La fusión nuclear para la generación controlada y regular de energía eléctrica mediante la conversión del hidrógeno en helio y la reproducción a pequeña escala de lo que ocurre dentro de las estrellas es una de las principales promesas tecnológicas de las próximas décadas. Hasta aquí, sólo se han obtenido resultados limitados en experimentos de laboratorio. Ahora, en el sur de Francia se está construyendo un prototipo de reactor llamado ITER. Su capacidad de diseño es de 500 megavatios, y el plan es entrar en funcionamiento en 2025. Los miembros del consorcio ITER son China, la Unión Europea, India, Japón, Rusia, Corea del Sur y Estados Unidos. Se espera que el coste del megaproyecto supere los 20.000 millones de euros.
ITER no capturará la energía que produce como electricidad, pero será el primer tokamak en producir energía neta, es decir., más potencia que la cantidad de energía térmica inyectada para calentar el plasma. Permitirá a los científicos aprender más sobre el manejo de las múltiples complejidades técnicas de la fusión nuclear, allanando el camino para las máquinas que lo utilizan para suministrar electricidad a la red. El término tokamak proviene del acrónimo ruso de cámara toroidal con bobinas magnéticas.
Será fundamental garantizar que el proceso de fusión nuclear pueda volverse autosostenible y evitar pérdidas de energía a través de la radiación electromagnética y las partículas alfa. ya que estas pérdidas permitirían que el reactor se enfriara. Los resultados experimentales observados durante los últimos 20 años han demostrado que la forma en que los iones rápidos (incluidas las partículas alfa) se expulsan del plasma varía mucho de un tokamak a otro. Hasta hace poco, nadie entendió qué condiciones experimentales determinaban este comportamiento.
El problema ha sido aclarado ahora por Vinícius Njaim Duarte, un joven investigador brasileño. Duarte se encuentra actualmente involucrado en una investigación postdoctoral en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) en los EE. UU. Es el autor principal del artículo, titulado "Teoría y observación de la aparición de estructuras no lineales debido a la desestabilización del modo propio por iones rápidos en tokamaks, "publicado en el Revista Física de Plasmas .
La investigación de Duarte atrajo tanta atención que los investigadores del tokamak más grande de EE. UU., DIII-D, realizó experimentos para probar el modelo que propuso. Los resultados confirmaron las predicciones del modelo.
El físico Ricardo Magnus Osório Galvão dijo:"Las ondas electromagnéticas excitadas por partículas rápidas en tokamaks pueden mostrar variaciones repentinas de frecuencia, conocido como chirrido. Nadie entendió por qué sucedía esto en algunas máquinas y no en otras. Usando modelos numéricos complejos y datos experimentales, Duarte demostró que si se produce un chirrido o no, y por lo tanto la naturaleza de las pérdidas de partículas y energía, depende del nivel de turbulencia en el plasma confinado en el tokamak. En este plasma tienen lugar reacciones de fusión nuclear. El chirrido se produce si no es muy turbulento. Con severa turbulencia, no hay chirridos ".
La fusión nuclear es distinta de la fisión nuclear, el proceso utilizado en las plantas de energía nuclear existentes en el mundo. En fisión, los núcleos atómicos de elementos pesados como el uranio 235 se dividen en núcleos de elementos más ligeros:criptón y bario, en este caso. Esta fisión libera energía, radiación electromagnética, y neutrones que a su vez se dividen en una reacción en cadena que mantiene el proceso en marcha.
En fusión nuclear, los núcleos atómicos de elementos más ligeros como los isótopos de hidrógeno deuterio (un protón y un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) se fusionan para formar núcleos de elementos más pesados; en este caso, helio (dos protones y dos neutrones) y libera energía.
"Para que la fusión nuclear sea posible, es necesario superar la repulsión electrostática entre iones positivos, "Explicó Galvão." Esto solo sucede si el plasma formado por los núcleos de los elementos ligeros se calienta a temperaturas extremadamente altas, del orden de decenas a cientos de millones de grados Celsius ".
En ITER, por ejemplo, 840 metros cúbicos de plasma se calientan a 150 millones de grados Celsius, más de diez veces la temperatura del núcleo del sol. "A ese tipo de temperatura, alcanzas el punto de equilibrio energético. La energía liberada por las reacciones de fusión es suficiente para igualar la energía requerida para calentar el plasma, "Dijo Galvão.
El proceso tiene lugar en la cámara toroidal dentro del tokamak. Un toro tiene forma de rosquilla. El sólido contenido por la superficie se conoce como toroide.
El proceso de fusión nuclear se desarrolla de la siguiente manera:se produce un vacío en la cámara, que luego se llena de gas. Una descarga eléctrica ioniza el gas, que se calienta mediante ondas de radio de alta frecuencia. Un campo eléctrico inducido en la cámara toroidal somete al gas a una corriente extremadamente intensa (aproximadamente 1 millón de amperios, en el caso de DIII-D), que calienta el gas aún más a través del efecto Joule. Las ondas electromagnéticas inyectan aún más energía hasta que se alcanza la temperatura requerida para desencadenar la fusión nuclear. Incluso un pequeño tokamak, como el instalado en la Universidad de São Paulo, alcanza temperaturas del orden de 100 millones de grados.
"A estas temperaturas extremadamente altas, los iones vibran con tanta fuerza que chocan y superan la repulsión electrostática, "Dijo Galvão." Un poderoso campo magnético confina el flujo de plasma y lo mantiene alejado de las paredes del recipiente. Las partículas alfa altamente energizadas [núcleos de helio] chocan con otras partículas en el plasma, mantenerlo caliente y mantener la reacción de fusión ".
Una analogía sugerida por Galvão sería una hoguera hecha con madera húmeda, que no se incendia fácilmente al principio, pero que se enciende eventualmente después de que se alcanza una cierta temperatura, y la combustión cada vez más estable produce suficiente energía para superar la humedad. El plasma alcanza el punto de ignición cuando las partículas alfa comienzan a retroalimentarse constantemente en el proceso.
Entre las muchas ventajas de la fusión sobre la fisión está el hecho de que la fusión implica un mecanismo de autocontrol:una vez que se alcanza el punto de ignición, si este nivel de temperatura se excede significativamente, en otras palabras, si el plasma se sobrecalienta, la reacción se ralentiza automáticamente. Por lo tanto, fusión del reactor, una de las complicaciones más peligrosas de los accidentes en las centrales eléctricas que utilizan la fisión nuclear, no podría suceder en una planta de fusión nuclear.
El problema es que la interacción resonante entre las partículas alfa y las ondas presentes en el plasma puede excitar oscilaciones electromagnéticas, o incluso conducir a la expulsión de partículas alfa. Esto puede causar pérdida de energía. enfriamiento del plasma y posible interrupción de la fusión nuclear. Comprender las causas de este problema y los factores que pueden prevenirlo es fundamental para asegurar la sostenibilidad del proceso y el uso de la fusión nuclear como fuente viable de electricidad.
"Lo que encontró Duarte es que este resultado ocurre de manera autoorganizada, con la producción de chirridos, si el plasma no es muy turbulento. Si la turbulencia es alta, sin embargo, no lo hace "Dijo Galvão [ver más abajo una entrevista con Vinícius Njaim Duarte].
El meollo del problema es que en un fluido muy turbulento, no hay dirección preferencial, Galvão explicó, ofreciendo otra analogía para ayudar a ilustrar su significado.
"Cuando calientas el agua lentamente, crea una celda de convección en el contenedor. El agua caliente sube y fregaderos de agua fría. Esto continúa hasta que toda el agua alcanza el punto de ebullición, ", dijo." El medio se vuelve turbulento, la celda de convección está destruida, y la energía se esparce indiscriminadamente en todas direcciones. Esto también ocurre en el plasma confinado magnéticamente. Su ocurrencia impide la creación de un sistema autoorganizado que sostiene una onda electromagnética asociada indeseable. No hay suficiente coherencia para que se generen ondas. Entonces no ocurre la pérdida de energía que terminaría con el proceso de fusión.
"Duarte ya había publicado un artículo sobre este modelo durante su investigación de doctorado, pero nadie había realizado un experimento para controlar el nivel de turbulencia y ver si el modelo se aplicaba o no. Esto ahora ha sido realizado por General Atomics en DIII-D, específicamente para probar el modelo, lo cual fue probado por el resultado ".
Los físicos experimentales ya sabían empíricamente cómo inducir turbulencias más altas o más bajas, pero no sabían que esto afectaría la naturaleza espectral de las ondas asociadas con la estructura de las partículas. La contribución de Duarte consiste en identificar el mecanismo de control clave y explicar por qué. En términos de aplicaciones tecnológicas, esto establece una turbulencia óptima, suficiente para evitar la pérdida de energía y partículas autoorganizadas, pero no lo suficiente como para tener otros efectos indeseables sobre el confinamiento general del plasma.
Hasta ahora, Los tokamaks se han utilizado a escala de laboratorio. ITER será el primer prototipo de un tokamak capaz de generar electricidad de forma eficiente mediante fusión nuclear. El uso de la fusión nuclear controlada no es controvertido, pero según sus defensores, es seguro, puede producir una cantidad de energía prácticamente ilimitada, y no genera residuos radiactivos, al igual que los reactores de fisión.
