miniaturadeimagen|Representación ideal de la central de fusión LIFE.1. El sistema de fusión se encuentra en el gran edificio cilíndrico de contención del centro. LIFE, abreviatura de Laser Inertial Fusion Energy (Energía de Fusión Inercial por Láser), fue un proyecto de energía de fusión llevado a cabo en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore entre 2008 y 2013. LIFE pretendía desarrollar las tecnologías necesarias para convertir el concepto de fusión por confinamiento inercial impulsado por láser que se estaba desarrollando en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en una central eléctrica comercial práctica, un concepto conocido generalmente como energía de fusión inercial (IFE). LIFE utilizaba los mismos conceptos básicos que NIF, pero pretendía abaratar costes utilizando elementos combustibles producidos en serie, un mantenimiento simplificado y láseres de diodo con mayor eficiencia eléctrica.
Se consideraron dos diseños, que funcionaban como sistema de fusión pura o híbrido de fusión-fisión. En el primero, la energía generada por las reacciones de fusión se utiliza directamente. En el segundo, los neutrones desprendidos por las reacciones de fusión se utilizan para provocar reacciones de fisión en un manto circundante de uranio u otro combustible nuclear, y esos eventos de fisión son responsables de la mayor parte de la liberación de energía. En ambos casos, se utilizan sistemas convencionales de turbinas de vapor para extraer el calor y producir electricidad.
La construcción de la NIF finalizó en 2009 y comenzó una larga serie de pruebas de puesta en marcha para alcanzar su plena potencia. A lo largo de 2011 y hasta 2012, el NIF llevó a cabo la "campaña nacional de ignición" para alcanzar el punto en el que la reacción de fusión se vuelve autosostenible, un objetivo clave que es un requisito básico de cualquier sistema práctico de IFE. El NIF fracasó en este objetivo, con un rendimiento de fusión muy por debajo de los niveles de ignición y que difería considerablemente de las predicciones. Con el problema de la ignición sin resolver, el proyecto LIFE se canceló en 2013.
El programa LIFE fue criticado durante su desarrollo por basarse en una física que aún no se había demostrado. En una evaluación mordaz, Robert McCrory, director del Laboratorio de Energía Láser, declaró: "En mi opinión, el exceso de promesas y ventas de LIFE hizo un favor al Laboratorio Lawrence Livermore".Kramer, David (Abril 2014). "Livermore Ends Life". Physics Today. 67 (4): 26–27. Bibcode:2014PhT....67R..26K. doi:10.1063/PT.3.2344.
Antecedentes El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) ha sido líder en la fusión por confinamiento inercial (ICF) impulsada por láser desde que John Nuckols, empleado del LLNL, desarrolló el concepto inicial a finales de los años 50.Nuckolls, John; Wood, Lowell; Thiessen, Albert; Zimmerman, George (1972). "Laser Compression of Matter to Super-High Densities: Thermonuclear (CTR) Applications". Nature. 239 (5368): 139–142. Bibcode:1972Natur.239..139N. doi:10.1038/239139a0. S2CID 45684425. La idea básica consistía en utilizar un impulsor para comprimir una pequeña pastilla conocida como blanco que contiene el combustible de fusión, una mezcla de deuterio (D) y tritio (T). Si la compresión alcanza valores suficientemente altos, comienzan a producirse reacciones de fusión que liberan partículas alfa y neutrones. Las alfa pueden impactar contra los átomos del combustible circundante, calentándolos hasta el punto de que también experimentan la fusión. Si la tasa de calentamiento de las alfa es superior a las pérdidas de calor al medio ambiente, el resultado es una reacción en cadena autosostenida conocida como ignición."How NIF works". Lawrence Livermore National Laboratory.Peterson, Per F. (23/09/1998). "Inertial Fusion Energy: A Tutorial on the Technology and Economics". Archivado del original 2008-12-21.Consultado 2013-10-08.
Si se compara la entrada de energía del impulsor con la salida de energía de fusión, se obtiene un número conocido como factor de ganancia de energía de fusión, denominado Q. Se requiere un valor Q de al menos 1 para que el sistema produzca energía neta. Dado que se necesita cierta energía para hacer funcionar el reactor, para que haya producción eléctrica neta, Q tiene que ser al menos 3. Para el funcionamiento comercial, se necesitan valores de Q muy superiores a éste.Feresin, Emiliano (30 Abril 2010). "Fusion reactor aims to rival ITER". Nature. doi:10.1038/news.2010.214. Para la ICF, se necesitan Q del orden de 25 a 50 para recuperar tanto las pérdidas de generación eléctrica como la gran cantidad de energía utilizada para alimentar el excitador. En el otoño de 1960, el trabajo teórico llevado a cabo en LLNL sugirió que ganancias del orden requerido serían posibles con conductores del orden de 1 MJ.
En aquel momento, se consideraron varios excitadores diferentes, pero la introducción del láser ese mismo año proporcionó la primera solución obvia con la combinación adecuada de características. Las energías deseadas estaban muy por encima del estado del arte en el diseño de láseres, por lo que el LLNL inició un programa de desarrollo a mediados de la década de los 60 para alcanzar estos niveles. Cada aumento de energía daba lugar a fenómenos ópticos nuevos e inesperados que había que superar, pero que se resolvieron en gran medida a mediados de la década de 1970. Trabajando en paralelo con los equipos láser, los físicos que estudiaban la reacción esperada utilizando simulaciones por ordenador adaptadas del trabajo con bombas termonucleares desarrollaron un programa conocido como LASNEX que sugería que Q de 1 podría producirse a niveles de energía mucho más bajos, en el rango del kilojulio, niveles que el equipo láser era ahora capaz de ofrecer.Zimmerman, G (6/10/1977). The LASNEX Code for Inertial Confinement Fusion (Technical report). Lawrence Livermore Laboratory.
Desde finales de los años 70, el LLNL desarrolló una serie de máquinas para alcanzar las condiciones predichas por LASNEX y otras simulaciones. Con cada iteración, los resultados experimentales demostraban que las simulaciones eran incorrectas. La primera máquina, el láser Shiva de finales de los 70, produjo una compresión del orden de 50 a 100 veces, pero no produjo reacciones de fusión ni de lejos cercanas a los niveles esperados. El problema se debió a que la luz infrarroja del láser calentaba los electrones y los mezclaba con el combustible, por lo que se propuso utilizar luz ultravioleta para resolver el problema. Esto se abordó en el láser Nova de la década de 1980, que se diseñó con la intención específica de producir ignición. Nova produjo grandes cantidades de fusión, con disparos que produjeron hasta 107 neutrones, pero no logró la ignición. Esto se debió al aumento de las inestabilidades de Rayleigh-Taylor, que incrementaron en gran medida la potencia requerida del excitador.
Finalmente, se consideró que todos estos problemas estaban bien resueltos y surgió un diseño mucho mayor, el NIF. NIF se diseñó para proporcionar aproximadamente el doble de la energía del excitador requerida, permitiendo cierto margen de error. El diseño del NIF se finalizó en 1994 y su construcción debía concluir en 2002. La construcción comenzó en 1997, pero tardó más de una década en completarse, declarándose finalizada la mayor parte de la construcción en 2009.Parker, Ann (09/2002). "Enpowering Light: Historic Accomplishments in Laser Research". Science & Technology Review. Archivado del original 2015-04-06. Consultado 2015-04-02.
LIFE A lo largo del desarrollo del concepto ICF en LLNL y en otros lugares, se habían realizado varios pequeños esfuerzos para considerar el diseño de una central eléctrica comercial basada en el concepto ICF. Algunos ejemplos son SOLASE-HSOLASE-H, A Laser Fusion Hybrid Study (PDF) (Technical report). Fusion Technology Institute, University of Wisconsin. Mayo 1979. e HYLIFE-II.Moir, Ralph (1992). "HYLIFE-II Inertial Confinement Fusion Power Plant Design" (PDF). Particle Accelerators: 467–480. Archivado del original (PDF) 2015-04-02.Consultado 2015-04-02. A medida que el NIF llegaba a su fin en 2008, con las diversas preocupaciones consideradas resueltas, LLNL comenzó un esfuerzo más serio de desarrollo de la ICF, LIFE.
Híbrido fusión-fisión Cuando se propuso por primera vez el proyecto LIFE, se centró en el concepto híbrido de fusión-fisión nuclear, que utiliza los neutrones rápidos de las reacciones de fusión para inducir la fisión en materiales nucleares fértiles. El concepto híbrido se diseñó para generar energía a partir de combustible nuclear tanto fértil como fisible y para quemar residuos nucleares.Kramer, Kevin J.; Latkowski, Jeffery F.; Abbott, Ryan P.; Boyd, John K.; Powers, Jeffrey J.; Seifried, Jeffrey E. (2009). "Neutron Transport and Nuclear Burnup Analysis for the Laser Inertial Confinement Fusion-Fission Energy (LIFE) Engine" (PDF). Fusion Science and Technology. 56 (2): 625–631. doi:10.13182/FST18-8132. ISSN 1536-1055. OSTI 964093. S2CID 101009479.Moses, Edward I.; Diaz de la Rubia, Tomas; Storm, Erik; Latkowski, Jeffery F.; Farmer, Joseph C.; Abbott, Ryan P.; Kramer, Kevin J.; Peterson, Per F.; Shaw, Henry F. (2009). "A Sustainable Nuclear Fuel Cycle Based on Laser Inertial Fusion Energy" (PDF). Fusion Science and Technology. 56 (2): 547–565. Bibcode:2009FuST...56..547M. doi:10.13182/FST09-34. ISSN 1536-1055. OSTI 957168. S2CID 19428343.Kramer, Kevin James (2010). Laser inertial fusion-based energy: Neutronic design aspects of a hybrid fusion-fission nuclear energy system (PDF). Ph.D. Thesis (Report) La manta de combustible se diseñó para utilizar combustible basado en TRISO refrigerado por una sal fundida hecha de una mezcla de fluoruro de litio (LiF) y fluoruro de berilio (BeF2).Kramer, Kevin J.; Fratoni, Massimiliano; Latkowski, Jeffery F.; Abbott, Ryan P.; Anklam, Thomas M.; Beckett, Elizabeth M.; Bayramian, Andy J.; DeMuth, James A.; Deri, Robert J. (2011). "Fusion-Fission Blanket Options for the LIFE Engine" (PDF). Fusion Science and Technology. 60 (1): 72–77. Bibcode:2011FuST...60...72K. doi:10.13182/FST10-295. ISSN 1536-1055. S2CID 55581271.
Las centrales de fisión convencionales se basan en la reacción en cadena que se produce cuando los sucesos de fisión liberan neutrones térmicos que provocan otros sucesos de fisión. Cada evento de fisión en el U-235 libera dos o tres neutrones con unos 2 MeV de energía cinética. Mediante una disposición cuidadosa y el uso de diversos materiales absorbentes, los diseñadores pueden equilibrar el sistema para que uno de esos neutrones provoque otro evento de fisión mientras que el otro o los otros dos se pierden. Este equilibrio se conoce como criticidad. El uranio natural es una mezcla de tres isótopos; principalmente U-238, con algo de U-235, y trazas de U-234. Los neutrones liberados en la fisión de cualquiera de los isótopos principales provocarán la fisión en el U-235, pero no en el U-238, que requiere energías más altas, en torno a los 5 MeV. No hay suficiente U-235 en el uranio natural para alcanzar la criticidad. Los reactores nucleares comerciales de agua ligera, los reactores de potencia más extendidos en el mundo, utilizan combustible nuclear que contiene uranio enriquecido al 3-5% en U-235, mientras que el sobrante es U-238.