El camino de Marvel Fusion hacia la energía de fusión inercial basada en láser

Marvel Fusion está desarrollando energía de fusión inercial basada en láser económicamente viable a través de avances en tecnología láser, combustibles y conceptos de encendido rápido con el objetivo de proporcionar energía limpia confiable sin desechos radiactivos de larga duración.

Fundada en 2019, Marvel Fusion es una empresa de fusión innovadora en el campo de la energía de fusión inercial basada en láser. La empresa se centra en avances en tecnología láser, combustibles y conceptos de encendido rápido que pueden integrarse en conceptos de objetivos validados y al mismo tiempo allanar el camino para diseños de objetivos de fusión muy avanzados. Para lograr estos objetivos, Marvell Fusion combina nanotecnología, láseres ultrarrápidos e innovaciones avanzadas en combustibles.

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Las plantas de energía de fusión tienen el potencial de proporcionar electricidad de base confiable para respaldar la creciente demanda mundial de energía y al mismo tiempo evitar las emisiones de gases relacionadas con el clima. En comparación, las fuentes de energía renovables fluctuantes son intermitentes y solo pueden contribuir en una proporción limitada sin un almacenamiento de energía a gran escala (varios TWh de capacidad) para mantener la estabilidad general del sistema. A diferencia de la fisión nuclear, la fusión no produce residuos radiactivos de larga duración y su combustible es abundante y está ampliamente disponible.

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Marvel Fusion (MF) es una empresa de fusión que investiga una ruta comercialmente viable hacia la energía de fusión inercial (IFE) basada en láser. Una de sus actividades principales es el desarrollo de conceptos avanzados de ignición rápida que conducirán a nuevos diseños de objetivos, pero que también podrán integrarse en diseños de objetivos existentes1-3. Otro foco importante es el desarrollo de láseres avanzados de estado sólido bombeados por diodos (DPSSL) de banda ultraancha y más. DPSSL opera en regímenes de pulsos ultracortos y largos con alta tasa de repetición, alta energía de pulso, alta eficiencia y bajo costo, lo que lo hace útil como un controlador IFE versátil en una amplia gama de aplicaciones. Marvell Fusion también participa en investigaciones pioneras sobre combustibles criogénicos avanzados con contaminantes controlados y sistemas de combustible no criogénicos que ofrecen beneficios potenciales para la energía de fusión comercial. La siguiente sección proporciona más detalles sobre las actividades de la empresa.

Papel del encendido rápido

Un parámetro importante en el contexto del IFE basado en láser es la llamada ganancia del objetivo QT, definida como la relación entre la energía de fusión y la energía del láser almacenada en el objetivo. Una ganancia objetivo suficiente para aplicaciones de centrales eléctricas estará en el rango QT ≈ 30 – 100, dependiendo de la eficiencia general de la central eléctrica. La ganancia objetivo depende de la conversión de alguna forma de energía láser primaria en energía secundaria útil, seguida de procesos hidrodinámicos y la producción de energía de fusión. Por lo tanto, la ganancia objetivo se puede expresar como QT = ηx ηh ηb utilizando el producto de los tres parámetros de eficiencia. Aquí, el parámetro ηx indica, por ejemplo, la fracción de energía láser que se convierte en portadores de energía secundarios que calientan una parte de la cápsula de combustible, η h indica la eficiencia hidrodinámica, que incluye todos los procesos hidrodinámicos necesarios para comprimir la cápsula de combustible y crear un punto caliente, y ηb indica la amplificación de la fusión por la onda de combustión. En el concepto de objetivo de llama NIF, la fracción de energía láser que se convierte en rayos X que calienta el ablador de la cápsula de fusión es típicamente ηx ≈ 0,1, la eficiencia hidrodinámica del proceso de compresión del combustible y formación de puntos calientes impulsado por el ablador calentado por los rayos X absorbidos en el paso de conversión anterior es ηh ≈ 0,1, y la fracción de energía láser que calienta el ablador de la cápsula de fusión es ηb ≈ Será 400. Eficiencia de las ondas de combustión para producir energía de fusión. El cubo de la eficiencia¹ debe ser lo más grande posible para lograr una alta ganancia objetivo.

En la literatura, se analizan esencialmente dos métodos para encender el combustible, lo que sugiere productos triples de eficiencia sustancialmente diferentes. Uno es el encendido por volumen y el otro es el encendido por punto de acceso. Bajo supuestos ideales, la ignición volumétrica de combustible de deuterio-tritio (DT) requiere que el producto del rango de densidad DT, comúnmente conocido como ρDTR, satisfaga ρDTR > 0,5, mientras que al mismo tiempo la temperatura DT exceda kTe > 6 keV. ⁴ En condiciones realistas, el encendido volumétrico es aún más exigente. La ignición por punto caliente requiere la creación de un punto caliente incrustado en combustible frío que pueda impulsar una onda de combustión. La ignición del punto caliente puede ocurrir si el producto triple ρhDT Rh kThe⁵ excede el siguiente umbral:

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donde ρhDT es la densidad de masa del combustible en el punto caliente, ρcDT es la densidad de masa del combustible frío circundante, Rh es el radio del punto caliente y kThe es la temperatura del punto caliente. En el rango de parámetros relevante, la constante es C ≈ 6 para DT y C ≈ 60 − 150⁴ para DT no criogénico. La densidad se expresa en g/ccm, el radio en cm y la temperatura en keV. La ventaja de la ignición por punto caliente es principalmente que permite controlar los parámetros relevantes del producto triple y el parámetro umbral de 2, lo que implica una ganancia objetivo mejorada.

Las estrategias convencionales de ignición rápida tienen como objetivo aumentar la temperatura kThe de los combustibles densos. Sin embargo, calentar combustible con alta densidad y alta eficiencia es inherentemente difícil. Una estrategia más eficaz es calentar eficientemente el combustible de baja densidad mientras se comprime de forma más moderada el combustible frío circundante. Este enfoque requiere una física avanzada de acoplamiento láser-materia y tecnología láser ultrarrápida. Esto se debe a que el calentamiento del punto caliente debe ser rápido y sincronizado con la compresión del combustible frío. MF sugiere que la ignición ultrarrápida de puntos calientes es posible utilizando la física de acoplamiento altamente eficiente entre pulsos láser ultracortos y materiales nanoestructurados que la empresa está investigando.

El papel de los combustibles avanzados

Actualmente, el hielo DT se utiliza como combustible de fusión principal porque requiere la menor cantidad de ignición. Sin embargo, en un entorno comercial, el DT criogénico contaminado y los compuestos con bajo contenido de Z que contienen DT (ver Tabla 1) pueden ser más adecuados. Algunos de ellos son sólidos, lo que significa que no son criogénicos a temperatura ambiente. Curiosamente, en condiciones ideales, estos combustibles pueden encenderse volumétricamente con ρDTR ≥ 0,35 g cm-2 y kTe ≥ 15 keV, como se muestra en la Fig. 1. Es decir, es un parámetro exigente, pero aún en el mismo orden de magnitud que para el hielo DT bajo los mismos supuestos ideales. Esto se debe a que, como muestra la Figura 2, a temperaturas superiores a 10 keV, la capacidad de absorber energía de fusión in situ aumenta en comparación con la DT.

Papel de las nanobarras

Uno de los elementos centrales de los dispositivos de encendido rápido son las nanobarras. En la Figura 3 se muestra una selección de nanocables de alta calidad fabricados con parámetros apropiados. Al ajustar la longitud, el grosor y el paso del nanocables a la longitud de onda, la intensidad y la energía del pulso láser ultracorto incidente que lo alimenta, se puede optimizar la máxima absorción de energía del láser y su conversión en nuevos portadores de energía útiles. MF ha producido con éxito nanocables de alta calidad en una amplia gama de parámetros, lo que permite la compatibilidad con una amplia gama de condiciones de láser y requisitos de conversión. Los experimentos han demostrado que estos nanocables pueden convertir casi toda la energía láser incidente en portadores de energía secundarios adecuados para el calentamiento eficiente del combustible en escalas de tiempo inferiores a picosegundos. El concepto de encendedor rápido basado en nanocables se puede extender a puntos calientes de múltiples MJ para soportar temperaturas de combustible muy altas kThe en un radio de punto caliente flexible Rh, excediendo así el umbral del producto cúbico requerido ρhDT Rh kThe⁵ en condiciones de punto caliente. ² Este enfoque es muy versátil para obtener objetivos elevados.

El papel de los láseres avanzados

Otro elemento central de un encendedor de alta velocidad es el láser conductor. Los láseres controladores de fusión modernos son modulares, lo que significa que están formados por múltiples subsistemas, algunos que funcionan con pulsos largos y otros que funcionan en un régimen de pulsos ultracortos. Los sistemas de encendido rápido requieren pulsos láser ultracortos y de contraste ultra alto con una potencia y energía de pulso suficientemente altas. Aunque estos láseres estaban fuera de alcance hace apenas unos años, ahora se están volviendo tecnológicamente viables, como se muestra en la Figura 4. De manera similar, los láseres de compresión deben alcanzar niveles apropiados de potencia y energía definidos por los parámetros requeridos para una ignición eficiente de los puntos calientes.

estrategia de la empresa

El acceso limitado a instalaciones láser avanzadas por parte de las empresas comerciales de fusión dificulta la validación experimental de conceptos de objetivos fundamentalmente nuevos. Por lo tanto, MF aprovecha las mejoras en los diseños de objetivos establecidos como un paso significativo y realista hacia la comercialización de la energía de fusión. Además, la empresa está desarrollando nuevos conceptos de objetivos.

MF está investigando nuevos conceptos de ignición rápida que puedan encender una variedad de combustibles, incluida la espuma húmeda, el DT contaminado y una variedad de combustibles avanzados no criogénicos. El concepto de encendedor de la empresa implica el uso de tecnología láser de banda ultraancha avanzada y altamente eficiente. El DPSSL basado en Nd:vidrio de conversión de frecuencia de la compañía, con una eficiencia de toma de pared de aproximadamente el 10 %, sirve como plataforma inicial, pero los sistemas futuros deberían tener un rendimiento significativamente mejorado, lo que permitirá aumentos significativos del rendimiento a un costo menor.

Además de la tecnología de encendido rápido, MF considera avances en láseres eficientes de banda ultraancha bombeados por diodos que sean escalables en términos de energía y potencia promedio y máxima, lo cual es fundamental para allanar el camino hacia IFE basados ​​en láser comercialmente viables.

Referencias

H. Abu-Shawareeb et al. (Colaboración ICF de accionamiento indirecto), “El experimento de fusión inercial supera los criterios de Lawson para el encendido”, Rev. Lett, Phys. 129, 075001 (2022). AL Kritcher et al., “Diseño de experimentos de fusión inercial que exceden el criterio de Lawson para la ignición”, Phys. Rev.E 106, 025201 (2022). V. Gopalaswamy, C. Williams, R. Betti, et al., “Demostración de un plasma de combustión hidrodinámicamente equivalente en fusión por confinamiento inercial de accionamiento directo”, Nature Physics 20, 751–757 (2024). H. Ruhl, C. Bild, O. Pego Jaura, M. Lienert, M. Nöth, R. Ramis Abril y G. Korn, “Propiedades DT no criogénicas y su relevancia para la fusión nuclear”, Journal of Applied Physics 137 (2025). S. Atzeni y J. Meyer-ter Vehn, «Física de la fusión inercial: interacciones haz-plasma, mecánica de fluidos y materia densa a alta temperatura», vol. 125 (OUP Oxford y sus citas, 2004).

Este artículo también se publicará en el número 25 de la revista trimestral.