En octubre de 2010, en un edificio del tamaño de tres campos de fútbol de Estados Unidos, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore encendieron 192 rayos láser, concentraron su energía en un pulso con la pegada de un camión a toda velocidad y lo dispararon contra un gránulo de combustible nuclear del tamaño de un grano de pimienta. Así comenzó la campaña de la National Ignition Facility (NIF) para lograr el objetivo que le da nombre: encender una reacción de fusión que produzca más energía de la que aporta el láser.

Una década y casi 3.000 disparos después, la NIF sigue generando más efervescencia que explosión, obstaculizada por el complejo y poco conocido comportamiento de los objetivos láser cuando se vaporizan e implosionan. Pero con nuevos diseños de objetivos y formas de pulso láser, junto con mejores herramientas para monitorizar las explosiones en miniatura, los investigadores del NIF creen que están cerca de un importante hito intermedio conocido como «plasma ardiente»: una combustión de fusión sostenida por el calor de la propia reacción más que por la entrada de energía láser.

El autocalentamiento es clave para quemar todo el combustible y conseguir una ganancia de energía desbocada. Una vez que NIF alcance el umbral, las simulaciones sugieren que tendrá un camino más fácil hacia la ignición, dice Mark Herrmann, que supervisa el programa de fusión de Livermore. «Estamos empujando todo lo que podemos», dice. «Se nota la aceleración en nuestra comprensión». Los de fuera también están impresionados. «Se siente que hay un progreso constante y menos conjeturas», dice Steven Rose, codirector del Centro de Estudios de Fusión Inercial del Imperial College de Londres. «Se están alejando de los diseños tradicionalmente mantenidos y probando cosas nuevas».

Sin embargo, puede que el NIF no tenga el lujo del tiempo. La proporción de disparos del NIF dedicados al esfuerzo de ignición se ha recortado desde un máximo de casi el 60% en 2012 a menos del 30% en la actualidad para reservar más disparos para la administración de existencias -experimentos que simulan detonaciones nucleares para ayudar a verificar la fiabilidad de las ojivas. En los últimos años, los presupuestos presidenciales han tratado de recortar la investigación sobre la fusión por confinamiento inercial en el NIF y en otros lugares, para que el Congreso la mantenga. La Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA), que financia el NIF, está revisando el progreso de la máquina por primera vez en 5 años. Bajo la presión de modernizar el arsenal nuclear, la agencia podría decidir un nuevo cambio hacia la administración de las reservas. «¿Será exprimido el programa de ignición?», se pregunta Mike Dunne, que dirigió los esfuerzos de Livermore en materia de energía de fusión de 2010 a 2014. «El jurado está en duda».

La fusión se ha presentado durante mucho tiempo como una fuente de energía libre de carbono, alimentada por isótopos de hidrógeno fácilmente disponibles y que no produce residuos radiactivos de larga duración. Sin embargo, sigue siendo un sueño lejano, incluso para los hornos magnéticos de combustión lenta y con forma de rosquilla como el proyecto ITER en Francia, cuyo objetivo es lograr una ganancia de energía en algún momento después de 2035.

El NIF y otros dispositivos de fusión inercial se parecerían menos a un horno y más a un motor de combustión interna, produciendo energía mediante explosiones rápidas de las diminutas pastillas de combustible. Mientras que algunos láseres de fusión apuntan sus haces directamente a las pastillas, los disparos del NIF son indirectos: los haces calientan una lata de oro del tamaño de la goma de un lápiz llamada hohlraum, que emite un pulso de rayos X destinado a encender la fusión calentando la cápsula de combustible en su centro a decenas de millones de grados y comprimiéndola a miles de millones de atmósferas.

Pero los disparos realizados durante los tres primeros años de la campaña de ignición sólo produjeron alrededor de 1 kilojulio (kJ) de energía cada uno, menos de los 21 kJ bombeados a la cápsula por el pulso de rayos X y mucho menos de los 1,8 megajulios (MJ) del pulso láser original. Siegfried Glenzer, que dirigió la campaña inicial, afirma que el equipo fue «demasiado ambicioso» en cuanto a alcanzar la ignición. «Confiábamos demasiado en las simulaciones», dice Glenzer, que ahora trabaja en el SLAC National Accelerator Laboratory.

Después de la fallida campaña de ignición, los investigadores del NIF reforzaron sus instrumentos de diagnóstico. Añadieron más detectores de neutrones para tener una visión en 3D de dónde se estaban produciendo las reacciones de fusión. También adaptaron cuatro de sus rayos láser para que produjeran pulsos ultracortos de alta potencia momentos después de la implosión con el fin de vaporizar finos cables cercanos al objetivo. Los cables actúan como una bombilla de rayos X, capaz de sondear el combustible mientras se comprime. «Es como un TAC», dice el científico planetario Raymond Jeanloz, de la Universidad de California en Berkeley, que utiliza el NIF para reproducir las presiones en el núcleo de planetas gigantes como Júpiter. (Alrededor del 10% de los disparos del NIF se dedican a la ciencia básica.)

Con su visión más aguda, los investigadores han rastreado las fugas de energía de la pastilla de combustible en implosión. Una de ellas se produjo en el punto donde un diminuto tubo inyectaba el combustible en la cápsula antes del disparo. Para tapar la fuga, el equipo hizo el tubo aún más fino. Otras fugas se debieron a la carcasa de plástico de la cápsula, por lo que los investigadores renovaron la fabricación para suavizar las imperfecciones de apenas una millonésima de metro. La mejora del diagnóstico «ayuda realmente a los científicos a comprender qué mejoras son necesarias», afirma Mingsheng Wei, del Laboratorio de Energía Láser de la Universidad de Rochester.

Incendio por ensayo

IgniciónAutocalentamiento2017-19Cápsula de diamante grande, pulso largo2013-15Cápsula de plástico, implosión rápida2011-12Cápsula de plástico, implosión lenta06070504030201000.10,2Densidad real del punto caliente (gramos/cm2) 0,30.40,5Temperatura del punto caliente (millones de grados Celsius)

El equipo también ha jugado con la forma de los pulsos láser de 20 nanosegundos. Los primeros disparos aumentaron la potencia lentamente, para evitar que el combustible se calentara demasiado rápido y fuera más difícil de comprimir. Los pulsos posteriores aumentaron de forma más agresiva para que la cápsula de plástico tuviera menos tiempo para mezclarse con el combustible durante la compresión, una táctica que aumentó un poco el rendimiento.

En la campaña actual, iniciada en 2017, los investigadores están aumentando las temperaturas ampliando el hohlraum y la cápsula hasta un 20%, aumentando la energía de rayos X que la cápsula puede absorber. Para aumentar la presión, están ampliando la duración del pulso y cambiando las cápsulas de plástico por otras más densas de diamante para comprimir el combustible de forma más eficiente.

El NIF ha logrado repetidamente rendimientos cercanos a los 60 kJ. Pero Herrmann dice que un disparo reciente, discutido en la reunión de la División de Física del Plasma de la Sociedad Americana de Física a principios de este mes, lo ha superado. Está previsto repetir los disparos para comprobar hasta qué punto se ha llegado a un plasma ardiente, que se prevé que se produzca en torno a los 100 kJ. «Es muy emocionante», dice.

Incluso a la máxima compresión, los investigadores del NIF creen que sólo el centro del combustible está lo suficientemente caliente como para fusionarse. Pero en un hallazgo alentador, ven pruebas de que el punto caliente está recibiendo un impulso de calentamiento de los núcleos de helio en movimiento frenético, o partículas alfa, creadas por las reacciones de fusión. Si el NIF puede bombear un poco más de energía, debería desencadenar una ola que saldrá del punto caliente, quemando combustible a su paso.

Herrmann dice que el equipo todavía tiene algunos trucos más que probar, cada uno de los cuales podría llevar las temperaturas y las presiones a niveles lo suficientemente altos como para mantener el plasma ardiente y la ignición. Están probando diferentes formas de hohlraum para concentrar mejor la energía en la cápsula. Están experimentando con cápsulas de doble pared que podrían atrapar y transferir la energía de los rayos X de forma más eficiente. Y empapando el combustible en una espuma dentro de la cápsula, en lugar de congelarlo en forma de hielo en las paredes de la cápsula, esperan formar un mejor punto caliente central.

¿Será suficiente para alcanzar la ignición? Si estos pasos no son suficientes, la siguiente opción sería aumentar la energía del láser. Los investigadores del NIF han probado mejoras en cuatro de las líneas de haz y han conseguido un aumento de energía que, si se aplicaran a todos los haces, haría que toda la instalación se acercara a los 3 MJ.

Estas mejoras, por supuesto, llevarían tiempo y dinero que el NIF podría no conseguir. Los científicos de la fusión en el NIF y en otros lugares esperan ansiosamente las conclusiones de la revisión de la NNSA. «¿Hasta dónde podemos llegar?» pregunta Herrmann. «Soy optimista. Llevaremos el NIF tan lejos como podamos».