Desde la producción de radioisótopos para diagnóstico médico hasta el desarrollo de nuevos sistemas de dosimetría adaptados a pulsos ultracortos, los láseres se sitúan en la actualidad en el centro de algunas de las investigaciones más avanzadas en física aplicada.

Texto: Isabel Alonso

Cuando Theodore Maiman encendió en 1960 el primer láser operativo –utilizando un cristal de rubí y una lámpara de xenón– difícilmente podía imaginarse la magnitud que alcanzaría aquella nueva tecnología. Concebidos de forma teórica por Albert Einstein en 1916, al plantear la posibilidad de que un fotón pudiera inducir la emisión de otro fotón idéntico a partir de un átomo excitado, la idea de desarrollarlos comenzó a tomar fuerza a partir de la Segunda Guerra Mundial. Primero dio lugar al máser (microwave amplification by stimulated emission of radiation), cuando en 1954 Charles H. Townes y James Gordon aplicaron este principio a las microondas y, pocos años después, abrió el camino para la creación del láser (light amplification by stimulated emission of radiation). Tras el de Maiman, aparecieron otros basados en helio-neón, neodimio, uranio y los primeros láseres semiconductores de arseniuro de galio. A partir de los primeros años de la década de los sesenta, el láser ya había dejado de ser una curiosidad científica para convertirse en una plataforma tecnológica en rápido crecimiento que se aplicaba en medicina (la primera vez que se utilizó un láser para tratar el desprendimiento de retina fue en 1961, en Nueva York), comunicaciones (en 1966 ya se propuso un modelo de fibra óptica y, en 1980, empezó a plantearse la creación de un cable de fibra óptica trasatlántico), comercio (en 1974 se utilizó por primera vez un escáner láser en un supermercado) e incluso ocio (el primer prototipo de reproductor de CD apareció en 1979, de la mano de Philips). Con el tiempo, los láseres también empezaron a usarse en la industria para cortar, soldar, alinear o inspeccionar componentes con una precisión imposible de alcanzar con herramientas convencionales.

En el ámbito nuclear, no solo comenzaron a utilizarse como instrumento de medición, sino también como herramienta para la descontaminación, el desmantelamiento de instalaciones y la generación de plasmas de alta intensidad, neutrones pulsados o condiciones extremas comparables a las de ciertos procesos nucleares. Además, la tecnología láser ha evolucionado hasta permitir controlar con gran precisión los elementos que determinan su funcionamiento: la duración del pulso, que puede variar desde escalas de milisegundos hasta los femtosegundos (milbillonésima parte de un segundo); la intensidad, que en los láseres más potentes alcanza valores muy elevados, y la longitud de onda, que puede ajustarse. Estos parámetros se combinan para producir un haz de luz direccional y coherente, que tiene la capacidad de generar pulsos muy cortos y con propiedades ópticas estables, lo que, con el tiempo, ha abierto nuevas vías experimentales en campos como la ciencia nuclear.

Láseres y ciencia nuclear

El uso de láseres de ultra alta intensidad en experimentos vinculados a la ciencia nuclear ha experimentado un gran avance en los últimos años. En España, el Centro de Láseres Pulsados (CLPU) de Salamanca cuenta con el láser VEGA3, único del país que puede alcanzar una potencia de hasta un petavatio (mil billones de vatios). Recientemente, este láser ha sido empleado en un experimento que logró producir ¹¹C, radionúclido muy utilizado en tomografía por emisión de positrones (PET). Para ello, se aceleraron protones mediante el propio láser y se realizaron irradiaciones en régimen multidisparo, con frecuencias de repetición comprendidas entre 0,1 y 1 Hz.

El experimento demostró que VEGA3 puede comportarse como fuente estable de protones. De hecho, en una de las campañas más largas –compuesta por 174 disparos consecutivos hacia un blanco de boro de alta pureza y 2  mm de espesor– la energía máxima de los protones permaneció constante, con variaciones inferiores al 10  %. Los resultados confirmaron que la producción de ¹¹C era repetitiva y cuantificable, es decir, podría ser viable emplear fuentes láser-plasma para la producción controlada de radioisótopos, uno de los aspectos que se consideraban limitantes frente a los aceleradores convencionales en la ciencia nuclear experimental.

Del mismo modo, los láseres de alta intensidad pueden generar campos de neutrones. Un ejemplo destacado es el experimento desarrollado en el láser DRACO PW, del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), que demuestra, por primera vez, la posibilidad de realizar espectroscopía de neutrones con resolución de evento individual, utilizando una fuente de neutrones generada íntegramente por un láser de clase petavatio. En este estudio, el láser DRACO produjo pulsos de 30  femtosegundos con energías de hasta 18 julios que, al incidir sobre láminas ultrafinas generaron haces de protones y iones acelerados. La energía de estos protones es suficiente para inducir reacciones nucleares al impactar sobre un segundo material. Además, también se analizó la relación entre resolución energética y longitud del trayecto del neutrón, y se llegó a la conclusión de que los láseres de petavatio podrían servir para diseñar nuevas fuentes compactas de neutrones para laboratorio. 

Sin embargo, los láseres de alta intensidad también plantean retos, por ejemplo, cómo medir la radiación que producen. Los detectores convencionales, diseñados para campos estables o de baja intensidad, funcionan correctamente en entornos industriales, pero, cuando los neutrones llegan en pulsos muy breves e intensos, pueden aparecer efectos de saturación, tiempos muertos significativos o desviaciones en la respuesta del detector.

Para solventarlo, el proyecto LINrem ha desarrollado dos dosímetros, LINrem y LINremext, que registran la carga total depositada por cada estallido de neutrones y permiten reducir los efectos de saturación y las pérdidas asociadas al solapamiento  de eventos, algo esencial cuando se trabaja con láseres pulsados. LINrem, destinado a usos generales en laboratorios y plantas nucleares, pesa menos de 4  kg y es sensible a neutrones de hasta los 10  MeV; mientras que LINremext, pensado para entornos de altas energías, amplía el rango hasta los 10 GeV. En los experimentos llevados a cabo –uno de ellos en el CLPU– se observó una respuesta lineal para valores de dosis por pulso superiores a los 10 nSv (nanosievert o milmillonésima de sievert) por estallido, rango que constituye el límite operativo de muchas soluciones comerciales disponibles en la actualidad. Por ello, el desarrollo de estos dosímetros supone un avance no solo en la capacidad de medir con fiabilidad los pulsos de neutrones generados por láseres de alta intensidad, sino también en la seguridad de los operarios que los manejan al calcular mejor su tasa de exposición.

Tecnología para la fusión nuclear

Desde hace décadas, los láseres de alta potencia son una de las vías exploradas para alcanzar uno de los mayores retos científicos y energéticos del siglo XXI: la fusión nuclear controlada. Según un reciente análisis del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), la fusión se ve cada vez más impulsada por avances técnicos, la llegada de nuevos actores industriales y un incremento de la inversión privada, que en 2025 ya superaba los diez mil millones de dólares a escala global.

Para lograrla, se trabaja desde dos grandes enfoques: el confinamiento magnético, en el que se centra el ITER, y el confinamiento inercial, que utiliza láseres para comprimir y calentar las cápsulas esféricas donde se contienen las pastillas de combustible compuestas por isótopos del hidrógeno, como el deuterio y el tritio, que se combinan a cien millones de grados Celsius para formar núcleos de helio y liberar neutrones. Como indica la OIEA1 , «la elevada temperatura a la que se somete la superficie de la cápsula provoca la microimplosión del combustible y, como resultado, la capa superficial de la pastilla se destruye y explota. La inercia creada por este proceso mantiene el combustible confinado durante un lapso lo suficientemente prolongado como para que se produzcan reacciones de fusión», de modo que se libere cuatro veces más energía de la aportada en un principio. No obstante, uno de los combustibles, el tritio, «es radiactivo y no se encuentra de forma natural en cantidades significativas, sino que hay que producirlo a partir de una reacción nuclear entre los neutrones generados en la fusión y el litio que rodea la pared del reactor». 

En 2022, en la National Ignition Facility (NIF), en Estados Unidos, se logró por primera vez una ganancia energética al obtener más energía procedente de las reacciones de fusión, que la depositada directamente por los láseres sobre el combustible. Esto confirmó que es posible alcanzar las condiciones requeridas para iniciar la fusión termonuclear mediante compresión láser, a pesar de los desafíos que supone. Para que la fusión resulte comercialmente viable, la presión en el punto caliente central del combustible debe alcanzar valores varios miles de millones de veces superiores a la presión atmosférica, lo que asimismo requiere una repetibilidad muy superior a la que se puede lograr en la actualidad. En paralelo a los avances científicos, el OIEA ha reforzado su coordinación internacional en este ámbito mediante nuevos proyectos coordinados de investigación (Coordinated Research Projects, CRP), como la iniciativa Pathways to Energy from Inertial Fusion: Materials Research and Technology Development, que aborda cuestiones centradas en los materiales estructurales, la resistencia a flujos intensos de neutrones, la gestión del calor y el diseño de cámaras de reacción capaces de soportar ciclos repetidos de microexplosiones termonucleares.

Uno de los aspectos centrales en estos estudios es el comportamiento de los materiales sometidos a campos de neutrones rápidos generados en la reacción deuterio-tritio. El neutrón de 14  MeV producido en cada evento de fusión transfiere energía a las estructuras circundantes, induciendo desplazamientos atómicos, activación y degradación mecánica progresiva. Por ello, la investigación actual incluye el desarrollo de nuevos aceros de baja activación, materiales compuestos avanzados y diversas soluciones de blindaje, aunque también otras formas de lograr la fusión, basadas en la física cuántica, tal como se publicó el 20 de enero en Nuclear Science and Techniques2 .

Además de la reacción deuterio-tritio, se investigan otros combustibles y sistemas alternativos, como la fusión protón-boro-11 (p-B¹¹), donde se producirían mayoritariamente partículas alfa en lugar de neutrones, que presenta la ventaja de reducir los problemas de activación estructural. Esta reacción requiere temperaturas mucho más elevadas, por lo que plantea retos adicionales que limitan su viabilidad práctica a escala internacional.

Por su parte, España participa de forma activa en la investigación en fusión a través del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), cuyo Laboratorio Nacional de Fusión desarrolla trabajos tanto en confinamiento magnético como en tecnologías asociadas al confinamiento inercial. El CIEMAT colabora en proyectos vinculados a ITER y a la hoja de ruta europea de fusión coordinada por EUROfusion, y contribuye al estudio de materiales estructurales avanzados, modelización de plasmas y análisis del ciclo del tritio. Asimismo, participa en el desarrollo de capacidades experimentales y diagnósticos para entornos de alta radiación dentro del marco internacional que impulsa la Unión Europea hacia aplicaciones energéticas futuras.