¿"Ganancia" de Energía Neta o Exageración Publicitaria de la Fusión Caliente?

El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y los principales medios de comunicación y revistas científicas hacen un anuncio muy publicitado de "ganancia de energía neta positiva" de la supuesta ignición por fusión. Sin embargo, cuando se considera la entrada de energía total de la fuente de alimentación del experimento, la reacción de fusión fue una pérdida de energía neta superior al 99%. En otras palabras, por cada unidad de energía de fusión que produce, NIF quema un mínimo de 130 unidades de energía, una eficiencia de menos del 1%. Esto está lejos de cualquier “ganancia de energía”.

Por Nassim Haramein, Director de Investigación de Torus Tech R&D Laboratories

Con el anuncio del Departamento de Energía de Estados Unidos de que: "Por Primera Vez, los Investigadores Producen más Energía a Partir de la Fusión de la que se Utilizó para Impulsarla, lo que Promete Nuevos Descubrimientos en Energía Limpia y Gestión de Armas Nucleares", se ha planteado la cuestión de si acabamos de ser testigos de un avance científico y tecnológico que cambiará el mundo para siempre, o si se trata de más exageraciones sobre la fusión en caliente. Los hechos apuntan claramente a lo segundo. He aquí por qué. 

El consenso entre las fuentes de divulgación científica, incluidos los principales expertos en física, ha descrito el resultado de la ignición de la fusión como una ganancia de energía neta positiva. Los titulares globales que utilizan la terminología "ganancia de energía" son engañosos. Anunciar que 2,05 megajulios de luz láser se concentraron en una minúscula cápsula de combustible de fusión, implosionaron y se encendieron produciendo 3,15 MJ de energía, parece indicar una ganancia neta de ~1,1 MJ de energía. 

¡Pero esto no es todo! Cuando se considera el suministro de energía necesario para hacer funcionar los láseres (sin tener en cuenta todas las demás necesidades energéticas del experimento), la historia es totalmente distinta. Para producir la intensidad de energía láser en la pastilla de hidrógeno de 2,05 MJ, se utiliza un enorme aproximado de 300 a 400 MJ de energía [2,3]. Así es, teniendo en cuenta todo el presupuesto energético de la reacción, hay una pérdida neta de ~99,6% de la energía total. Esto no tiene en cuenta el tiempo ni los recursos necesarios para fabricar la pastilla de deuterio-tritio de alta precisión, sobreenfriar el sistema o mantener un entorno de vacío adecuado en la cámara del blanco. 

Evidentemente, hay cierta confusión entre los científicos que informan sobre este tema: 400 megajulios de energía que producen 3,15 MJ no es una "ganancia neta positiva" de energía. Es una pérdida colosal de ~99% de energía. 

La revista Science, con un titular en el que se lee: Con una Explosión Histórica, un Avance en la Fusión Largamente Buscado, la National Ignition Facility logra una "ganancia" de energía neta con un enfoque impulsado por láser, describe cómo el uso del término "ganancia" es un marcador de posición:

Sin embargo, si por ganancia se entiende producir más energía de salida que electricidad de entrada, el NIF se queda muy corto. Sus láseres son ineficaces y requieren cientos de megajulios de electricidad para producir los 2 MJ de luz láser y los 3 MJ de energía de fusión. Además, una central basada en el NIF tendría que aumentar el ritmo de repetición de un disparo al día a unos 10 por segundo. Habría que fabricar, llenar, colocar, detonar y retirar un millón de cápsulas al día, lo que supone un enorme reto de ingeniería [1].

Según las propias referencias internas del NIF, Anatomía de un Disparo del NIF [2], el sistema láser requiere 400 megajulios de energía almacenada:

Imagen: Cuando se produce el disparo, los condensadores del NIF suministran 400 megajulios de energía eléctrica almacenada a las 7.680 lámparas de destello del láser principal.

El informe de NIF sobre los resultados de una reacción de fusión del 8 de agosto de 2021- Alcanzar el umbral de la ignición: una mirada en profundidad al hito de 1,35 megajulios del NIF (Reaching the Threshold of Ignition, an in-depth look at NIF’s 1.35 Megajoule Milestone) muestra que casi toda la energía de los 192 rayos láser de la instalación se pierde en la conversión de longitud de onda, la producción de rayos X, la retrodispersión y otros factores antes de llegar a la cápsula.

Imagen: Diagrama de flujo simplificado que muestra la eficiencia de acoplamiento energético de la cápsula objetivo del NIF. La "energía láser" que se muestra es tras la conversión de la longitud de onda de infrarrojo a ultravioleta, que pierde aproximadamente la mitad de la energía original del láser. Cuando la luz llega al hohlraum, calienta las paredes interiores y genera rayos X que comprimen el combustible de fusión, consumiendo más de la mitad de los 1,9 megajulios de luz ultravioleta. Tras tener en cuenta la energía de rayos X perdida a través de los orificios de entrada del láser (LEH), las interacciones láser-plasma (LPI) y la retrodispersión, entre otros factores, en experimentos anteriores la cápsula sólo absorbía entre 150 y 270 kilojulios, y sólo unos 10 kilojulios acababan en el combustible de fusión.

La ineficacia es asombrosa. El sistema tendría que mejorar su eficiencia en al menos un ~10.000% para empezar a aproximarse a una ganancia de energía neta. Esto no debería sorprender, ya que la instalación láser insignia del Departamento de Energía de EE.UU. no se centra en producir una metodología para la producción comercial de energía. Su principal objetivo es avanzar en la investigación de armas nucleares [3].

En muchas circunstancias, en un experimento de física está perfectamente bien informar sobre los resultados del experimento sin tener en cuenta el equipo periférico, el montaje y los costes energéticos utilizados para obtener un resultado. Ciertamente, si el NIF sólo informara sobre el objetivo principal de avanzar en la tecnología de las armas termonucleares, entonces estaría bien.

Sin embargo, dado que este experimento se presenta como una posible fuente de energía para el futuro de la humanidad, no informar claramente y hacer público el consumo de energía del dispositivo -la cantidad de energía necesaria para alimentar y hacer funcionar los láseres utilizados para la ignición- es una omisión inapropiada de información crítica que da lugar a titulares engañosos y confusos.

Es comprensible querer generar entusiasmo y apoyo a la investigación. Tal vez pueda parecer inocente omitir hechos inconvenientes como que la ignición por fusión supone una pérdida de energía del ~99% para así entusiasmar al público con titulares "rompedores" sobre "ganancia de energía neta". Y, para animar a los congresistas de los comités presupuestarios a mantener el flujo de fondos. Sin embargo, este tipo de omisión e información engañosa no es del todo inocua. En consecuencia, se asignarán fondos para seguir apoyando y ampliando la fusión en caliente, que se considera un "enfoque de fuerza bruta" para la producción de energía (Big Think, Slate). Estos recursos podrían destinarse a financiar tecnologías viables de generación de energía limpia. En su lugar, se desviarán hacia el enorme complejo industrial de la fusión, al que le faltan al menos décadas para producir algo remotamente viable desde el punto de vista comercial.

Por el contrario, si un laboratorio independiente, o un particular, que trabajara en la producción de energías alternativas informara de una "ganancia de energía neta" ignorando una ineficiencia del ~99%, sería ridiculizado y muy probablemente acusado de fraude. 

En muchos aspectos, cuando se trata de nuevas tecnologías de generación de energía, no podemos permitirnos el lujo de "hacer ciencia por hacer ciencia". Hay que reconsiderar los experimentos de reacción de fusión por la fuerza bruta y, si se permite que continúen, tenemos que ser diligentes para asignar recursos de financiación, mentes científicas y tiempo a otras posibles metodologías viables.

Los expertos en el campo de la fusión ya saben que el método empleado por el NIF no va a ser la forma en que finalmente se aproveche la energía de fusión:

Si observa la energía, asumiendo que obtiene una ganancia del 100 por ciento, obtiene 4 megajulios por 2 megajulios adentro. Digamos que hace esto una vez al día. Eso es el equivalente a quemar un pequeño trozo de leña, más o menos. Eso no es una planta de energía. Hay que hacerlo a 50-60 hercios miles de veces al día, docenas de veces por segundo, para tener realmente una central eléctrica, lo que básicamente significa que no se puede utilizar esta tecnología. Esto está muy lejos. Hay que pasar a un sector tecnológico completamente distinto [4].

La instalación de láser NIF cuesta $ 3.5 mil millones (varios miles de millones por encima del presupuesto) y es una instalación colosal de 10 pisos que alberga 192 láseres de alta energía. Esta es una enorme cantidad de dinero y recursos que respaldan un enfoque de fuerza bruta de la naturaleza, en un esfuerzo por producir una fuente de energía nuclear largamente buscada. Hay otra manera.

Existen enfoques alternativos mucho menos energéticos y menos costosos, como los reactores nucleares de baja energía. En la fusión por confinamiento en red, por ejemplo, las reacciones de fusión se logran dentro de los espacios entre los átomos de un sólido metálico; las condiciones suficientes para la fusión se crean en los confines de la celosía metálica que se mantiene a temperatura ambiente. Mientras que la red metálica, cargada con combustible de deuterio, puede parecer inicialmente a temperatura ambiente, el nuevo método crea un entorno energético dentro de la red en el que los átomos individuales alcanzan energías cinéticas equivalentes al nivel de fusión [5].

Sin embargo, quizá la utilización definitiva del plasma no sea como "combustible" como en los reactores de fusión, en los que el reactante se quema por completo y necesita ser repuesto constantemente, e incluso entonces sólo produce una fracción de la energía total de los núcleos atómicos. En su lugar, el plasma puede utilizarse para acoplarse en resonancia simpática con modos específicos de las fluctuaciones energéticas del propio espacio a escala cuántica: la energía del vacío cuántico. Todas las fuentes y fuerzas energéticas son esencialmente gradientes, por ejemplo: el gradiente electroquímico de una batería, el gradiente de potencial gravitatorio de una presa hidroeléctrica, etc. Por lo tanto, generar un gradiente en las fluctuaciones energéticas del vacío del espacio cuántico puede permitirnos aprovechar esta fuente de energía casi ilimitada, limpia y ubicua... la fuente de energía definitiva. También deberían asignarse recursos importantes a estos campos de investigación.

Referencias

[1] “With historic explosion, a long sought fusion breakthrough.” https://www.science.org/content/article/historic-explosion-long-sought-fusion-breakthrough (accessed Dec. 15, 2022). 

[2] National Ignition Facility & Photon Science. Anatomy of a NIF Shot. (accessed Dec. 15, 2022). 

[3] J. “Nuclear-fusion lab achieves ‘ignition’: what does it mean?,” Tollefson and E. Gibney, Nature, Dec. 2022, doi: 10.1038/d41586-022-04440-7. 

[4] “So, Does Nuclear Fusion Work Now?,” Nitish Pahwa,  

[5] Vladimir Pines, et al., Physical Review C, Volume 101 (April, 2020): “Nuclear fusion reactions in deuterated metals” and “Novel nuclear reactions observed in bremsstrahlung-irradiated deuterated metals.”