Es el sistema energético de las estrellas: el Sol convierte los átomos de gas hidrógeno en gas helio, con una creación enorme de energía, el calor solar que nos llega. Hay que recordar el JET, de Euratom, de confinamiento magnético, que en 1997 mostró que era un reactor de 12 MW, pero no ha permitido crear el reactor comercial de fusión atómica. JET empleaba una mezcla de deuterio y tritio. Deuterio 90% y tritio 10%. El Iter, International Thermonuclear Experimental Reactor, tampoco dió resultados.

En España Ciemat se interesó por el confinamiento magnético y en 1994 construyó el Stellerator TJ-1.

En funcionamiento disponemos de muchas plantas de fusión nuclear en el mundo generando energía eléctrica. En ellas, el átomo de uranio o plutonio se divide o rompe. Ahora vamos a crear la planta de fusión nuclear, muy diferente. El láser europeo se llama High Repetition Rate Advancer Petawatt Laser System (HAPLS). El edificio del láser se construye en Dolni-Brezany, República Checa, y los módulos del láser en el NIF, EE UU diseñados por Constantin Haefner.

La energía pico que logrará el HAPLS es de 1 cuadrillón de vatios, 1 petavatio, 10 elevado a 15 vatios. En cada impulso entregará 30 julios de energía en menos de 30 femtosegundos (30 trillonésimas de segundo). Es el tiempo que emplea la luz en recorrer una fracción del cabello humano. Emitirá 10 pulsos por segundo. Hasta ahora el láser más potente solo podía emitir un pulso por segundo. HAPLS emitirá pulsos de alto brillo, de rayos X, que lograrán acelerar partículas cargadas: electrones, protones e iones. El nuevo láser, de confinamiento inercial, permitirá construir plantas de fusión nuclear. El confinamiento magnético (JET) no ha dado buenos resultados.

La construcción del HAPLS terminará en Dolni en 2017 y supone una inversión de 300 millones de euros; las primeras pruebas con el nuevo láser, a baja potencia, comenzarán en la primavera de 2016. Durarán hasta 2018, al alcanzar la potencia de diseño.

HAPLS, de alta repetición de pulsos de rayos láser de una intensidad hasta ahora imposible, permitirá investigar la interacción luz-materia con intensidades extremas y pulsos ultracortos. HAPLS acelerará electrones con energías de varias decenas de gigaelectronvoltios, e igualmente protones e iones de unos pocos gigaelectronvoltios.

Los científicos con haces de rayos X cortos y muy brillantes observarán células y proteínas con una resolución espacial y temporal muy elevada, para estudiar las reacciones bioquímicas y la formación y disolución de uniones químicas. Servirán para el tratamiento del cáncer y tumores profundos, y estudiar cómo los protones e iones interaccionan con el tejido. En física se podrá investigar el mar de partículas virtuales del vacío, y cómo se crean los rayos cósmicos.

Michael Dunne, director del NIF americano, y también del HAPLS, explica que el HAPLS logrará intensidades en vatios de 10 elevado a 23/cm2. Un láser 100 veces más potente que el actual del NIF (construido hace 18 años) con 10 elevado a 21 vatios/cm2. A la potencia del láser europeo hay que añadir su frecuencia de repetición de pulsos, de 10 hertz.

Las relaciones entre la comunidad europea del láser y Lawrence Laboratory entran en una nueva etapa, muy sólida. Loa experiencia del Lawrence Laboratory en láseres de alta potencia, Nova Petawatt, es indispensable. El Departamento de Energía de EE UU, DOE, está muy interesado en estas nuevas relaciones. Varias naciones de Europa, entre ellas España (Ciemat- Vandellós 1) y de Asia están preparando el diseños de plantas de energía a base de láser, una energía limpia, sin emisiones de CO2. Según Haefner entramos en la era del fotón.

Aprovechamos la experiencia del NIF americano en láseres de zafiro dopados con titanio, el láser Calisto, que genera intensos haces de protones. Sus ultra cortos pulsos tienen una duración entre picosegundos y femtosegundos.

Para una planta comercial de fusión nuclear necesitamos láseres de bajo coste, muy alta energía, estables, con repetición de pulsos muchas veces por segundo (10 veces) y materiales muy resistentes, con lento envejecimiento. Además de métodos para tratar los residuos del reactor.

Su volumen es compacto, si tenemos en cuenta su alta potencia y su repetición de pulsos: 5 por 17 metros, mas 4 m2 para el compresor final de pulsos. El primer sistema es un diodo láser que bombea, de estado sólido, que suministra energía a un 2º sistema de amplificación de pulsos. Los módulos del amplificador láser usarán vidrios dopados con neodimio, como los usados en el NIF, diseñados en HAPLS para suministrar 200 julios de energía al ritmo de 10 hertz/s. Su potencia promedio es de 2 kW.

La energía de la bomba de láser HAPLS de 30 julios, 30 femtosegundos, será elevada a más de 1 petavatio.

La intensidad del pulso tiene un límite: no dañar la óptica y vidrio del láser. Después de amplificado el pulso pasa por unas redes de difracción, compresores del pulso, indispensables para lograr la alta potencia.

Los diodos del láser tienen una longitud de 01 mm solamente, y son 20 veces más eficaces que las lámparas de destellos convencionales de los láseres petavatio. Además emiten menos calor, y pueden funcionar durante horas. Para lograr una potencia de 3.2 Megavatios se reunirán más de 500.000 diodos, y a continuación se diseñará el láser comercial de 3,2 Megavatios.

La tecnología de diodos para el láser quedó demostrada en Livermore con el láser Mercury, que fue un intento para demostrar la energía de fusión con láser. Mercury producía pulsos de láser a un ritmo de 10 disparos/seg. y con una energía por pulso de 65 julios. Cada pulso dura 15 nanosegundos. La potencia pico de Mercury es de 4-6 Megavatios, y la potencia promedio es de 600 vatios. Mercury fue diseñado en 1996, y estuvo operativo hasta 2009. Todavía en la actualidad Mercury detenta la máxima energía mundial de pulso para un láser de diodos.

Chris Barty, jefe del NIF, en 2001 ya sugirió un láser parecido al HAPLS, pero una repetición de pulsos de 10/seg. entonces resultaba muy audaz. La fusión nuclear con Mercury fue un fracaso, pese a los 65 julios de luz infrarroja, producida 10 veces/s. Chris Barty propuso que la luz del Mercury sirviera para aportar energía a un 2º láser, diseñado para producir pulsos de 15 femtosegundos, 10 veces por segundo. De hecho en 2007 Livermore diseñó un láser petavatio de 10 hertz, su construcción no se realizó, pero el diseño está sirviendo para el HAPLS.

El diseño avanzado del Mercury está sirviendo al HAPLS, con recubrimientos ópticos que impidan los desperfectos en los componentes. Ya están funcionando en los 192 haces de luz láser, con pulsos de 10 veces/s. Desde 1980 Livermore dispone de métodos para refrigerar la óptica crítica, que permita funcionar a 10 veces/s. Se aplicó en Mercury.

Consiste en gas helio a gran velocidad, que enfría el vidrio de los amplificadores láser, enfriamiento que funciona en la misma dirección en que avanza el haz de luz del láser. La absorción de calor elimina los gradientes térmicos. Recordemos que el gradiente térmico induce aberraciones del frente de onda del haz de luz. Con el método Livermore las aberraciones del frente de onda son mínimas.

HAPLS dispondrá de esa refrigeración en el láser bomba y en el láser de pulsos cortos

En el diseño HAPLS el gas helio está a temperatura ambiente y a presión de 3 atmósferas. Refrigera a la velocidad de 100m/s. En el haz de luz del láser el helio será invisible, debido al bajo índice de refracción del helio, cercano al del vacio. El sistema de control de la calidad del haz de luz será el ya usado en el Mercury y el NIF.

Se presupone que los componentes del HAPLS estarán perfectamente alineados, y las pequeñas aberraciones que ocurran serán corregidas. La experiencia de Mercury y NIF es positiva a este respecto. Para corregir las aberraciones se usarán espejos deformables, una forma de óptica de adaptación. Para espejo deformable dispone de una red de actuadores, que deforman la superficie del espejo, para compensar los errores del frente de onda de la luz láser a 10 hertz.

HAPLS dispone de un mecanismo para evitar la luz láser anormal, el láser parásito, una generación de luz que ocurre en cualquier láser. Esa luz se propaga en direcciones insospechadas y disminuye la energía que se puede extraer del amplificador. La solución Livermore ya funcionó en el Mercury, era un recubrimiento de vidrio que absorbe la luz parásita. Haefner revisará todos los subsistemas del HAPLS durante su instalación para que el comportamiento del láser con intensidades extremas y ritmo de repetición 10 Hertz sea correcto. Así aseguramos la longevidad del equipo.

Livermore cuenta con 3 décadas de éxitos en el desarrollo del láser y sus componentes. La colaboración con la república checa funcionará. En Hungria y Rumania aparecen planes para construir allí otros HAPLS.

El sol y las estrellas nos muestran el éxito de las relaciones de fusión nuclear. La luz y el calor que percibimos del sol es el resultado de estas reacciones de fusión, en las cuales los núcleos de gas hidrógeno (peso atómico 1) chocan entre sí, y se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado, el del gas helio, con peso atómico 4, liberando una enorme cantidad de energía. Esa energía llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética.

A nivel de la galaxia y del Universo las fuerzas de gravedad generan las condiciones necesarias para la fusión nuclear.

Los requisitos técnicos para la fusión nuclear en el sol y las estrellas son:

Consiste en crear un medio tan denso que los átomos de hidrógeno no tengan posibilidad de escapar, sin chocar entre sí. Una pequeña esfera compuesta de deuterio (2H) y tritio (3H), isótopos del hidrógeno, es impactada por un haz de láser, provocándose su implosión. Es la fusión nuclear por confinamiento inercial. La que hemos elegido para el HAPLS.

En el confinamiento magnético las partículas ionizadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético. Los diseños incluyen z-pinch, stelerator y espejos magnéticos. El reactor ruso Tokamak tiene forma toroidal, pero no se ha construido. Esperamos el HAPLS.

Se usan los isótopos de gas hidrógeno Deuterio (D) y Tritio (T), y se fusionan.

El deuterio está formado por un protón y un neutrón. En el agua hay un átomo de deuterio por cada 6500 átomos de hidrógeno ligero, normal. Es fácil ver que la energía de fusión es inagotable, y no contamina con CO2.

El tritio es un isótopo inestable, radiactivo. Está compuesto de un protón y 2 neutrones, se desintegra con emisión beta con relativa rapidez. El tritio es escaso en la Naturaleza, pero lo podemos generar usando los isótopos del litio. El litio es abundante.

Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos la energía cinética necesaria, para que se aproximen los núcleos que se van a fusionar. Así se vencen las fuerzas de repulsión electrostáticas. Para ello se necesita calentar el gas a temperaturas muy elevadas, que suponemos tienen lugar en el centro del sol.

En un reactor de fusión nuclear obtenemos una ganancia neta de energía, pues la energía necesaria para calentar y confinar el plasma es menor que la energía liberada, la útil. En principio por cada miligramo de deuterio-tritio se pueden obtener 335 MJ.

Los trabajos publicados sobre el láser son innumerables, pero el año más fecundo fue 2010, el 50 Aniversario del láser. Las revistas de óptica a nivel mundial publicaron ediciones monográficas. En España la mejor revista sobre el láser fue hace 5 años en 2010 'Revista española de física' octubre-diciembre (REF):

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