Científicos estadounidenses evalúan sus opciones después de no poder replicar el experimento récord de 2021
Por: Jeff Tollefson
Hace casi un año, los científicos de la instalación de fusión láser más grande del mundo anunciaron un logro histórico : había batido todos los récords y producido, aunque solo fuera por una fracción de segundo, una reacción de fusión energética del tipo que alimenta las estrellas y las armas termonucleares. Sin embargo, los esfuerzos para replicar ese experimento se han quedado cortos. Nature ha aprendido que, a principios de este año, los investigadores de la instalación de California cambiaron de dirección y se movieron para repensar su diseño experimental.
El giro de los acontecimientos ha renovado el debate sobre el futuro de la Instalación Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés), un dispositivo de US$3.500 millones que se encuentra en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y supervisado por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA), una rama de los EE. UU. Departamento de Energía que gestiona las armas nucleares. La misión principal del NIF es crear reacciones de fusión de alto rendimiento e informar el mantenimiento de las reservas de armas estadounidenses.
Según algunas medidas, el disparo láser que estableció un récord el 8 de agosto de 2021 demostró que la instalación, que costó mucho más y rindió mucho menos de lo prometido originalmente, finalmente cumplió su misión principal. Sin embargo, los intentos repetidos generaron, en el mejor de los casos, el 50% de la energía producida a fines del año pasado. Los investigadores no esperaban una navegación tranquila mientras intentaban replicar el experimento, porque el dispositivo masivo ahora está operando en la cúspide del «encendido» de la fusión, donde las pequeñas diferencias involuntarias de un experimento a otro pueden tener un gran impacto en la producción. No obstante, para muchos, la imposibilidad de reproducir el experimento de agosto pasado subraya la incapacidad de los investigadores para comprender, diseñar y predecir experimentos a estas energías con precisión.
Omar Hurricane, científico jefe del programa de fusión por confinamiento inercial de Livermore, ha abogado por seguir adelante con el diseño experimental existente para investigar este régimen energético, en lugar de dar un paso atrás para reagruparse. “El hecho de que lo hayamos hecho es una especie de prueba de existencia de que podemos hacerlo”, dice. “Nuestro problema es hacerlo repetidamente y de manera confiable”. Sin embargo, dice, el liderazgo del programa tomó la decisión de detener los experimentos de replicación y concentrarse en los próximos pasos que podrían llevar al NIF mucho más allá del umbral de fusión y hacia un régimen completamente nuevo y más predecible, donde los rendimientos son significativamente mayores que en el experimento de agosto.
Algunos investigadores de la comunidad habían cuestionado durante mucho tiempo la utilidad del NIF y, para ellos, todo el episodio destaca los notables logros de la instalación, así como sus limitaciones fundamentales. “Creo que deberían llamarlo un éxito y detenerse”, dice Stephen Bodner, un físico que anteriormente dirigió el programa de fusión por láser en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. en Washington DC. Bodner dice que el NIF es un callejón sin salida tecnológico y que es hora de prepararse para un láser de próxima generación que podría abrir la puerta a la energía de fusión.
Persiguiendo el encendido
El NIF se inauguró en 2009 con la promesa de lograr la ignición por fusión, que la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. (NAS) ha definido como un experimento que genera más energía de la que consume. Después de no cumplir con la fecha límite inicial para lograr la ignición en 2012, los científicos de Livermore comenzaron un esfuerzo de una década para ajustar el sistema (ver ‘El camino hacia la ignición’). Finalmente, en agosto pasado, después de una serie de ajustes en aspectos de la instalación, incluido el láser y el objetivo de ignición, una cápsula de oro que contiene una bolita congelada de los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio, tuvieron su momento decisivo.
En menos de 4 mil millonésimas de segundo, 192 rayos láser enviaron 1,9 megajulios de energía al objetivo. Cuando la cápsula colapsó, los isótopos de hidrógeno en el núcleo de la pastilla comenzaron a fusionarse en helio, liberando un torrente de energía y creando una cascada de reacciones que finalmente liberaron más de 1,3 megajulios de energía, alrededor de 8 veces el récord anterior y 1.000- veces la mejora en los primeros experimentos.
Aunque no cumplió con la definición de ignición de la NAS, el disparo resultó en una reacción de fusión de alto rendimiento que calificó con seguridad como ignición de acuerdo con los criterios utilizados por los científicos del NIF. Hurricane lo llama un “momento de los hermanos Wright”, e incluso los críticos más duros del NIF, incluido Bodner, se quitaron el sombrero.
En septiembre, los líderes del programa de fusión por confinamiento inercial elaboraron un plan para tres experimentos para determinar si se podía repetir el resultado de agosto. Los experimentos comenzaron en octubre y produjeron solo entre 400 y 700 kilojulios de energía. Aunque esos resultados aún representan un cambio radical en la operación del NIF, no se acercaron al avance de agosto, ni superaron lo que los científicos del NIF describen como el umbral de ignición.
Hurricane dice que el análisis del equipo de esos experimentos indica que las inconsistencias en la fabricación del objetivo y los cambios inevitables en el rendimiento del láser debido a su edad produjeron diferencias diminutas, pero importantes, en la forma de la implosión. «Entendemos por qué las tomas repetidas funcionaron como lo hicieron», dice, «pero todavía estamos tratando de precisar qué es exactamente lo que necesitamos controlar mejor sobre estos aspectos de ingeniería».
A la luz de esos resultados, Hurricane abogó por experimentos repetidos adicionales que podrían usarse para comprender mejor la variabilidad de un disparo a otro. Sin embargo, los líderes del programa optaron por seguir adelante y Hurricane dice que el equipo ahora está buscando formas de aumentar la energía del láser en más de un 10%, así como modificar objetivos que podrían hacer un uso más eficiente de esa energía.
Mark Herrmann, subdirector de física fundamental de armas de Livermore, dice que el laboratorio recibió muchos comentarios de los más de 100 científicos involucrados en el programa. Pero enfatiza que el objetivo a largo plazo es lograr rendimientos dos órdenes de magnitud superiores a los logrados incluso en agosto pasado. “Mientras hagamos un estudio científico bueno, cuidadoso y sistemático, eso es lo más importante desde mi perspectiva”, añade.
Un informe crítico
Hasta cierto punto, era de esperar que el laboratorio no replicara el experimento de agosto, porque el láser ahora está operando en el ‘acantilado de ignición’, dice Riccardo Betti, quien dirige el centro de fusión láser en la Universidad de Rochester en Nueva York y proporciona evaluaciones independientes de experimentos en el NIF. “Si estás en un lado del precipicio, puedes obtener una gran cantidad de resultados de fusión, y si estás en el otro lado del precipicio, obtienes muy poco”, dice. El laboratorio aún no tiene la precisión experimental para predecir de qué lado aterrizará un experimento determinado, dice.
Las preguntas sobre la ciencia fundamental y la capacidad predictiva estuvieron en el centro de una revisión clasificada de las contribuciones científicas del NIF al programa de armas nucleares de EE. UU. proporcionada a la NNSA el año pasado por JASON, un panel científico independiente que asesora al gobierno de EE. UU. En un resumen ejecutivo no clasificado del informe, obtenido por Nature bajo la Ley de Libertad de Información de EE. UU., el panel reconoció las capacidades del NIF, pero afirmó que es poco probable que la instalación logre una «ignición predecible y reproducible» en los próximos años.
El informe se completó y se entregó a la NNSA cuatro meses antes del disparo de agosto, y Hurricane y otros han argumentado que fue inoportuno y demasiado pesimista.
Los panelistas de JASON abogaron por un replanteamiento fundamental del programa en su informe, y esa discusión ya ha comenzado en la comunidad más amplia de fusión por láser. Los científicos del NIF y otros lugares están examinando formas de reconfigurar el láser actual, mientras que otros están impulsando diseños completamente nuevos que podrían proporcionar vías más prácticas hacia la energía de fusión.
Por su parte, Huracán no tiene prisa. Sostiene que el dispositivo ahora está operando en un régimen de fusión crucial que será útil para comprender y predecir la confiabilidad de las armas nucleares.
“Una vez que obtenemos más energía y más previsibilidad, te has saltado la física interesante”, dice Hurricane. “Si su objetivo es comprender y ser mejores científicos y administradores [de las reservas nucleares], este es el régimen en el que debe trabajar”.
