Científicos del Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester dirigieron experimentos para demostrar una "bujía" eficaz para métodos de fusión por confinamiento inercial (ICF) de accionamiento directo. En dos estudios publicados en Nature Physics , los autores analizan sus resultados y describen cómo se pueden aplicar a escalas mayores con la esperanza de producir fusión en una instalación futura.

LLE es el programa universitario más grande del Departamento de Energía de EE. UU. y alberga el sistema láser OMEGA, que es el láser académico más grande del mundo, pero sigue siendo casi una centésima parte de la energía de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California. .

Con OMEGA, los científicos de Rochester completaron varios intentos exitosos de disparar 28 kilojulios de energía láser a pequeñas cápsulas llenas de combustible de deuterio y tritio, provocando que las cápsulas implosionaran y produjeran un plasma lo suficientemente caliente como para iniciar reacciones de fusión entre los núcleos de combustible. Los experimentos provocaron reacciones de fusión que produjeron más energía que la cantidad de energía en el plasma caliente central.

Los experimentos OMEGA utilizan iluminación láser directa de la cápsula y difieren del enfoque de accionamiento indirecto utilizado en el NIF. Cuando se utiliza el enfoque de accionamiento indirecto, la luz láser se convierte en rayos X que a su vez provocan la implosión de la cápsula. El NIF utilizó un accionamiento indirecto para irradiar una cápsula con rayos X utilizando alrededor de 2.000 kilojulios de energía láser. Esto llevó a un gran avance en 2022 en el NIF al lograr la ignición por fusión, una reacción de fusión que crea una ganancia neta de energía del objetivo.

"Generar más energía de fusión que el contenido de energía interna del lugar donde tiene lugar la fusión es un umbral importante", dice el autor principal del primer artículo de Connor Williams '23 Ph.D. (física y astronomía), ahora científico del personal de Sandia National Labs en diseño de objetivos de radiación y ICF. "Ese es un requisito necesario para cualquier cosa que quieras lograr más adelante, como quemar plasmas o lograr la ignición".

Al demostrar que pueden alcanzar este nivel de rendimiento de implosión con sólo 28 kilojulios de energía láser, el equipo de Rochester está entusiasmado con la perspectiva de aplicar métodos de accionamiento directo a láseres con más energía. Demostrar una bujía es un paso importante; sin embargo, OMEGA es demasiado pequeña para comprimir suficiente combustible para llegar al encendido.

"Si eventualmente se puede crear la bujía y comprimir el combustible, la transmisión directa tiene muchas características que son favorables para la energía de fusión en comparación con la transmisión indirecta", dice Varchas Gopalaswamy '21 Ph.D. (ingeniería mecánica), el científico del LLE que dirigió el segundo estudio que explora las implicaciones del uso del enfoque de accionamiento directo en láseres de clase megajulio, similar al tamaño del NIF. "Después de escalar los resultados de OMEGA a unos pocos megajulios de energía láser, se predice que las reacciones de fusión se volverán autosuficientes, una condición llamada 'plasmas ardientes'".

Gopalaswamy dice que el ICF de accionamiento directo es un enfoque prometedor para lograr la ignición termonuclear y la energía neta en la fusión láser.

"Un factor importante que contribuye al éxito de estos experimentos recientes es el desarrollo de un novedoso método de diseño de implosión basado en predicciones estadísticas y validado por algoritmos de aprendizaje automático", dice Riccardo Betti, científico jefe del LLE y profesor Robert L. McCrory en el Departamento. de Ingeniería Mecánica y en el Departamento de Física y Astronomía. "Estos modelos predictivos nos permiten reducir el grupo de diseños candidatos prometedores antes de llevar a cabo experimentos valiosos".

Los experimentos de Rochester requirieron un esfuerzo altamente coordinado entre una gran cantidad de científicos, ingenieros y personal técnico para operar la compleja instalación láser. Colaboraron con investigadores del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT y General Atomics para realizar los experimentos.

Más información: C. A. Williams et al, Demostración de una ganancia de combustible en puntos calientes que excede la unidad en implosiones de fusión por confinamiento inercial de accionamiento directo, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02363-2

V. Gopalaswamy et al, Demostración de un plasma ardiente hidrodinámicamente equivalente en fusión por confinamiento inercial de accionamiento directo, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02361-4

Proporcionado por la Universidad de Rochester