Reactores de fusión nuclear

Recientemente se ha puesto en marcha un reactor de fusión en el Instituto Max Planck de física del plasma (Alemania), el Wendelstein 7-X. Aprovecharemos la noticia para hablar un poco sobre dos tipos de reactores de fusión nuclear que son bastante usados en la actualidad. El más popular quizá es el reactor de origen ruso Tokamak. Tiene una geometría de forma toroidal (de donut, para que nos entendamos) y usa confinamiento magnético. Esto significa que el plasma resultante de la fusión nuclear está levitando en su interior, confinamiento magnético. Este mismo sistema se usa en el reactor stellarator (o reactor estelar).

Vamos a entrar un poco en las bases físicas que sostienen todo esto. El plasma es un estado de agregación de la materia por el cual, los electrones de la misma se mueven con libertad por dicho plasma (podríamos definirlo como una especie de fluido). Esto le confiere carga al plasma, por lo que se puede aplicar fuerzas de Lorentz. Dicha fuerza es la recibida por una partícula cargada (el plasma) en el seno de un campo electromagnético. Entonces, si creamos un campo electromagnético uniforme en todas direcciones deberíamos poder contener el plasma en la zona central de una estructura en forma de tubo. El problema de esto es que, el plasma recibiría una fuerza que haría que se saliera de dicho tubo. La solución es sencilla, unir el tubo con si mismo, creando así una estructura de forma toroidal.

Interior del Wendelstein 7-X

Como crear el campo electromagnético es sencillo, se añaden unas bobinas alrededor de la estructura ya descrita. El problema reside en que, en la zona exterior del toro, el campo magnético será menos intenso ya que la superficie en dicha zona es mayor que en la de la parte interior. Esto provoca fluctuaciones que resultan en pérdida de confinamiento de parte del plasma. Debemos entender que dicho confinamiento es necesario, ya que durante la fusión se adquieren temperaturas muy elevadas. El Wendelstein 7-X ha alcanzado temperaturas de un millón de grados Celsius, y se prevé que pueda alcanzar los 100, mayores que las del interior de nuestro Sol. Este plasma en contacto con cualquier material, lo derretiría inmediatamente, perdiéndose así el confinamiento y escapándose el plasma, una catástrofe. Es por esto que es esencial que el plasma levite, y haya el vacío a su alrededor. Recordemos que esencialmente hay tres tipos de transferencia de calor, dicho de forma rápida e imprecisa estarían los de “contacto directo” y de “fluctuación” de un gas o líquido (conducción y convección) y finalmente está el que nos interesa, el de radiación (la “luz” que emite la materia). Al estar en el vacío, no hay aire que pueda calentarse y transferir el calor del plasma a la estructura, y al estar levitando no toca las paredes de la misma. Así que solo hay pérdida por radiación.

Ahora entendemos la importancia del confinamiento electromagnético del plasma. El tokamak soluciona el problema antes descrito, induciendo una corriente en el propio plasma que lo compensa. Las dificultades residen en que este propio flujo de electrones desestabiliza el plasma en si. La solución del stellarator es añadir electroimanes en la zona donde sea requerido, además que las bobinas del mismo son helicoidales y no circulares.

El Wendelstein 7-X en construcción.

El tokamak es especialmente famoso ya que del dicho tipo es el nuevo reactor de fusión ITER que está actualmente en construcción en Francia, y en el proyecto han participado numerosos países tales como EEUU, Japón, la Unión Europea, Rusia, China, la India… Estará en funcionamiento sobre el 2020, y nos ayudará a entender más a fondo la fusión nuclear, y su viabilidad como fuente de energía limpia. Tengamos en cuenta que, no se ha conseguido estabilizar la reacción de fusión para que se obtenga más energía de la que se aporta para “encender” el reactor. Entonces, la fusión nuclear existe y podemos producirla, pero a cambio de pérdida de energía (hecho poco deseable). Un gran punto a favor de este fuente de energía es que, si bien el deuterio es reactivo, los productos de la reacción no lo son (helio, gas inerte y ya existente en relativa abundancia en nuestro planeta), por lo que es una energía limpia.

El complejo del ITER en construcción.

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn

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