatios (TW) que llegue al objetivo desde numerosas direcciones al mismo tiempo, en unos pocos picosegundos . El diseño utiliza 192 líneas de luz en un sistema paralelo de láseres de vidrio de fosfato dopado con neodimio y bombeados por lámpara de destellos . [14]
Para garantizar que la salida de las líneas de luz sea uniforme, la luz láser inicial se amplifica desde una sola fuente en el Sistema de láser de inyección (ILS). Esto comienza con un destello de baja potencia de luz infrarroja de 1053 nanómetros (nm) generado en un láser de fibra óptica dopado con iterbio conocido como Oscilador Maestro. [15] La luz del oscilador maestro se divide y dirige en 48 módulos de preamplificador (PAM). Cada PAM contiene un proceso de amplificación de dos etapas. La primera etapa es un amplificador regenerativo en el que el pulso circula de 30 a 60 veces, aumentando la energía de nanojulios a decenas de milijulios. Luego, la luz pasa cuatro veces a través de un circuito que contiene un amplificador de vidrio de neodimio similar (pero mucho más pequeño) a los utilizados en las líneas de luz principales, aumentando los nanojulios de luz creados en el oscilador maestro a aproximadamente 6 julios. Según el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), el diseño de los PAM fue uno de los principales desafíos durante la construcción. Las mejoras en el diseño desde entonces les han permitido superar sus objetivos de diseño iniciales. [dieciséis]
La amplificación principal tiene lugar en una serie de amplificadores de vidrio ubicados en un extremo de las líneas de luz. Antes de disparar, los amplificadores son bombeados ópticamente por un total de 7680 lámparas de destello de xenón (los PAM también tienen sus propias lámparas de destello más pequeñas). Las lámparas funcionan con un banco de condensadores que almacena un total de 422 MJ (117 kWh) de energía eléctrica. Cuando el frente de onda pasa a través de ellos, los amplificadores liberan parte de la energía luminosa almacenada en ellos en el haz. Para mejorar la transferencia de energía, los haces se envían a través de la sección principal del amplificador cuatro veces, utilizando un interruptor óptico ubicado en una cavidad reflejada. En total, estos amplificadores aumentan los 6 J originales proporcionados por los PAM a 4 MJ nominales. [9] Dada la escala de tiempo de unas mil millonésimas de segundo, la potencia ultravioleta máxima entregada al objetivo es, en consecuencia, muy alta, 500 TW.
Cerca del centro de cada línea de luz, y ocupando la mayor parte de la longitud total, se encuentran los filtros espaciales . Estos consisten en tubos largos con pequeños telescopios en el extremo que enfocan el rayo láser hacia un pequeño punto en el centro del tubo, donde una máscara corta cualquier luz perdida fuera del punto focal. Los filtros aseguran que la imagen del rayo cuando alcanza el objetivo sea extremadamente uniforme, eliminando cualquier luz que haya sido mal enfocada por imperfecciones en la óptica corriente arriba. Los filtros espaciales fueron un gran paso adelante en el trabajo de ICF cuando se introdujeron en el láser Cyclops , un experimento anterior de LLNL.
La longitud total de la trayectoria que el rayo láser se propaga de un extremo al otro, incluidos los interruptores, es de unos 1.500 metros (4.900 pies). Los diversos elementos ópticos en las líneas de luz generalmente se empaquetan en Unidades Reemplazables de Línea (LRU), cajas estandarizadas del tamaño de una máquina expendedora que se pueden quitar de la línea de luz para su reemplazo desde abajo. [17]
Una vez que se completa la amplificación, la luz se cambia de nuevo a la línea de luz, donde se extiende hasta el otro extremo del edificio hasta la cámara de destino . La cámara objetivo es una esfera de acero de varias piezas de 10 metros de diámetro (33 pies) que pesa 130.000 kilogramos (290.000 libras). [18] Justo antes de llegar a la cámara del objetivo, la luz se refleja en varios espejos en el patio de maniobras y el área del objetivo para incidir en el objetivo desde diferentes direcciones. Dado que la longitud de la ruta general desde el oscilador maestro hasta el objetivo es diferente para cada una de las líneas de luz, se utilizan ópticas para retrasar la luz con el fin de garantizar que todas ellas alcancen el centro con unos pocos picosegundos entre sí. [19] NIF normalmente dirige el láser hacia la cámara desde la parte superior e inferior. El área objetivo y el sistema de patio de maniobras se pueden reconfigurar moviendo la mitad de las 48 líneas de luz a posiciones alternas más cercanas al ecuador de la cámara objetivo.
Uno de los últimos pasos del proceso antes de llegar a la cámara de destino es convertir la luz infrarroja (IR) a 1053 nm en ultravioleta (UV) a 351 nm en un dispositivo conocido como convertidor de frecuencia . [20] Estos están hechos de láminas delgadas (de aproximadamente 1 cm de espesor) cortadas de un solo cristal de dihidrogenofosfato de potasio . Cuando la luz de 1053 nm (IR) atraviesa la primera de dos de estas hojas, la adición de frecuencia convierte una gran fracción de la luz en 527 nm de luz (verde). Al pasar por la segunda hoja, la combinación de frecuencias convierte gran parte de la luz de 527 nm y la luz restante de 1053 nm en luz de 351 nm (UV). La luz infrarroja (IR) es mucho menos efectiva que la UV para calentar los objetivos, porque el IR se acopla con más fuerza a los electrones calientes que absorberán una cantidad considerable de energía e interferirán con la compresión. El proceso de conversión puede alcanzar eficiencias máximas de aproximadamente el 80 por ciento para un pulso láser que tiene una forma temporal plana , pero la forma temporal necesaria para la ignición varía significativamente durante la duración del pulso. El proceso de conversión real tiene una eficiencia de aproximadamente un 50 por ciento, lo que reduce la energía suministrada a 1,8 MJ nominales. [21]
Un aspecto importante de cualquier proyecto de investigación de la ICF es garantizar que los experimentos se puedan llevar a cabo de manera oportuna. Los dispositivos anteriores generalmente tenían que enfriarse durante muchas horas para permitir que las lámparas de destello y el vidrio del láser recuperaran su forma después de disparar (debido a la expansión térmica), lo que limita el uso a uno o menos disparos por día. Uno de los objetivos del NIF es reducir este tiempo a menos de cuatro horas, para permitir 700 disparos al año. [22]
NIF e ICF
El nombre National Ignition Facility se refiere al objetivo de encender el combustible de fusión, un umbral buscado durante mucho tiempo en la investigación de la fusión. En los experimentos de fusión existentes (sin armas), el calor producido por las reacciones de fusión escapa rápidamente del plasma, lo que significa que se debe aplicar calentamiento externo continuamente para mantener las reacciones en marcha. La ignición se refiere al punto en el que la energía emitida en las reacciones de fusión actualmente en curso es lo suficientemente alta como para mantener la temperatura del combustible contra esas pérdidas. Esto provoca una reacción en cadena que permite que la mayor parte del combustible sufra una combustión nuclear . El encendido se considera un requisito clave para que la energía de fusión llegue a ser práctica. [11]
NIF está diseñado principalmente para utilizar el método de funcionamiento de accionamiento indirecto , en el que el láser calienta un pequeño cilindro de metal en lugar de la cápsula que contiene. El calor hace que el cilindro, conocido como hohlraum (en alemán, "habitación hueca" o cavidad), vuelva a emitir la energía en forma de rayos X intensos , que están distribuidos de manera más uniforme y simétrica que los rayos láser originales. Los sistemas experimentales, incluidos los láseres OMEGA y Nova , validaron este enfoque hasta finales de la década de 1980. [23] En el caso del NIF, la gran potencia entregada permite el uso de un objetivo mucho mayor; el diseño de los gránulos de referencia tiene aproximadamente 2 mm de diámetro, se enfría a aproximadamente 18 kelvin (-255 ° C) y se recubre con una capa de combustible DT congelado. El interior hueco también contiene una pequeña cantidad de gas DT.
En un experimento típico, el láser generará 3 MJ de energía láser infrarroja de 4 posibles. Aproximadamente 1,5 MJ de esto quedan después de la conversión a UV, y aproximadamente el 15 por ciento de esto se pierde en la conversión de rayos X en el hohlraum. Aproximadamente el 15 por ciento de los rayos X resultantes, aproximadamente 150 kJ, serán absorbidos por las capas externas del objetivo. [24] El acoplamiento entre la cápsula y los rayos X tiene pérdidas y, en última instancia, solo se depositan entre 10 y 14 kJ de energía en el propio combustible. [25]
Se espera que la compresión dirigida hacia adentro resultante comprima el combustible en el centro del objetivo a una densidad de aproximadamente 1.000 g / cm 3 (o 1.000.000 kg / m 3 ); [26] a modo de comparación, el plomo tiene una densidad normal de aproximadamente 11 g / cm 3 (11,340 kg / m 3 ). La presión es el equivalente a 300 mil millones de atmósferas. [10]
Según las simulaciones, se esperaba que esto produjera aproximadamente 20 MJ de energía de fusión que se liberarían, lo que resultaría en una ganancia neta de energía de fusión, denominada Q , de aproximadamente 15 (salida de energía de fusión / entrada de energía de láser UV). [24] Se espera que las mejoras tanto en el sistema láser como en el diseño del hohlraum mejoren la energía absorbida por la cápsula a aproximadamente 420 kJ (y, por lo tanto, quizás de 40 a 50 en el propio combustible), lo que, a su vez, podría generar hasta 100 kJ. 150 MJ de energía de fusión. [26] Sin embargo, el diseño de la línea de base permite un máximo de aproximadamente 45 MJ de liberación de energía de fusión, debido al diseño de la cámara objetivo. [27] Esto es el equivalente a aproximadamente 11 kg de TNT explotando.
Estas energías de salida siguen siendo menores que los 422 MJ de energía de entrada necesarios para cargar los condensadores del sistema que alimentan los amplificadores láser. La eficiencia neta de enchufe de pared de NIF (energía del láser UV dividida por la energía requerida para bombear los láseres desde una fuente externa) sería inferior al uno por ciento, y la eficiencia total de pared a fusión es inferior al 10% en su máximo. actuación. Un reactor de fusión económico requeriría que la salida de fusión sea al menos un orden de magnitud mayor que esta entrada. Los sistemas de fusión láser comerciales utilizarían láseres de estado sólido bombeados por diodos mucho más eficientes , donde se han demostrado eficiencias de enchufe de pared del 10 por ciento, y se esperan eficiencias del 16-18 por ciento con conceptos avanzados en desarrollo. [28]
Otros conceptos
NIF también está explorando nuevos tipos de objetivos. Los experimentos anteriores generalmente usaban ablatores de plástico , típicamente poliestireno (CH). Los objetivos de NIF también se construyen recubriendo una forma de plástico con una capa de aleaciones de berilio o berilio-cobre pulverizadas , y luego oxidando el plástico del centro. [29] [30] En comparación con los objetivos plásticos tradicionales, los objetivos de berilio ofrecen eficiencias generales de implosión más altas para el modo de impulsión indirecta donde la energía entrante es en forma de rayos X.
Aunque NIF se diseñó principalmente como un dispositivo de transmisión indirecta, la energía en el láser es lo suficientemente alta como para usarse también como un sistema de transmisión directa , donde el láser brilla directamente sobre el objetivo. Incluso a longitudes de onda UV, se estima que la potencia entregada por NIF es más que suficiente para provocar la ignición, lo que resulta en ganancias de energía de fusión de aproximadamente 40 veces, [31] algo más altas que el sistema de transmisión indirecta. Se puede organizar un diseño de haz más uniforme adecuado para experimentos de transmisión directa a través de cambios en el patio de maniobras que mueven la mitad de las líneas de haz a ubicaciones más cercanas al centro de la cámara objetivo.
Se ha demostrado, usando implosiones escaladas en el láser OMEGA y simulaciones por computadora, que NIF también debería ser capaz de encender una cápsula usando la llamada configuración de transmisión directa polar (PDD) donde el objetivo es irradiado directamente por el láser, pero solo desde la parte superior e inferior, sin cambios en el diseño de la línea de luz NIF. [32] En esta configuración, el objetivo sufre una anisotropía de "panqueque" o "puro" en la implosión, lo que reduce la temperatura máxima en el núcleo.
Otros objetivos, llamados objetivos de Saturno , están diseñados específicamente para reducir la anisotropía y mejorar la implosión. [33] Cuentan con un pequeño anillo de plástico alrededor del "ecuador" del objetivo, que se vaporiza rápidamente en plasma cuando es golpeado por el láser. Parte de la luz láser se refracta a través de este plasma hacia el ecuador del objetivo, igualando el calentamiento. Se cree que la ignición con ganancias de poco más de treinta y cinco veces es posible utilizando estos objetivos en NIF, [32] produciendo resultados casi tan buenos como el enfoque de accionamiento directo totalmente simétrico.
Historia
Ímpetu
La historia del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) con el programa ICF comienza con el físico John Nuckolls , quien comenzó a considerar el problema después de una reunión de 1957 sobre el uso pacífico de armas nucleares organizada por Edward Teller en LLNL. Durante estas reuniones, se desarrolló por primera vez la idea más tarde conocida como PACER . PACER imaginó la explosión de pequeñas bombas de hidrógeno en grandes cavernas para generar vapor que se convertiría en energía eléctrica. Después de identificar varios problemas con este enfoque, Nuckolls se interesó en comprender qué tan pequeña se podía hacer una bomba que aún generaría poder positivo neto. [34]
Hay dos partes en una bomba de hidrógeno típica, una bomba de fisión a base de plutonio conocida como primaria y una disposición cilíndrica de combustibles de fusión conocida como secundaria . El primario libera cantidades significativas de rayos X, que quedan atrapados dentro de la carcasa de la bomba y calientan y comprimen el secundario hasta que se enciende. El secundario consiste en combustible de deuteruro de litio , que requiere una fuente de neutrones externa para comenzar la reacción. Normalmente tiene la forma de una pequeña "bujía" de plutonio en el centro del combustible. La idea de Nuckolls era explorar qué tan pequeña se podía hacer la secundaria y qué efectos tendría esto en la energía necesaria de la primaria para provocar la ignición. El cambio más simple es reemplazar el combustible LiD con gas DT, eliminando la necesidad de la bujía. En ese punto, no hay un tamaño teórico más pequeño: a medida que el secundario se hizo más pequeño, también lo hizo la cantidad de energía necesaria para alcanzar la ignición. A nivel de miligramos, los niveles de energía comenzaron a acercarse a los disponibles a través de varios dispositivos conocidos. [34]
A principios de la década de 1960, Nuckolls y varios otros diseñadores de armas habían desarrollado los esquemas del enfoque ICF. El combustible DT se colocaría en una pequeña cápsula, diseñada para eliminar rápidamente cuando se calienta y, por lo tanto, maximizar la compresión y la formación de ondas de choque. Esta cápsula se colocaría dentro de un caparazón diseñado, el hohlraum, que actuaba de manera similar a la carcasa de la bomba. Sin embargo, el hohlraum no tuvo que ser calentado por rayos X; se puede utilizar cualquier fuente de energía siempre que suministre suficiente energía para hacer que el hohlraum se caliente y empiece a emitir rayos X. Idealmente, la fuente de energía estaría ubicada a cierta distancia, para aislar mecánicamente ambos extremos de la reacción. Se podría usar una pequeña bomba atómica como fuente de energía, como en una bomba de hidrógeno, pero idealmente se usarían fuentes de energía más pequeñas. Usando simulaciones por computadora, los equipos estimaron que se necesitarían aproximadamente 5 MJ de energía del primario, generando un rayo de 1 MJ. [34] Para poner esto en perspectiva, una pequeña fisión primaria de 0,5 kt libera 2 millones de MJ en total. [35] [36] [37]
Comienza el programa ICF
Mientras Nuckolls y LLNL trabajaban en conceptos basados en hohlraum, el ex diseñador de armas Ray Kidder estaba trabajando en el concepto de transmisión directa, utilizando una gran cantidad de rayos láser para calentar uniformemente la cápsula objetivo. A principios de la década de 1970, Kidder formó KMS Fusion para comercializar directamente este concepto. Esto desató una intensa rivalidad entre Kidder y los laboratorios de armas. Anteriormente ignorado, ICF era ahora un tema candente y la mayoría de los laboratorios pronto comenzaron sus propios esfuerzos ICF. [34] LLNL decidió desde el principio concentrarse en láseres de vidrio, mientras que otras instalaciones estudiaron láseres de gas utilizando dióxido de carbono (por ejemplo, ANTARES, Laboratorio Nacional de Los Alamos ) o KrF (por ejemplo , láser Nike , Laboratorio de Investigación Naval ).
A lo largo de estas primeras etapas de desarrollo, gran parte de la comprensión del proceso de fusión fue el resultado de simulaciones por computadora, principalmente LASNEX . LASNEX simplificó enormemente la reacción a una simulación bidimensional, que era todo lo que era posible dada la cantidad de potencia de cálculo en ese momento. Según LASNEX, los controladores láser en el rango de kJ tendrían las propiedades requeridas para alcanzar una ganancia baja, que estaba dentro del estado de la técnica. Esto llevó al proyecto láser de Shiva que se completó en 1977. Contrariamente a las predicciones, Shiva no alcanzó sus objetivos y las densidades alcanzadas fueron miles de veces más pequeñas de lo previsto. Esto se debió a problemas con la forma en que el láser entregaba calor al objetivo, que entregaba la mayor parte de su energía a los electrones en lugar de a toda la masa de combustible. Otros experimentos y simulaciones demostraron que este proceso podría mejorarse drásticamente mediante el uso de longitudes de onda más cortas de luz láser.
Nuevas actualizaciones de los programas de simulación, teniendo en cuenta estos efectos, predijeron un nuevo diseño que alcanzaría la ignición. Este nuevo sistema surgió como el concepto de láser Nova de 20 haces y 200 kJ . Durante la fase de construcción inicial, Nuckolls encontró un error en sus cálculos, y una revisión de octubre de 1979 presidida por John Foster Jr. de TRW confirmó que no había forma de que Nova alcanzara la ignición. El diseño de Nova se modificó luego a un diseño más pequeño de 10 haces que agregó conversión de frecuencia a luz de 351 nm, lo que aumentaría la eficiencia del acoplamiento. [38] En funcionamiento, Nova pudo entregar aproximadamente 30 kJ de energía láser UV, aproximadamente la mitad de lo que se esperaba inicialmente, principalmente debido a los límites establecidos por el daño óptico a la óptica de enfoque final. Incluso a esos niveles, estaba claro que las predicciones para la producción de fusión seguían siendo erróneas; incluso con los poderes limitados disponibles, los rendimientos de la fusión estuvieron muy por debajo de las predicciones.
Halite y Centurion
Con cada experimento, la energía predicha necesaria para alcanzar la ignición aumentó, y no estaba claro que las predicciones posteriores a Nova fueran más precisas que las anteriores. El Departamento de Energía (DOE) decidió que la experimentación directa era la mejor manera de resolver el problema, y en 1978 comenzaron una serie de experimentos subterráneos en el sitio de pruebas de Nevada que usaban pequeñas bombas nucleares para iluminar los objetivos de la ICF. Las pruebas se conocían como Halite o Centurion según el laboratorio que las ejecutara, LLNL o LANL.
Cada prueba pudo iluminar simultáneamente muchos objetivos, lo que les permitió probar la cantidad de energía de rayos X necesaria colocando los objetivos a diferentes distancias de la bomba. Otra pregunta era qué tan grande tenía que ser el conjunto de combustible para que el combustible se autocalentara a partir de las reacciones de fusión y, por lo tanto, alcanzara la ignición. Los datos iniciales estaban disponibles a mediados de 1984 y las pruebas cesaron en 1988. La ignición se logró por primera vez durante estas pruebas, pero la cantidad de energía y el tamaño de los objetivos de combustible necesarios para alcanzar la ignición fue mucho mayor de lo previsto. [39] Durante este mismo período, se iniciaron experimentos en Nova utilizando objetivos similares para comprender su comportamiento bajo iluminación láser, lo que permitió una comparación directa con los resultados obtenidos de las pruebas de bombas. [40]
Los datos de las pruebas sugirieron que se necesitarían aproximadamente 10 MJ de energía de rayos X para alcanzar la ignición. [39] [41] [42] [43] [44] Si esta energía es suministrada por un láser IR a un hohlraum, como en Nova o NIF, esto corresponde a una energía láser original del orden de 100 MJ, mucho más allá el alcance de las tecnologías existentes. [39]
Como resultado, estalló un gran debate en el establecimiento de la ICF. [39] Un grupo sugirió que intentaran construir un láser de este poder; Leonardo Mascheroni y Claude Phipps diseñaron un nuevo tipo de láser de fluoruro de hidrógeno que fue bombeado por electrones de alta energía que podrían alcanzar el límite de 100 MJ. Otros utilizaron los mismos datos y nuevas versiones de sus simulaciones por computadora basadas en estos experimentos que sugirieron que la configuración cuidadosa del pulso láser y el uso de más rayos distribuidos de manera más uniforme demostraron que la ignición y las ganancias de energía neta se podían lograr con un láser entre 5 y 10 MJ. . [45] [46]
Estos resultados llevaron al DOE a solicitar una instalación ICF militar personalizada que llamaron "Instalación de microfusión de laboratorio" (LMF). LMF utilizaría un controlador del orden de 10 MJ, que ofrecería rendimientos de fusión de entre 100 y 1000 MJ. Una revisión de 1989/90 de este concepto por la Academia Nacional de Ciencias sugirió que el LMF era un paso demasiado grande para dar de una vez, y que aún se necesitaban explorar cuestiones fundamentales de física. Recomendaron más experimentos antes de intentar pasar a un sistema de 10 MJ. Sin embargo, los autores eran conscientes del potencial de mayores requisitos de energía y señalaron: "De hecho, si resultara que se requería un controlador de 100 MJ para el encendido y la ganancia, habría que repensar todo el enfoque y la justificación de, ICF ". [47]
Actualización de LMF y Nova
Se estimó que la construcción del LMF costó alrededor de $ 1 mil millones. [48] LLNL presentó inicialmente un diseño con un controlador láser de 5 MJ a 350 nm (UV) que podría alcanzar un rendimiento de aproximadamente 200 MJ, lo que fue suficiente para alcanzar la mayoría de los objetivos de LMF. Se estimó que el programa costaba alrededor de $ 600 millones de dólares para el año fiscal 1989, y $ 250 millones adicionales para actualizarlo a 1,000 MJ completos si fuera necesario, y aumentaría a más de $ 1 mil millones si LMF cumpliera con todas las metas solicitadas por el DOE. . [48] Otros laboratorios también propusieron sus propios diseños LMF utilizando otras tecnologías.
La revisión de la Academia Nacional de Ciencias llevó a una reevaluación de estos planes, y en julio de 1990, LLNL respondió con la Actualización Nova, que reutilizaría la mayor parte de la instalación Nova existente, junto con la instalación adyacente de Shiva. El sistema resultante tendría una potencia mucho menor que el concepto LMF, con un controlador de aproximadamente 1 MJ. [49] El nuevo diseño incluyó una serie de características que avanzaron el estado del arte en la sección del controlador, incluido el diseño de múltiples pasadas en los amplificadores principales y 18 líneas de haz (en lugar de 10) que se dividieron en 288 "haces". al entrar en el área objetivo para mejorar la uniformidad de la iluminación. Los planes requerían la instalación de dos bancos principales de líneas de rayos láser, uno en la sala de líneas de rayos Nova existente y el otro en el edificio más antiguo de Shiva al lado, extendiéndose a través de su bahía láser y el área objetivo hacia un área objetivo Nova mejorada. Los láseres entregarían alrededor de 500 TW en un pulso de 4 ns. Se esperaba que las actualizaciones permitieran al nuevo Nova producir rendimientos de fusión de entre 2 y 10 MJ. [48] Las estimaciones iniciales de 1992 estimaron los costos de construcción en alrededor de 400 millones de dólares, y la construcción tuvo lugar entre 1995 y 1999.
NIF emerge
A lo largo de este período, el final de la Guerra Fría provocó cambios drásticos en la financiación y las prioridades de la defensa. A medida que la necesidad de armas nucleares se redujo en gran medida y varios acuerdos de limitación de armas llevaron a una reducción en el recuento de ojivas, Estados Unidos se enfrentó a la perspectiva de perder una generación de diseñadores de armas nucleares capaces de mantener las existencias existentes o diseñar nuevas armas. [50] Al mismo tiempo, se estaba avanzando en lo que se convertiría en el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares , que prohibiría todos los ensayos de criticidad . Esto dificultaría mucho el desarrollo fiable de nuevas generaciones de armas nucleares.
De estos cambios surgió el Programa de administración y administración de existencias (SSMP), que, entre otras cosas, incluía fondos para el desarrollo de métodos para diseñar y fabricar armas nucleares que funcionarían sin tener que someterse a pruebas explosivas. En una serie de reuniones que comenzaron en 1995, se formó un acuerdo entre los laboratorios para dividir los esfuerzos del SSMP. Una parte importante de esto sería la confirmación de modelos informáticos que utilizan experimentos ICF de bajo rendimiento. El Nova Upgrade era demasiado pequeño para usarlo en estos experimentos, [51] [a] y un rediseño surgió como NIF en 1994. El costo estimado del proyecto se mantuvo en poco más de $ 1 mil millones, [52] y se completó en 2002.
A pesar del acuerdo, el gran costo del proyecto combinado con la finalización de proyectos similares en otros laboratorios resultó en varios comentarios muy críticos por parte de científicos de otros laboratorios de armas, Sandia National Laboratories en particular. En mayo de 1997, el científico de fusión de Sandia, Rick Spielman, declaró públicamente que NIF "prácticamente no tenía una revisión interna por pares sobre las cuestiones técnicas" y que "Livermore esencialmente eligió al panel para que se revisaran ellos mismos". [53] Un gerente retirado de Sandia, Bob Puerifoy, fue aún más directo que Spielman: "NIF no tiene valor ... no se puede usar para mantener la reserva, punto". [54]
Victor Reis, subsecretario de Programas de Defensa del DOE y arquitecto jefe del Programa de Administración de Arsenales, expresó una opinión contrastante. Reis dijo al Comité de Servicios Armados de la Cámara de Representantes de los Estados Unidos en 1997 que el NIF fue "diseñado para producir, por primera vez en un laboratorio, condiciones de temperatura y densidad de materia cercanas a las que ocurren en la detonación de armas nucleares. La capacidad de estudiar el comportamiento de la materia y la transferencia de energía y radiación en estas condiciones es clave para comprender la física básica de las armas nucleares y predecir su desempeño sin ensayos nucleares subterráneos. [55] Dos paneles JASON, que están compuestos por expertos científicos y técnicos en seguridad nacional , han declarado que el NIF es el más valioso científicamente de todos los programas propuestos para la administración de existencias con base científica. [56]
A pesar de las críticas iniciales, Sandia, así como Los Alamos, brindaron apoyo en el desarrollo de muchas tecnologías NIF, [57] y ambos laboratorios se asociaron posteriormente con NIF en la Campaña Nacional de Ignición. [58]
Construyendo NIF
El trabajo en el NIF comenzó con un demostrador de una sola línea de luz, Beamlet. Beamlet operó entre 1994 y 1997 y fue un éxito total. Se envía a los Laboratorios Nacionales Sandia como fuente de luz en su máquina Z . Luego siguió un demostrador de tamaño completo, en AMPLAB, que comenzó a operar en 1997. [59] La inauguración oficial en el sitio principal del NIF fue el 29 de mayo de 1997. [60]
En ese momento, el DOE estimaba que el NIF costaría aproximadamente $ 1.1 mil millones y otros $ 1 mil millones para la investigación relacionada, y estaría completo en 2002. [61] Más tarde en 1997, el DOE aprobó $ 100 millones adicionales en fondos y presionó el funcionamiento se remonta a 2004. En 1998, los documentos públicos de LLNL indicaban que el precio total era de 1.200 millones de dólares, con los primeros ocho láseres en funcionamiento en 2001 y su finalización completa en 2003. [62]
La escala física de la instalación por sí sola hizo que el proyecto de construcción fuera un desafío. Para cuando la "instalación convencional" (el caparazón para el láser) se completó en 2001, se habían excavado más de 210,000 yardas cúbicas de tierra, se habían vertido más de 73,000 yardas cúbicas de concreto, se habían vertido 7,600 toneladas de barras de refuerzo de acero. colocado, y se habían erigido más de 5.000 toneladas de acero estructural. Además de su gran tamaño, la construcción de NIF presentó una serie de desafíos únicos. Para aislar el sistema láser de la vibración, la base de cada bahía láser se hizo independiente del resto de la estructura. Las losas de tres pies de espesor, 420 pies de largo y 80 pies de ancho, cada una con 3,800 yardas cúbicas de concreto, requirieron vertidos continuos de concreto para lograr sus especificaciones.
También hubo desafíos inesperados que enfrentar: en noviembre de 1997, un frente meteorológico de El Niño arrojó dos pulgadas de lluvia en dos horas, inundando el sitio del NIF con 200,000 galones de agua solo tres días antes del vaciado programado de los cimientos de concreto. La tierra estaba tan empapada que la estructura del muro de contención se hundió quince centímetros, lo que obligó a la cuadrilla a desmontarla y volver a montarla para verter el hormigón. [63] La construcción se detuvo en diciembre de 1997, cuando se descubrieron huesos de mamut de 16.000 años de antigüedad en el sitio de construcción. Se llamó a los paleontólogos para extraer y preservar los huesos, y la construcción se reinició en cuatro días. [64]
También se tuvieron que superar una variedad de desafíos de investigación y desarrollo, tecnología e ingeniería, como trabajar con la industria de la óptica para crear una gran capacidad de fabricación de ópticas de precisión para suministrar el vidrio láser para la óptica de 7.500 metros de NIF. Se necesitaban técnicas de medición, recubrimiento y acabado ópticas de última generación para resistir los láseres de alta energía de NIF, al igual que métodos para amplificar los rayos láser a los niveles de energía necesarios. [65] El vidrio de vertido continuo, los cristales de rápido crecimiento, los interruptores ópticos innovadores y los espejos deformables se encuentran entre las innovaciones tecnológicas desarrolladas para NIF. [66]
Sandia, con amplia experiencia en suministro de energía pulsada, diseñó los bancos de condensadores utilizados para alimentar las lámparas de destellos, completando la primera unidad en octubre de 1998. Para sorpresa de todos, los Módulos de Acondicionamiento de Energía Pulsada (PCM) sufrieron fallas de condensadores que provocaron explosiones. Esto requirió un rediseño del módulo para contener los escombros, pero dado que la estructura de concreto de los edificios que los contenían ya se había vertido, esto dejó los nuevos módulos tan apretados que no había forma de realizar el mantenimiento en el lugar. Siguió otro rediseño, esta vez permitiendo que los módulos se retiraran de las bahías para su mantenimiento. [38] Los continuos problemas de este tipo retrasaron aún más el inicio operativo del proyecto, y en septiembre de 1999, un informe actualizado del DOE indicó que el NIF requeriría hasta 350 millones de dólares más y su finalización se retrasaría hasta 2006. [61]
Re-informe de referencia y GAO
A lo largo de este período, los problemas con las NIF no se informaron en la cadena de gestión. En 1999, el entonces secretario de Energía, Bill Richardson, informó al Congreso que el proyecto de NIF estaba a tiempo y con el presupuesto, siguiendo la información que le había sido transmitida por la gerencia de NIF. En agosto de ese año se reveló que la dirección de NIF había engañado a Richardson y, de hecho, ninguna de las afirmaciones estaba cerca de la verdad. [67] Como la GAO señalaría más tarde, "Además, el ex director de láser del Laboratorio, que supervisó el NIF y todas las demás actividades del láser, aseguró a los gerentes del Laboratorio, el DOE, la universidad y el Congreso que el proyecto NIF contaba con los fondos y el personal adecuados y continuó con el costo y el cronograma, incluso cuando se le informó sobre la evidencia clara y creciente de que el NIF tenía serios problemas ". [61] Richardson comentó más tarde "Me ha preocupado mucho la gestión de esta instalación ... la mala gestión ha superado a la buena ciencia. No quiero que esto vuelva a suceder nunca más". Un grupo de trabajo del DOE que informó a Richardson a fines de enero de 2000 resumió que "las organizaciones del proyecto NIF no implementaron procedimientos y procesos de gestión de programas y proyectos acordes con un proyecto importante de investigación y desarrollo ... [y que] ... nadie consigue una calificación aprobatoria en Gestión de NIF: no la oficina de Programas de Defensa del DOE, ni el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ni la Universidad de California ". [68]
Dados los problemas presupuestarios, el Congreso de los Estados Unidos solicitó una revisión independiente por parte de la Oficina de Contabilidad General (GAO). Devolvieron un informe sumamente crítico en agosto de 2000 indicando que el presupuesto era probablemente de $ 3.9 mil millones, incluida I + D, y que era poco probable que la instalación se completara a tiempo. [61] [69] El informe, "Las fallas de gestión y supervisión causaron grandes sobrecostos y retrasos en el cronograma ", identificó problemas de gestión para los excesos y también criticó al programa por no incluir una cantidad considerable de dinero dedicada a la fabricación de objetivos en el presupuesto, incluyéndolo en costos operativos en lugar de desarrollo. [67]
Las primeras demoras técnicas y los problemas de gestión del proyecto hicieron que el DOE comenzara una "Revisión de validación de referencia del proyecto nacional de la instalación de encendido" en 2000, que analizó críticamente el proyecto, identificó las áreas de preocupación y ajustó el cronograma y el presupuesto para garantizar su finalización. . John Gordon , Administrador Nacional de Seguridad Nuclear, declaró: "Hemos preparado un cronograma y costos ascendentes detallados para completar el proyecto NIF ... La revisión independiente respalda nuestra posición de que el equipo de gestión de NIF ha logrado un progreso significativo y ha resuelto problemas anteriores". [70] El informe revisó su estimación presupuestaria a 2.250 millones de dólares, sin incluir la I + D relacionada, que la llevó a un total de 3.300 millones de dólares, y retrasó la fecha de finalización hasta 2006 con las primeras líneas en línea en 2004. [71] [72] A seguir El informe de actualización del próximo año incluyó todos estos elementos, lo que elevó el presupuesto a $ 4.2 mil millones y la fecha de finalización alrededor de 2008.
Progreso después del rebaselining
Un nuevo equipo de gestión se hizo cargo del proyecto NIF [73] [74] en septiembre de 1999, encabezado por George Miller (quien más tarde se convirtió en director de LLNL 2006-2011), quien fue nombrado director asociado interino de láseres. Ed Moses , ex director del programa de Separación de Isótopos Láser de Vapor Atómico (AVLIS) en LLNL, se convirtió en gerente de proyecto de NIF. Desde el rebaselining, la administración de NIF ha recibido muchas críticas positivas y el proyecto ha cumplido con los presupuestos y cronogramas aprobados por el Congreso. En octubre de 2010, el proyecto fue nombrado "Proyecto del año" por el Project Management Institute , que citó a NIF como un "ejemplo estelar de cómo la excelencia en la gestión de proyectos aplicada correctamente puede unir a equipos globales para entregar un proyecto de esta escala e importancia de manera eficiente. . " [75]
Las revisiones recientes del proyecto han sido positivas, en general de acuerdo con los cronogramas y presupuestos posteriores a la actualización de la línea de base de la GAO. Sin embargo, existían preocupaciones persistentes sobre la capacidad del NIF para alcanzar la ignición, al menos a corto plazo. Una revisión independiente realizada por el Grupo Asesor de Defensa de JASON fue en general positiva sobre las perspectivas de NIF a largo plazo, pero concluyó que "Los desafíos científicos y técnicos en una actividad tan compleja sugieren que el éxito en los primeros intentos de encendido en 2010, si bien es posible, es improbable". [76] El grupo sugirió una serie de cambios en la línea de tiempo de finalización para llevar NIF a su potencia de diseño completa lo antes posible, saltándose un período de prueba a potencias más bajas que consideraban que tenían poco valor.
Pruebas tempranas y finalización de la construcción
En mayo de 2003, el NIF logró la "primera luz" en un haz de cuatro haces, produciendo un pulso de 10,4 kJ de luz IR en una sola línea de haz. [22] En 2005, los primeros ocho rayos (un haz completo) se dispararon produciendo 153 kJ de luz infrarroja, eclipsando a OMEGA como el láser de mayor energía (por pulso) del planeta. Para enero de 2007, todas las LRU en la Sala del Oscilador Maestro (MOOR) estaban completas y se había instalado la sala de computadoras. En agosto de 2007 se completaron y pusieron en servicio 96 líneas láser, y "ahora se ha disparado una energía infrarroja total de más de 2,5 megajulios. Esto es más de 40 veces lo que el láser Nova funcionaba normalmente en el momento en que era el láser más grande del mundo". [77]
El 26 de enero de 2009, se instaló la unidad reemplazable de línea final (LRU), completando uno de los principales hitos finales del proyecto de construcción NIF [78] y significando que la construcción se completó de manera no oficial. [79] El 26 de febrero de 2009, por primera vez, NIF disparó los 192 rayos láser hacia la cámara del objetivo. [80] El 10 de marzo de 2009, NIF se convirtió en el primer láser en romper la barrera de los megajulios, disparando los 192 haces y entregando 1,1 MJ de luz ultravioleta, conocida como 3ω, al centro de la cámara objetivo en un pulso de encendido con forma. [81] El láser principal entregó 1.952 MJ de energía infrarroja.
Operaciones
El 29 de mayo de 2009 se dedicó el NIF en una ceremonia a la que asistieron miles, entre ellos el gobernador de California Arnold Schwarzenegger y la senadora Dianne Feinstein . [4] Los primeros disparos láser contra un objetivo hohlraum se realizaron a finales de junio de 2009. [5]
Preparación para los experimentos principales
El 28 de enero de 2010, la instalación publicó un documento que informaba de la entrega de un pulso de 669 kJ a un hohlraum de oro , estableciendo nuevos récords para la entrega de energía por un láser y conduciendo a un análisis que sugiere que la sospecha de interferencia por el plasma generado no sería un problema. al encender una reacción de fusión. [82] [83] Debido al tamaño de los hohlraum de prueba, las interacciones láser / plasma produjeron rejillas plasma-ópticas, actuando como pequeños prismas, que produjeron un impulso de rayos X simétrico en la cápsula dentro del hohlraum. [83]
Después de alterar gradualmente la longitud de onda del láser, los científicos pudieron comprimir una cápsula esférica de manera uniforme y calentarla hasta 3,3 millones de kelvin (285 eV). [84] La cápsula contenía gas enfriado criogénicamente, actuando como un sustituto de las cápsulas de combustible de deuterio y tritio que se utilizarán más adelante. [83] El líder del Grupo de Física del Plasma, el Dr. Siegfried Glenzer, dijo que han demostrado que pueden mantener las capas de combustible precisas necesarias en el laboratorio, pero aún no dentro del sistema láser. [84]
A partir de enero de 2010, el NIF podría alcanzar los 1,8 megajulios. Glenzer dijo que los experimentos con hohlraums un poco más grandes que contienen gránulos de combustible listos para la fusión comenzarían antes de mayo de 2010, aumentando lentamente hasta 1,2 megajulios, suficiente para la ignición según los cálculos. Pero primero la cámara objetivo necesitaba estar equipada con escudos para bloquear los neutrones que produciría una reacción de fusión. [82] El 5 de junio de 2010, el equipo del NIF disparó láseres a la cámara objetivo por primera vez en seis meses; La realineación de las vigas se llevó a cabo a finales de junio en preparación para nuevas operaciones de alta energía. [85]
Campaña Nacional de Ignición
Con la construcción principal completa, NIF comenzó a trabajar en la "Campaña Nacional de Ignición" (NIC), la búsqueda para alcanzar la ignición. En ese momento, los experimentadores estaban tan seguros de que se alcanzaría la ignición que comenzaron a aparecer artículos en revistas científicas que indicaban que se anunciaría poco tiempo después de la publicación del artículo. Scientific American comenzó un artículo de revisión de 2010 con la declaración "Ignition está cerca ahora. Dentro de uno o dos años ..." [86]
La primera prueba se llevó a cabo el 8 de octubre de 2010 a algo más de 1 MJ. Sin embargo, varios problemas ralentizaron el impulso hacia energías láser de nivel de ignición en el rango de 1.4 a 1.5 MJ.
El progreso se vio inicialmente frenado por la posibilidad de daño por sobrecalentamiento debido a una concentración de energía en los componentes ópticos que es mayor que cualquier otro intento anteriormente. [87] Otros problemas incluyeron problemas para colocar el combustible en capas dentro de los objetivos y pequeñas cantidades de polvo que se encuentran en la superficie de la cápsula. [88]
A medida que se incrementó la potencia y se utilizaron objetivos de creciente sofisticación, apareció otro problema que estaba provocando una implosión asimétrica. Esto finalmente se rastreó a cantidades diminutas de vapor de agua en la cámara objetivo que se congeló en las ventanas en los extremos de los hohlraums. Esto se resolvió rediseñando el hohlraum con dos capas de vidrio en cada extremo, creando de hecho una ventana de tormenta. [88] Steven Koonin, subsecretario de ciencia del DOE, visitó el laboratorio para obtener una actualización sobre el NIC el 23 de abril, el día después de que se anunció que el problema de la ventana estaba resuelto. El 10 de marzo, había descrito el NIC como "un objetivo de importancia primordial para el DOE" y expresó que el progreso hasta la fecha "no fue tan rápido como esperaba". [88]
Los disparos de NIC se detuvieron en febrero de 2011, cuando la máquina se entregó a experimentos con materiales SSMP. A medida que estos experimentos terminaron, se llevaron a cabo una serie de actualizaciones planificadas, en particular una serie de instrumentos de diagnóstico y medición mejorados. Entre estos cambios se encuentra la adición del sistema ARC (Advanced Radiographic Capability), que utiliza 4 de los 192 haces del NIF como fuente de retroiluminación para obtener imágenes de alta velocidad de la secuencia de implosión.
ARC es esencialmente un láser de clase de petavatios con una potencia máxima superior a un cuatrillón (10 15 ) vatios. Está diseñado para producir rayos X más brillantes, más penetrantes y de mayor energía que los que se pueden obtener con las técnicas radiográficas convencionales. Cuando esté completo, ARC será el láser de pulso corto de mayor energía del mundo, capaz de crear pulsos láser de duración de picosegundos para producir rayos X energéticos en el rango de 50-100 keV para experimentos de retroiluminación NIF. [89]
Las pruebas de NIC se reiniciaron en mayo de 2011 con el objetivo de sincronizar las cuatro ondas de choque láser que comprimen el objetivo de fusión con una precisión muy alta. Los disparos probaron la simetría de la unidad de rayos X durante los primeros tres nanosegundos . Los disparos de sistema completo efectuados en la segunda quincena de mayo alcanzaron presiones máximas sin precedentes de 50 megabares . [90]
En enero de 2012, Mike Dunne, director del programa de energía de fusión láser de NIF, predijo en una charla plenaria de Photonics West 2012 que la ignición se lograría en NIF para octubre de 2012. [91] En el mismo mes, la NIF disparó un récord de 57 vacunas, más que en cualquier mes hasta ese momento. [92] El 15 de marzo de 2012, NIF produjo un pulso láser con 411 billones de vatios de potencia máxima. [93] El 5 de julio de 2012, produjo un pulso más corto de 1,85 MJ y una potencia aumentada de 500 TW. [94]
Informe DOE, 19 de julio de 2012
La campaña NIC ha sido revisada periódicamente por un equipo dirigido por Steven E. Koonin , Subsecretario de Ciencia. La sexta revisión, 31 de mayo de 2012, fue presidida por David H. Crandall, Asesor de Seguridad Nacional y Fusión Inercial, y Koonin no pudo presidir la revisión debido a un conflicto de intereses. La revisión se realizó con los mismos revisores externos, que anteriormente habían trabajado en Koonin. Cada uno proporcionó su informe de forma independiente, con su propia estimación de la probabilidad de lograr la ignición dentro del plan, es decir, antes del 31 de diciembre de 2012. La conclusión de la revisión se publicó el 19 de julio de 2012. [95]
La revisión anterior, fechada el 31 de enero de 2012, identificó una serie de mejoras experimentales que se han completado o están en curso. [95] El nuevo informe elogió unánimemente la calidad de la instalación: los láseres, la óptica, los objetivos, los diagnósticos y las operaciones han sido excelentes, sin embargo:
- Sin embargo, la conclusión integrada basada en este extenso período de experimentación es que se deben superar obstáculos considerables para alcanzar la ignición o el objetivo de observar un calentamiento alfa inequívoco. De hecho, los revisores señalan que, dadas las incógnitas con el actual enfoque 'semi-empírico', la probabilidad de ignición antes de finales de diciembre es extremadamente baja e incluso el objetivo de demostrar un calentamiento alfa inequívoco es un desafío. (Memorando Crandall 2012, p. 2)
Además, los miembros del informe expresan su profunda preocupación por las brechas entre el rendimiento observado y los códigos de simulación ICF, de modo que los códigos actuales tienen una utilidad limitada en el futuro. Específicamente, encontraron una falta de capacidad predictiva del impulso de radiación a la cápsula e interacciones láser-plasma mal modeladas. Estos efectos llevan a que la presión sea de la mitad a un tercio de la requerida para la ignición, muy por debajo de los valores predichos. La página 5 del memorando discute la mezcla de material de ablación y combustible de cápsula debido probablemente a inestabilidades hidrodinámicas en la superficie exterior del ablador. [95]
El informe continúa sugiriendo que el uso de un ablador más grueso puede mejorar el rendimiento, pero esto aumenta su inercia. Para mantener la velocidad de implosión requerida, solicitan que la energía NIF se incremente a 2MJ. También se debe tener en cuenta que los láseres de neodimio pueden soportar solo una cantidad limitada de energía o corren el riesgo de dañar permanentemente la calidad óptica del medio láser. Los revisores cuestionan si la energía del NIF es suficiente para comprimir indirectamente una cápsula lo suficientemente grande como para evitar el límite de mezcla y alcanzar la ignición. [96] El informe concluyó que la ignición dentro del año natural 2012 es "muy improbable". [95]
El encendido falla, el enfoque cambia, la VIDA termina
La NIC finalizó oficialmente el 30 de septiembre de 2012 sin lograr el encendido. Según numerosos artículos en la prensa, [97] [98] El Congreso estaba preocupado por el progreso del proyecto y los argumentos de financiamiento pueden comenzar de nuevo. [99] [100] [101] Estos informes también sugirieron que NIF cambiará su enfoque de la ignición hacia la investigación de materiales. [102] [103]
En 2008, cuando NIF estaba llegando a su finalización, LLNL comenzó el programa de energía de fusión inercial láser , o LIFE, para explorar formas de utilizar las tecnologías NIF como base para el diseño de una planta de energía comercial. Los primeros estudios consideraron el concepto híbrido de fisión-fusión , pero a partir de 2009 la atención se centró en los dispositivos de fusión pura, incorporando una serie de tecnologías que se estaban desarrollando en paralelo con NIF que mejorarían enormemente el rendimiento del diseño. [104]
Todos estos, sin embargo, se basaron en la idea de que NIF lograría la ignición y que solo se requerirían cambios menores en el diseño básico para mejorar el rendimiento. En abril de 2014, Livermore decidió poner fin a los esfuerzos de LIFE. Bret Knapp, director interino de Livermore, fue citado diciendo que "el enfoque de nuestros esfuerzos de fusión por confinamiento inercial está en comprender la ignición en NIF más que en el concepto LIFE". [104]
Reclamaciones de equilibrio
Un memorando enviado el 29 de septiembre de 2013 por Ed Moses describe una toma de fusión que tuvo lugar a las 5:15 am del 28 de septiembre. Produjo 5 × 10 15 neutrones, un 75% más que cualquier disparo anterior. Se vio claramente el calentamiento alfa, un componente clave del encendido. También señaló que la reacción liberó más energía que la "energía absorbida por el combustible", una condición a la que el memorando se refirió como "punto de equilibrio científico". [105] Esto recibió una cobertura de prensa significativa, ya que parecía sugerir que se había alcanzado un umbral clave, al que se hizo referencia como un "hito". [106]
Varios investigadores señalaron que el experimento estaba muy por debajo de la ignición y no representaba un gran avance como se informó. [107] Otros señalaron que la definición de punto de equilibrio registrada en muchas referencias, y declarada directamente por Moisés en el pasado, era cuando la salida de fusión era igual a la entrada del láser. [108]
En este comunicado, el término se cambió para referirse solo a la energía depositada en el combustible, no a la energía del láser como en declaraciones anteriores. Se ignoraron todos los mecanismos de pérdidas aguas arriba, y la comparación fue entre los aproximadamente 10 kJ que llegan al combustible y los 14 kJ que se produjeron, una Q de 1,4. Usando la definición anterior, esto sería 1.8 MJ dentro y 14 kJ fuera, un Q de 0.008. [108]
El método utilizado para alcanzar estos niveles, conocido como "pie alto", no es adecuado para la ignición general y, como resultado, aún no está claro si NIF alguna vez alcanzará este objetivo. [109]
Desde 2013, se han realizado mejoras en el control de la asimetría de compresión, con 1,9 × 10 16 neutrones producidos en 2018, lo que resultó en 0,054 MJ de energía de fusión liberada por pulso láser de 1,5 MJ. [110]
Experimentos de almacenamiento
Desde 2013, NIF ha cambiado su enfoque a la investigación de materiales y armas. Los experimentos que comenzaron en el año fiscal 2015 han utilizado objetivos de plutonio, con un calendario que contiene de 10 a 12 disparos para 2015, y hasta 120 durante los próximos 10 años. [111] Los disparos de plutonio simulan la compresión del primario en una bomba nuclear por explosivos de alta potencia , que no se han sometido a pruebas directas desde el Tratado de Prohibición Completa de Ensayos Nucleares . En estas pruebas se utilizan pequeñas cantidades de plutonio, que van desde menos de un miligramo hasta 10 miligramos. [112] También se llevan a cabo experimentos similares en la máquina Z de Sandia . [113] El director del Programa de Diseño Nuclear Primario de LLNL, Mike Dunning, señaló que "esta es una oportunidad para que obtengamos datos de alta calidad utilizando un régimen que anteriormente no estaba disponible para nosotros". [112]
Un avance clave en NIF desde la campaña Ignition ha sido un aumento en la tasa de disparos. Aunque está diseñado para permitir disparos cada 4 horas, [b] en el año fiscal 2014 NIF realizó 191 disparos, un poco más de uno cada dos días. Esto se ha mejorado continuamente y, en abril de 2015, NIF estaba en camino de cumplir su objetivo de 300 disparos láser en el año fiscal 2015, casi uno por día. [115]
Experimentos MagLIF
El 28 de enero de 2016, NIF ejecutó con éxito su primer experimento de tubería de gas destinado a estudiar la absorción de grandes cantidades de luz láser dentro de objetivos de 1 centímetro (0,39 pulgadas) de largo relevantes para la fusión inercial del revestimiento magnetizado de alta ganancia (MagLIF). Con el fin de investigar aspectos clave de la propagación, estabilidad y eficiencia del acoplamiento de energía láser a escala completa para diseños de objetivos MagLIF de alta ganancia, se usó un solo quad de NIF para entregar 30 kJ de energía a un objetivo durante una forma de 13 nanosegundos. legumbres. La devolución de datos fue muy favorable y el personal científico de Lawrence Livermore y Sandia National Laboratories está realizando análisis.
Proyectos similares
Algunos proyectos ICF experimentales similares son:
- Laser Mégajoule (LMJ). [116]
- Nike láser
- Centro de investigación de energía láser de alta potencia (HiPER). [117]
- Laboratorio de Energética Láser (LLE).
- Fusión inercial del revestimiento magnetizado (MagLIF). [118]
- Láser de alta potencia Shenguang-II [119]
Fotos
El puerto de visualización permite ver el interior de la cámara objetivo de 30 pies de diámetro.
Vista exterior del 1/3 superior de la cámara de destino. Los grandes puertos de haz cuadrado son prominentes.
Un técnico carga un recipiente de instrumentos en el manipulador de instrumentos de diagnóstico sellado al vacío.
Las lámparas de destellos que se utilizan para bombear los amplificadores principales son las más grandes hasta ahora en producción comercial.
Las placas de vidrio utilizadas en los amplificadores son también mucho más grandes que las utilizadas en láseres anteriores.
En la cultura popular
El NIF se utilizó como el conjunto de la nave Empresa 's núcleo de curvatura en el 2013 de la película de Star Trek en oscuridad . [120]
Ver también
- Reacción en cadena
- HiPER
- Fusión por confinamiento inercial
- ITER
- Mégajulio láser
- Fusión nuclear
- Reactor nuclear
Notas
- ^ No se indica claramente por qué Nova Upgrade sería demasiado pequeño para SSMP, no se da ninguna razón en los recursos disponibles.
- ^ Una fuente sugirió que el objetivo final era un disparo por hora. [114]
Referencias
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