Así es el mayor sistema láser del mundo: 3.500 millones y 25 años para lograr un hito histórico en la fusión nuclear

El hito histórico en fusión nuclear anunciado este martes por el Departamento de Energía de Estados Unidos no se habría conseguido sin miles de millones de inversión, tanto públicos como privados, en infraestructuras e investigación a lo largo de más de seis décadas. El camino para llegar a conseguir la primera ignición por fusión nuclear que se logró el pasado 5 de diciembre en la Instalación Nacional de Ignición de Estados Unidos había arrancado en los años 60. Entonces un grupo de científicos del Laboratorio Nacional de Lawrence Livermore (LLNL, por sus siglas en inglés), liderado por John Nuckolls, teorizó que podría inducirse una fusión nuclear en un laboratorio mediante rayos láser.

Así se inició un camino de investigación y desarrollo de láseres, ópticas, diagnósticos, fabricación de objetivos, modelado y simulaciones por computadora y diseño experimental que culminaría en la construcción del NIF. La National Ignition Facility o Instalación Nacional de Ignición) costó 3.500 millones de dólares y cuenta con el láser más potente del mundo.

A lo largo de varias décadas, el LLNL desarrolló una serie de sistemas láser, cada vez más potentes, hasta llegar al NFL que ha sido capaz de generar 2,05 millones de julios y obtener mediante ignición por fusión nuclear 3,15 millones, demostrando la teoría que el equipo de Nuckolls había hipotetizado sesenta años antes y que ha derivado en el método de fusión por confinamiento inercial empleado para lograr el hito. Al NFL, cuya construcción finalizó en 2009, le habían precedido los sistemas láser Janus (1973, con una potencia de 100 julios), Argus (1976, 1.000 julios), Shiva (1977, 10.000 julios) y Nova (1984, 30.000 julios).

La construcción del NIF arrancó en 1997 con un presupuesto de 1.100 millones de dólares y un plazo de 6 años que terminaron convertidos en 3.500 millones y 12 años. Es enorme, del tamaño de un estadio deportivo con capacidad para tres campos de fútbol americano, espacio que necesita para albergar un complejo sistema láser que dirige 192 rayos a lo largo de 1.500 metros de tuberías hasta llegar a un objetivo de solo 2 mm.

La cápsula que contiene el combustible para realizar la fusión se llama hohlraum(cavidad, en alemán) y se encuentra dentro de una cámara de fusión de diez metros de diámetro y 130 toneladas de peso con paredes y recubrimientos que suman 2,3 metros de grosor.

En su interior se generan temperaturas de cien millones de grados y una presión de más de 100.000 millones de atmósferas terrestres. Es decir, temperaturas y presiones como las que se dan en el interior de una estrella o de una explosión nuclear, según explica el LLNL en su página web.

Los rayos de energía ultravioleta que el sistema proyecta sobre el hohlraum se transforman en rayos X al atravesarlo y provocan una reacción termonuclear controlada fusionando los átomos de los isótopos de hidrógeno que contiene (deuterio y tritio) creando átomos de helio, neutrones libres y liberando energía. Este tipo de reacciones ya se habían conseguido anteriormente en laboratorios y llevan ensayándose en el NIF desde 2010, pero el 5 diciembre fue la primera vez que se alcanzó la ignición por fusión que se da cuando se obtiene más energía de la que se gasta provocando la reacción de fusión nuclear.

El NIF pasará a la historia de la física por este logro, pero la búsqueda de una alternativa energética menos contaminante y sostenible no es el único propósito del sistema láser más grande y potente del mundo. También es un elemento clave en el programa Stockpile Stewardship (Administración de existencias), con el que Estados Unidos mantiene la seguridad y la fiabilidad de su arsenal nuclear. Este se basa en el mantenimiento de las armas nucleares mediante un proceso continuo de vigilancia, evaluación, renovación y recertificación sin realizar pruebas nucleares.

Los científicos del NIF realizan importantes contribuciones a este programa mediante el estudio experimental de fenómenos de combustión termonuclear y alta densidad de energía, además de verificar las simulaciones por computadora de la física que se da en las explosiones nucleares. En sus instalaciones también se explora otras áreas de la ciencia como los fenómenos astrofísicos y la ciencia de los materiales proporcionando condiciones que no pueden duplicarse en ninguna otra instalación del mundo.