Uno de los láseres más potentes del mundo está en Salamanca y es nuestra baza en fusión nuclear

Este martes, los titulares hablaban de “hito histórico” en la historia de la ciencia. No es para menos, porque el Departamento de Energía de EEUU anunció de forma oficial que el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), ubicado en California, había obtenido por primera vez energía neta por fusión nuclear el 5 de diciembre. De esta forma queda probado el concepto científico, un primer paso imprescindible para lograr una fuente energética inagotable y relativamente limpia. Sin embargo, de aquí a tener plantas operativas queda un trecho muy largo por recorrer que implica resolver grandes problemas tecnológicos.

En ese camino, el éxito logrado por la instalación National Ignition Facility (NIF) del LLNL apenas supone plantar la primera semilla, mostrar la evidencia de que el proceso de fusión nuclear es viable y potencialmente eficiente, es decir, que al unir átomos ligeros se libera más energía de la que se emplea para provocar esa reacción. No obstante, hacen falta muchos más esfuerzos y aportaciones científicas y tecnológicas en las próximas décadas para convertir este sueño en realidad. Tras este éxito de EEUU, ¿contribuirá en algo Europa? ¿Lo hará España?

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El método por el cual se logra la fusión nuclear es fundamental. La gran apuesta europea e internacional en este campo de la investigación está basada en mantener controlado el hidrógeno que se utiliza como combustible a altísimas temperaturas (similares a las del centro del Sol y las estrellas) mediante campos magnéticos. Es lo que se conoce como confinamiento por magnetismo y para experimentar en este campo se está construyendo en Francia el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), una gigantesca instalación. Sin embargo, el NIF ha conseguido este primer gran avance por otra vía: el confinamiento inercial por láser. En concreto, 192 haces disparan hacia una cápsula que contiene deuterio y tritio, isótopos de hidrógeno. No obstante, existe una infraestructura francesa similar al NIF, el Laser Mégajoule, en Burdeos.

En el Centro de Láseres Pulsados (CLPU) de Salamanca, una de las Infraestructuras Científicas y Técnicas Singulares (ICTS) de España, se ha seguido con atención este anuncio, no porque sean especialistas en el campo de la fusión nuclear, pero sí porque tienen mucho que decir en el futuro de la tecnología láser. De hecho, cuentan con un láser de petavatio (1.000.000.000.000.000 vatios), que está entre los 10 más potentes del mundo, y otro de 200 teravatios (la quinta parte del primero). El experimento de California sería imposible de reproducir aquí, pero, a día de hoy, la energía lograda por fusión nuclear en el NIF está muy lejos de ser viable comercialmente. Entonces, ¿España puede tener algún papel en su desarrollo? Los responsables del CLPU están convencidos de que pueden realizar aportaciones muy valiosas.

Por qué hay que desarrollar otros tipos de láser

“Una prueba de concepto como la de Livermore es lo mejor que sabe hacer y que se puede hacer hasta ahora y sirve para demostrar que es posible generar una reacción controlada de fusión nuclear en la Tierra, pero no puede producir energía de forma masiva”, explica a Teknautas Giancarlo Gatti, director del Área Científica del CLPU. El primer obstáculo obvio es que los láseres del NIF solo pueden dispararse unas pocas veces al día, así que producirían “una cantidad de energía demasiado baja”.

Los láseres de este centro de Salamanca están muy lejos del nivel del LLNL en términos de energía, porque trabajan en el rango de los julios, mientras que en las instalaciones de California se inyectaron 2,05 megajulios para obtener 3,15 megajulios (un megajulio es un millón de julios). Sin embargo, trabajan con pulsos que tienen una duración mucho más corta: mientras que los disparos del NIF duran nanosegundos, los del CLPU están en la escala de los femtosegundos (un nanosegundo es un millón de femtosegundos). La clave está en jugar a concentrar la energía en el espacio o en el tiempo. En este caso, “nuestra potencia de pico es más alta”, comenta Gatti, precisamente, porque la duración del disparo es menor. Sin embargo, la gran diferencia está en la tasa de repetición: el láser de petavatio es capaz de disparar una vez por segundo y el láser de 200 teravatios, 10 veces.

¿Alcanzaremos alguna vez la energía del NIF, pero con la tasa de repetición que tienen los láseres del CLPU? “Son problemas tecnológicos y se espera que puedan tener solución, pero estamos hablando de décadas de investigación por delante. De momento, estamos hablando de instalaciones dedicadas a la investigación, no a la producción de energía; los láseres que usamos están pensados para el campo de la ciencia, no del mundo industrial”, explica el experto, porque el segundo caso implica tener en cuenta otros factores, como la eficiencia, el coste o la estabilidad.

En ese sentido, existe otro problema de eficiencia en el experimento de California que, en general, se ha pasado por alto. En efecto, los investigadores estadounidenses han obtenido más energía de la que han disparado hacia la cápsula, era la prueba de concepto que se buscaba, pero ese cálculo no tiene en cuenta que, en realidad, se han consumido más energía de la red eléctrica que esos 3,15 megajulios logrados al final. Así que, en realidad, “no estaríamos ante una ganancia neta, porque si cuentas toda la energía que has utilizado, te saldrían datos negativos”.

En definitiva, “el tipo de láser utilizado en el NIF no va a ser viable si se quiere dar el paso hacia un reactor comercial que implique muchos disparos”, señala Gatti. Para que la fusión nuclear que vaya más allá del campo experimental hace falta desarrollar nuevos tipos de láser y esa es, precisamente, una de las funciones del CLPU, que es a la vez un centro de investigación y una instalación de usuarios que ayuda a desarrollar tecnología. Van a ser necesarios láseres que concentren la energía en el tiempo y en el espacio.

“Lo que necesitamos para seguir adelante y conseguir un reactor de fusión es que el láser sea pulsado”, coincide José Manuel Perlado, presidente del Instituto de Física Nuclear Guillermo Velarde de la Universidad Politécnica de Madrid. Un láser pulsado emite luz en forma de pulsos, no de manera continua, y precisamente el centro de Salamanca lleva ese concepto en su nombre y los pulsos con los que trabaja son, por definición, “ultracortos y ultraintensos”. Como usa poca energía, pero el tiempo en el que se produce el disparo es muy corto, “la potencia del CLPU es muy alta”, apunta este físico, especialista en el confinamiento inercial.

Así que, una vez demostrado el principio científico que sustentaría el desarrollo de la fusión nuclear, como acaban de hacer en EEUU, “el láser del CLPU puede servir para estudiar infinidad de cosas”, asegura Perlado. Dicho de otra forma, el centro de investigación salmantino “no va a repetir el mismo experimento que el NIF”, pero “ahora que ya sabemos que funciona, deberíamos estudiar cómo van a ser los elementos concretos de una futura planta y para eso sí que puede servir este láser ultracorto”.

El plasma y los “blancos láser”

En efecto, aunque las investigaciones del CLPU son muy variadas (análisis de materiales, estudios biomédicos o de seguridad y defensa, entre otras), la tecnología de la que dispone “nos permite hacer cosas que entran dentro del marco de la fusión”, afirma Gatti. De hecho, los científicos de Salamanca ya han realizado algunas aportaciones relevantes. Entre las más significativas, están los estudios sobre plasma de Luca Volpe, colaborador del CLPU y actual investigador de la Universidad Politécnica de Madrid. El plasma es el estado de la materia cuando se calienta a altas temperaturas y este científico se ha centrado en el estudio de un estado de plasma que se llama Warm Dense Matter y que está vinculado a la fusión nuclear que se produce en las cápsulas comprimidas por láser. Sus resultados han sido publicados en revistas del Grupo Nature.

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“Los plasmas de la fusión inercial son muy distintos con respecto a los que se usan en confinamiento magnético por temperatura y densidad, y nosotros los estudiamos no solo con respecto a la energía, sino porque son de interés en otras materias, como la astrofísica, ya que reproducen lo que ocurre en las estrellas, o en los planetas masivos por ejemplo”, comenta el responsable del Área Científica del centro.

Asimismo, hay otro aspecto fundamental en el que el CLPU puede tener un papel, los “blancos láser”. ¿Las cápsulas que se utilizan para el confinamiento inercial por láser van a ser las definitivas? “El esquema de fusión de Livermore está basado en deuterio y tritio porque tiene una energía de activación más baja”, señala Gatti, pero eso no quiere decir que sea la única manera de lograr el combustible necesario para fusión. En el CLPU se han probado otras reacciones (en el contexto de otras investigaciones no relacionadas con la fusión nuclear) que podrían servir para este propósito y que incluso podrían presentar alguna ventaja. Por ejemplo, el resultado de la unión de isótopos de hidrógeno es la producción de helio y de neutrones y este segundo elemento dañaría a largo plazo los materiales de un futuro reactor, una cuestión pendiente de resolver. Pues bien, una posibilidad es “buscar otro tipo de reacciones que no produzcan neutrones y puedan ser viables”.