CESEDEN

F’USION TERMONUCLEAR POR LASER

— Progresos americanos y soviéticos

Por Christine BAMIERE0- Ingeniéro

( De la Revista francesa National&’Mayo 1975).

Traducido por el Capitán de O.M del AireDon MarinoGONZALEZ PASCUAL

Octubre 1975 BOLETIN DE INFORMA ClON NUM. 95 - VIII

Enfrentados agudamente con el problema de la energra, conscientes de que las centrales de fisión son productoras de resrduos embarzosos los americanos jncrementan masivamente los créditos de investiq.ción y desarrollo para la fusión termonuclear. Los soviéticos, por su par

te, hacen esfuerzos considerables en este campo. La fusi6n controladaqueserra 11lirn piaH —entendemos por ésto- que producirá pocos resídu.os radioactivos nocivos— y que utili.zarfa combustibles inagotables (1), podrra serla solución del aíio 2.000,

El principí.o de la producción de energra por fusión termonu-clear es simple. Es por ótra parte este proceso el que tiene lugar en el iritenor del sol y proporciona la energra que permite la vida sobre la tierra.Recordémoslo en el esquema: sea una reacción entre dos átomos ligeros a

y B ( por ejemplo isotopos de hidrógeno tales como el deuterio, cuyo nú-—cleo comprende un neutrón y un protón, o el tritio, formado por un protóny de dos neutrones) que dan un atómo C. En virtud de la equivalencia ma—sa-energfa, según la ya célebre relación de Einstein E= mc2, la energfaqueva a desprenderse es igual a la diferencia de masa entre O y la sumade las masas A y B.

La energra proporcionada entonces es considerable: para unasola reacción en la que interviene en un principio dos átomos, la energf adesprendida es la de un electrón acelerado bajo una tensión de varios millones de voltios.

(1).- Los combustibles del reactor serán el hidrógeno y el deuterio ( delque el agua del mar es un depósito inagotable.

—2—

Se concibe pues, que la fusión sea objeto de investigaciones pordos caminos distintos A partir de 1972, un camino de posible solución, elde la fusión por laser, toma gran importancia en los Estados Unidos y en laU.R.S.S.

En los Estados Unidos, las investigaciones son financiadas ,principalment.e por la “Energy Research and Development Administratión” ( E,R . D .A ), y en particular, por la dirección de asuntos militares, Para e 1ao fiscal 1975, la EOR.00AO ha asignado 10 mi]lones de dólares para lasinvestigaciones no confidenciales sobre la fusión por laser y 56,3 millonesde dólares para las investigaciones secretas, (los créditos asignados para dconfinamiento magnético, vfa no confidencia)., más antfgua y más costosase elevan a 102,3 millones de dólares) Los laboratorios de la E .R,D .A. —

que trabajan sobre la fusión tienen personal contratado, Otros capitales privados se suman a los créditos públicos, Las firmas I550h y ‘General Elec

un equipo en la Universidad de Rochester. Una firma privada,la K .M .S,, tiene un prestigioso laboratorio (70 investigadores, d.e los cuales, un Premio Nóbel: Hofstader) que parece ser el lider en. est.e t;erreno,LaK ,M .S. está financiada por “Texas GasU y por contratos de la E.R,D.A.

En la Unión Soviética se realizan trabajos, en particular bajo ladirección de Basov, Premio Nóbel, en los Institutos Lebedev, Kurchatov yen elrnoderno de Krasnaya Pakhra,

1,- LASERYFUSION.

La función del laser en la creación del proceso de fusión varra.Puede servir:

12.- Para crear a la vez el plasma y calentarle hasta las temperaturas necesarias para la fusión termonuclear.

22.— Para calentar un plasma ya existente, pero poco caliente.

32_ Para crear un plasma que, por expansión, va a rellenar -

una configuración magnética del tipo de las utilizadas en otras investigaciones sobre la fusión.

En este artrculo solo trataremos del piimer caso, por se objeto de las experiencias más interesantes y más comentadas,

—3—

El problema de la fusión consiste pues, en hacer que unos isÓtopos se fusionen desprendiéndo energfa, bajo la forma de energra cinética de neutrones y de partículas alfa (núcleos de helio) que se tratará de recuperar. La fusión no puede producirse, de una manera controlada, más -

que en condiciones extremas de temperatura y de presión que deben mantenerse durante un tiempo relativamente largo. En el caso de la primera solución laser se confina por inercia una mezcla extremadamente dura de is6topos de hidrógeno. En efecto, el laser, que produce impulsiones urrñ rosmuy cortas y muy energéticas, calienta la mezcla al mismo tiempo que la

comprime; la comprensión del núcleo del blanco se lleva al máximo comoconsecuencia d.c un efecto de onda de choque.

La configuración experimental es la siguiente: se irradia unapequeña esfer&( por ejemplo de deuterio o de tritio) mediante haces 1ser convergentes.

El corte esquemático de la figura 1 de la págin siguiente,cornpletado por un gráfico representando la densidad del medio en función de

la distancia, permite comprender la evolución del fen6meno.

En la zona 1. los fotones se propagan y son absorvidos por varios mecanismos ( ver al final el anexo 1); el medio se ioniza y se formaun plasma.

A partir de la densidad pc. los fotones dejan de propagarse yentramos en una zona 2 llamada de conducción térmica: el medio es unplasma excitado, hay producción de electrones muy rápida que se dirigenhacia el centro del blanco; el plasma calentado y comprimido se expandehacia el exterior; por reacción, se produce una onda de choque que comprime el núcleo del blanco ( zona 3) durante su progresión hacia el centro (zona 4), Hay impulsión.

Sí, en lugar de una sola impulsi6n, se envía un tren, con unafrecuencia bastante elevada, el efecto de las ondas de choque se acumula.Se espera así obtener por impulsión una densidad díez mil veces mayor —

quela del estado sólido y, en esta materia super comprimida, la fusióntejmonuclear controlada.

—4-

“ radiación laser

2 i j lfmite del b1anc/

//

/

N 1

NOTA Estos esquemas constituyen una descripción 1nstantnea delsistema en un instante t04- t (siendo t0 eljnstantde1 desencadenamjento de la ‘impulsión laser)

—

• ,•

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//¡1 (

/

1/

/1

frente de la onda

¡7dechoque

densidad del medio V1

LtI1_—- frente de la onda de• • conducción térmica

dehsidadceo Jj.,, f.. dei7t absorción crrtjca

—5—

II.- PROYECTOSYRESULTADOSAMERICANOS-COMPARACIONCQlLOSRESULTADOS SOVIETICOS

En primer lugar es necesario poseer los ‘buenos Íaser —losque producen impulsiones de una ‘buena forma— y sincronizar muy bienel sistema para. que, en el caso de varios laces convergentes, estas impu].siones lleguen todas al mismo tiempo al blanco.

El programa cientffico y tecnológico de los laboratorios que -

trabajan en este proyecto, comprende tres eta.pas, que necesitan laserscada vez más potentes

1etapa: Ignición en laboratorio ( 1976 — 1979) (2)

La ignición es la realización en laboratorio de la fusión termonuclear ( aqui por impulsión). El balance enérgtico de la reacción, es elsiguiente:

Energra laserU blancoEnergra termonuclearLJ

—1a Energfa laser = Energfa termonuclearL

Según los comunicados de la Conferencia de Optica cuánticaque tuvo lugar en Junio de 1974 en San Francisco, no puede esperarse obtener la ignición a menos de 1 a 10 kj de energTa de impulsión, Las cifrasvarran según la 1ongitüd1 de onda considerada. Son posibles, en efecto, —

otros tipos de laser (Ver anexo II ).

(2) ,- Las cifras dadas son las oficiales de la antigua” Atomic Energy Cornmissióntl convertida en la E. R . D A. . Ante los resultados obtenidospor el K .M .S. se puede pensar que es necesario ‘disminuirlas en uno•odosafios.

-6-

etaa: Balance de energfa positiva (1980 — 1981 ).

Esta etapa se resume en la desigualdad:

Energa laser inferior a Energta termonuclear.

En esta fase, la reacción termonuclear se hace energ&ricamen—te rentable: la energfa proporcionada por el laser es inferior a la ónergra —

liberada por la reacción. La energra del laser deberá comprimirse entre30 y 200 kj. .

a.a: Primer reactordedemostración(1990)

Será necesario entonces un. laser de rendimiento energético del10%, es decir que devuelva en forma de energfa luminosa el 10% de la ene’gra dedicada a s.i funcionamiento. Este laser deberá. proporcionar 100 kj deenergra por impulsión. Se obtendrá una ganancia energética del 10% para elreactor,, o lo que es igual, el 10 % de energta termonuclear más que la energia !d.e entrada?! del sistema, .A continuación se pasará a. la realización ind.ustri.ai de los reactores de fusión,

Estamos actualmente eJa.rea zcibn de la primera. étapa. Enlos Estados Unidos existen hoy dra los lasers necesarios para la igniciónEn la Unión Soviética, están en curso de realización, experiencias con ha—c múltiples (Institutos Lebedev y. Kurchatov); ya se ha alcanzado una cornprensión de cerca de 30 veces la d.ensidad del estado sólido y obtenido resultados muy positivos, aunque los soviéticos trabajan con flujos inferiores alos de los ameri.canos

Uno de los laboratorios más avanzados en la materia en los Estados Unidos, es el de KOM.S. Fusión. Sus trabajos son seguidos por laE .R . D A, , quien examina los resultados y hace verificar las experienciaspor sus propios centros, por otra parte rivales, Los Alamos y Livermore.K M .S. ha anunciado resultados ruidosos que han sido discutidos, desmentidos, luego justificados y en parte, expiiestos a un coloquio especializado —

que ha tenido lugar en Garching. En la Conferencia de Eléctrdnica cuánticacelebrada en Junio de 1974, en San Francisco., Srückner de la K .M .S. , no

pudo presentar su comunicación ( en razón de la clasificación de los resultados) pero Nuckolis de Livermore hizo una éxposición. Por otra parte, enel

Congreso de Tokio en noviembre de 1974 fueron desclasificados muchosresultados

Deiaexperiencias de K.M .S. realizadas con dos ee laser,se deducen varios hecho.s ciertos:

La implosión fue realizada0 La materia fue comprimida; bajo el efecto de esta compresión, en el núcleo del granulo, tuvieron lugarreacciones de fusión termonuclear y se descubrieron neutrones de origentermonuclear procedentes de este núcleo0

- Se han realizado varias experiencias con blancos de un nue—yo tipo: se irradiaron conchas esféricas de vidrio conteniendo deuterio rrestado gaseoso. De observaciones experimentales se ha deducido un fao—-r:or de compresión. Por KOMOSO ha sido observado un hecho experimentalnuevo: una parte notable de la energia cedida por el laser al grnuJ.o, seescapa del medio en forma de iones muy energéticos.

Este hecho es muy importante: una condición de éxito de Ja fu—sión serra que la energra facilitada por el laser fuera liaceptadaU por el medio irradiado y qúe se mantuviera en él. Por lo tanto es muy importante -

saber que parte de la energta laser es absorbida por el medio y que partede ésta se escapa por conducto de los iones muy energéticos.

Hay que séiSalar que, según los laboratorios y las condicionesexperimentales, los resultados difieren mucho, En el cuadro que sigue seresume: la situación:

Po la lectura de este cuadro, se advierte que ni los soviéticos (pára 101 W/cm2) ni los americanos de Rochester ( para io16 wicm2) Jo observan iones rápidos. Podemos pensar que este fenómeno perjudicial surgeprecisamente entre i014 W/cm2 y 10Wtcm2), por no tomar un cierto número de precauciones experimentales ( pre..’ca’Intamien—to del blanco ).

—8—

Laser Flujo en Tipo de Energia ab Energra arre—Laborato longitud watts/cm2 blanco sorbida:por batad.a por los

rio de onda el blanco iones rápidos.

Los Alamos. .., 10,6v o 14 hoja polie 50 80%

tilena deuteno esfe

ra, 20a30,%

1,05Nd SxlO 15 hoja 50% 50%

i,06Nd esfera 50% 10%

K.M.S. 1,06iNd 9X1015 conchade lOa 30% 2Oa8O%vidrio ilena de deuter i o

15 16 esfera 30% sin iones rá—Rochester l,06 10 alO

/ pidos

U.R.S.S. l,06,ji 10 14 plana 90% sin iones rá—esférica 80% pidos.,

Osaka l,06,i 10 15 plana 30 %

Por otra parte, en el Congreso de Tokio, asr como en la Conferencia de Alburquerque que le precedió, los americanos des clasificaron enparte sus investigaciones sobre los blancos . Los soviéticos dieron igual——mente detalles sobre los suyos . Estos , revelaron los soviéticos , pueden —

—9—

ser llenos o huecos. Las conchas se llenan, por ejemplo, con deuterio gaseoso. Los blancos llenos pueden incluir la adici6n de cuerpos que no sonmateriales fusibles pero que tienen por objeto favorecer un cierto númerode procesos frsicos. En efecto, abadiendo elementos de número atómi.comedio en la zona superficial del blanco, se favorece asÍ la absorción de laluz por el. sólido. Luego se constituye una capa de elementos de número —

atóm.ico elevado para favorecer la conducción tórmica. En algunos blancoshuecos, los soviéticos agregan incluso sobre la capa interna de la concha(que encierra el combustible termonuclear) elementos aislantes de. número atómico elevado para bloquear las partÍculas rápidas.

111.-CONCLUSION.

El dinamismo de las investigaciones sobre la fusión por laseres impresionante. Los europeos comienzan a alarmarse. Los alemanes reclaman cródito8 de Eurátom para su cent.ro de investigaciones sobre la fsión laser de Garching. Los ingleses sueian con crear un centro especializad,o sobre la localidad de Harweli. Los japoneses y los canadienses realizan tarnbión estudios sobre esta materia En Francia, varios laboratoriostrabajan en ello desde hace mucho tiempo, en particular en el centro delComisariado para la EnergÍa Atómica ( C.E.A ) de Limeil y en laborato—rio de fÍsica de los medios ionizados de la Escuela Politócnica. Por lo quese refiere a los soviéticos, que han sido los primeros en explorar esta vÍa,se sabe que están obteniendo resultados positivos.

Los americanos en este momento, hacen un esfuerzo máximosobre la fusión y en particular sobre el camino laser. Cada problema experimental recibe una rápida solución.

Nuestro paÍs debe preocuparse de no descuidar este campoabierto sobre la energÍa abundante y no contaminante

( ANEXO 1

Losmecanismosdeabsorcióndelplasma

La explicaci6n tradicional de la absorción de la luz por un plma, era el Brehmstrahlung inverso (radiaci6n de frenado inverso). Los.,electrones al absorberixi fotón son liberados y acelerados y, por colisión,excitan a los iones.

Pero este mecanismo de absorción no es ilimitado. Hay saturación. A partir de un cierto nivel el plasma yá no absorbe la radiaciónAhora bien, se han descubiertos otros fenómenos que permiten a pesar deéllo al plasma absorber energfa. Estos son:

- La descomposiciónparamétricade la onda electromagnétiCalos fotones se transforman en Itplasmoneslt (excitación del plasma) o enI?fononesll (vibraciones de conjunto del ambiente).

Laretrodifusión: los fotones incidentes se descomponen enun fotón de energra menor ( que es retrodifundida) y sea un plasmón o u n

fonón.

- Laabsorciónresonante: este plasma entra en resonancia -

con la onda electromagnética incidente.

( ANEXO II )

Lo slasersmáspotentes.

Son de varias clases:

- Loslasersdevidrioexcitadosporneodimio que dan los mejores resultados pero que tienen un mal rendimiento ( 0,5 % ) ( longitud deonda 0,6? ). Son con ellos con los que se vienen efectuando la mayor partede las experiencias actuales. Pero no serán seguramente los lasers delreactor; su rendimiento es demasiado bajo.

- Loslasersdegascarbónico tienen mejor rendimiento y unadiferente longitud de onda ( 10, 6p ) menos desfavorable teóricamente; susresultados son inferiores a la de tos lasers de vidrio.

- Ellaserdejodo es muy simple, poco costoso, de bastantebuen rendimiento teóricamente ( 10% ); su longitud de onda ( l3p ) es interesante.

— Ellasérdexenón, desarrollado primero en la Uñión Soviéti—ca, tiene un rendimiento teórico muy elevado ( 80% ) y un rendimiento enegético igualmente muy bueno ( 20%).

• .1/

II...

CUADRODERESULTADOSACTUALES

-g

Tipo de laserLongitud

Laboratoriode onda

Ene rgIaDuración de laimpulsión

Vidrio pordimio

neo BatelleK.M.S.Livermore

1 Máximoactual10 kj

1 nanosegundo

.

SandiaRochester .

CO 2 • Los AlamosGarching (RFA)

lo6p Máximo200 kj

1 nanosegundo

Jodo Garching (RFA) l,3ji 1 kj (1) 1 nanosegundo

Fluoruro dehidrógeno

Los Alamosy Sandia

2 a 2,5 kj 30 nanosegundos

(1) Previsión.