ACERCÁNDONOS A LA FUSIÓN NUCLEAR. Cómo contener el plasma para evitar que escape
En otro artículo se dijo que las reacciones de fusión nuclear emiten energía (de hecho nuestro Sol es un gigantesco reactor de fusión cuyos elementos más ligeros chocan entre sí, transformándose en elementos más pesados y liberando una cantidad colosal de energía). Cosechar esta energía (casi inagotable, bastante más limpia en cuanto a residuos perjudiciales y muy fiable para generar electricidad) ha sido una de las metas más ambiciosas desde la década de 1940, pero controlar la fusión nuclear no es técnicamente sencillo.
También vimos en aquel mismo artículo que, actualmente, una de las reacciones de fusión más prometedoras es la de deuterio y tritio, cuyo logro requiere confinar esos reactivos con una densidad y durante un tiempo suficientes, a una temperatura superior a los 100 millones de kelvin, en estado de plasma. ¡Ningún material es capaz de resistir tales condiciones! ¿Cómo construir, pues, un contenedor para ese plasma?
Embotellando el plasma
Dado que el plasma, recordémoslo, es un gas formado por partículas cargadas eléctricamente, un enfoque idóneo es recluirlo mediante interacciones magnéticas. Sin embargo, conseguir un campo magnético cuya configuración sea capaz de confinar eficazmente el plasma es uno de los mayores retos para controlar la fusión nuclear.
¿De qué modo se puede evitar que las partículas del plasma, que son muy energéticas, se escabullan fuera del reactor? Desde hace mucho se sabe que, en presencia de campos magnéticos, las partículas cargadas siguen trayectorias curvas. Debemos conseguir, pues, que la fuerza magnética que actúa sobre las partículas cargadas del plasma equilibre de modo estable la fuerza con que éstas tienden a escaparse.
Por su mayor grado de desarrollo, nos centraremos en el tokamak, un tipo de configuración magnética cerrada con forma de rosquilla (a estas formas, los matemáticos las denominan toros o toroides).
Existen otros conceptos de contención toroidal con ventajas operativas sobre el tokamak. Tres de los cuales son:
-El stellarator, parecido al tokamak, pero cuyo campo magnético se produce mediante bobinas externas. En este caso la corriente del plasma es esencialmente nula y, por tanto, se evitan los problemas inherentes al mantenimiento de una gran corriente de plasma.
-El dispositivo de estricción magnética de campo invertido (RFP, son sus siglas inglesas), que se distingue del tokamak porque opera con un campo magnético toroidal débil. Resulta así un reactor compacto de alta densidad de potencia con bobinas de cobre (en lugar de superconductoras).
-El denominado toroide compacto, que es una “rosquilla” sin agujero en el centro y, en consecuencia, sin algunas complicaciones de ingeniería.
El tokamak
A mediados de la década de 1960 los físicos soviéticos que estudiaban el plasma introdujeron el confinamiento toroidal. De hecho, tokamak es un acrónimo derivado del ruso (toroidal’naya kamera s magnitnymi katushkami) para el denominado «confinamiento magnético toroidal», que es el esquema de contención magnética más común hoy en día. Que el plasma adopte la forma de una rosquilla sin salirse de la misma se debe a un sistema de campos magnéticos cuyas líneas de fuerza siguen dos direcciones: una poloidal y otra toroidal, tal como se ve en la Figura 1.
La asociación de ambos campos magnéticos, toroidal (en azul) y poloidal (en verde), da como resultado un campo magnético helicoidal orientado verticalmente (en negro). Las fuerzas resultantes de ese campo combinado hacen que las trayectorias de las partículas del plasma describan también hélices horizontales (geometría de tipo “rosquilla”), según se muestra en la Figura 2.
Además, conviene indicar que, para que no pierda rápidamente energía al chocar sus partículas con las moléculas de aire, el plasma debe estar dentro de una cámara de vacío, también, obviamente, con forma de rosquilla.
Calentando el plasma
Ya se ha dicho que para producir reacciones de fusión nuclear hay que calentar el plasma hasta superar unos 100 MK. Sin duda, el efecto combinado de los campos magnéticos empleados para confinar el plasma ayudan a calentar el plasma, pero no bastan. Se requieren formas alternativas de calentamiento y, para ello, se han desarrollado dos métodos:
- Calentamiento por ondas electromagnéticas (cuyo espectro oscila entre las radiofrecuencias y las microondas). Debido a su naturaleza, en el plasma se propagan fácilmente este tipo de ondas. La absorción de energía suele depender de una interacción resonante entre la onda y el plasma.
- Calentamiento por inyección de haces neutros. Consiste en bombardear el plasma con partículas neutras, que se ionizan cuando éstas chocan con aquél. Como el campo magnético de confinamiento impide su salida, las partículas neutras (pero ahora ionizadas) pueden transferir la mayor parte de su energía al plasma.
El confinamiento magnético en la actualidad
Varias décadas investigando la fusión nuclear han producido logros de dos tipos. Por un lado, lo que se conoce sobre la física del plasma ya permite evaluar cuantitativamente muchos aspectos de los reactores de fusión. Y por otro, al cabo lo más interesante desde la perspectiva industrial, el control del plasma ha colocado a los experimentos en un punto en el que la energía de fusión producida es igual a la energía para crear y mantener el plasma.
Se han realizado diversos experimentos con plasma para resolver los problemas de la fusión, pero se destacan tres:
- El Joint European Torus (JET), situado en Culham (Reino unido), actualmente es el mayor tokamak del mundo, y opera sobre la base el Acuerdo Europeo para el Desarrollo de la Fusión (EFDA).
- El Japan Torus-60 (JT-60), sito en Naka (Japón), es un reactor tipo tokamak, buque insignia del programa japonés de investigación en la fusión nuclear.
- El Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), ubicado en Princeton (EEUU).
La construcción actualmente en curso, en Cadarache (Francia), del Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) es el siguiente gran paso. Este dispositivo permitirá investigar no sólo la física de un plasma en ignición sino la tecnología misma del reactor y el desarrollo de nuevos materiales, capaces, por ejemplo, de aguantar el intenso bombardeo de neutrones.
