IV. EL PLASMA Y SU PAPEL EN LA PRODUCCIÓN DE LA FUSIÓN TERMONUCLEAR

DURANTE las tres últimas décadas, la investigación sobre la fusión termonuclear ha estado íntimamente ligada al estudio y entendimiento de los plasmas, y en cierto sentido han formado necesariamente una unidad. Se ha tenido que ir desarrollando la física de los plasmas necesaria para avanzar en el diseño y entendimiento de los experimentos de fusión. Aunque los plasmas ya se estudiaban con anterioridad en relación a las descargas eléctricas en los tubos de vacío y en el estudio del espacio exterior, el advenimiento de los programas de fusión en varios países inyectó un ímpetu extraordinario al trabajo de investigación en esta área. La gran actividad se ha mantenido y el alcance de las investigaciones se ha ampliado con nuevas aplicaciones de los plasmas en otras ramas de la industria.

Como ya se mencionó anteriormente, un plasma es un gas en el que sus componentes están ionizados, es decir, que las moléculas o los átomos que normalmente forman un gas han perdido uno o más electrones. Los electrones permanecen en el gas pero son libres de moverse de manera independiente. Consecuentemente, el gas (ahora plasma) contiene unas partículas con carga positiva y otras con carga negativa. El plasma puede estar ionizado totalmente si todas las partículas están cargadas, o parcialmente, si una fracción de ellas permanece con todos sus electrones, o sea, se mantiene neutra. El hecho de que el gas se encuentre ionizado hace que su comportamiento cambie notablemente, sobre todo porque el efecto de la fuerza eléctrica es de muy largo alcance y hace que las partículas estén acopladas en todo momento; así tiene la capacidad de responder colectivamente a cualquier alteración.

El estudio de un plasma en sí, independientemente de su valor en la fusión termonuclear, es de gran interés por la variedad de fenómenos involucrados en su comportamiento. Tanto macroscópica como microscópicamente, la dinámica del plasma es tan fascinante como compleja. Se presentan en ella fenómenos singulares que en ciertos casos todavía no están bien comprendidos; fenómenos naturales como las Auroras y los relámpagos constituyen algunos ejemplos. En un plasma se puede tener una gran cantidad de ondas de distintas características que comprenden oscilaciones de temperatura, presión, campos eléctricos o campos magnéticos, a diferencia de un gas común en donde sólo hay ondas de presión (sonido). Muchas de estas ondas pueden volverse inestables y crecer indefinidamente, lo que da lugar a un gran número de inestabilidades que pueden afectar fuertemente el estado del plasma. Aquí no explicaremos toda esta gama de fenómenos (lo que podría llenar otro libro) sino sólo aquellos que vayan apareciendo en relación con el problemas de la fusión nuclear.

Hay varias maneras distintas de producir un plasma a partir de un gas. El requisito esencial es suministrarle la suficiente energía para que los electrones ligados a los átomos o moléculas puedan ser desprendidos. Esto se puede lograr, por ejemplo, produciendo una descarga eléctrica a través del gas, o calentándolo hasta temperaturas muy elevadas, o también mediante la incidencia de radiación electromagnética (como la luz) de alta energía. En el primer método se necesita tener un cierto número inicial de electrones para acelerarlos por una caída del potencial (voltaje) establecido dentro del gas. Al chocar los electrones con los constituyentes neutros del gas arrancan un electrón que a su vez es acelerado y se suma a los iniciales. Así se crea una avalancha de electrones que a su paso ionizan cada vez más y más partículas. Este método fue el que primero se utilizó para producir plasmas en el laboratorio, dentro de los tubos de vacío. De hecho, fue de estos dispositivos que surgió el nombre de plasma para designar el extraño gas que se observaba. Irving Langmuir bautizó a los plasmas con este nombre, en 1929, por la aparente similitud de los movimientos oscilatorios de los electrones suspendidos en un mar de iones, con el de los cuerpos transportados por el plasma sanguíneo. En los tubos de vacío se produce la caída de potencial por medio de dos electrodos, y el cátodo (el electrodo de polaridad negativa) emite los electrones necesarios para iniciar la descarga. Las descargas eléctricas son las que se utilizan para producir los plasmas de los tubos de neón que se emplean para alumbrar.

Cuando incide cierto tipo de radiación electromagnética sobre un gas, ésta puede liberar electrones de las moléculas o átomos si su energía es igual o mayor que la energía de amarre del electrón. En este caso un fotón (o corpúsculo de luz) es absorbido, cediéndole su energía al electrón. El mecanismo descrito se llama fotoionización v es el que opera en la parte alta de nuestra atmósfera creando una capa conocida precisamente como ionósfera. La radiación ionizante consta sobre todo de luz ultravioleta, cuya frecuencia es más alta que la luz visible ⁹ , y proviene del Sol. Consecuentemente, la componente ultravioleta de la luz solar es absorbida fuertemente cuando cruza esta capa manteniendo así la ionización y evitando que llegue a la superficie de la Tierra con intensidad.

Un método adicional de obtener un plasma es por medio del calentamiento de un gas, en cuyo caso se incrementa la energía térmica de las moléculas. La temperatura de un sistema puede asociarse microscópicamente con el grado de agitación de las moléculas, las cuales se mueven azarosamente, chocando entre ellas y modificando sus trayectorias. Cuando la temperatura aumenta, las energías de las partículas pueden ser lo suficientemente grandes como para que los electrones ligados sean arrancados en las colisiones entre átomos o moléculas. De acuerdo a este procedimiento se puede pasar de un gas a un plasma simplemente aumentando la temperatura del medio, por lo que puede considerarse como una transición de fase; la secuencia de estados en función de la temperatura será: sólido, líquido, gaseoso y plasma. Por esto, en ocasiones se dice que el plasma es el cuarto estado de la materia.

Existe otra manera un tanto diferente de obtener un plasma, pero que no es aplicable a cualquier gas, por lo que debe considerarse por separado. Se basa en la llamada ionización de contacto que se da para elementos muy propensos a perder un electrón, como los alcalinos. Al entrar un gas de estas características en contacto con un material apropiado, éste absorbe el electrón libre de los átomos del gas, quedando así ionizados. Los electrones son reemitidos y pasan a formar parte del plasma. Aunque es claro que estos plasmas no son de utilidad para la fusión nuclear por sus bajas temperaturas y por el tipo de elemento químico que requieren, se han usado para estudiar propiedades básicas de los plasmas en el laboratorio, teniendo un buen control de la situación. Las máquinas que generan plasmas con este método se llaman máquinas Q (por producir plasmas en calma que en inglés se dice quiescent) y han permitido estudiar con cuidado ondas e inestabilidades en estos medios.

La ocurrencia de plasmas en la naturaleza es bastante más alta de lo que pudiera parecer desde nuestra experiencia en la Tierra. Al ir saliendo de nuestro planeta, ya vimos que nos encontraremos con la ionosfera que es un plasma parcialmente ionizado. De ahí en adelante la mayor parte de la materia que encontremos estará en estado de plasma: el viento solar, la corona del Sol, su interior, las estrellas, el material interestelar, etc. Aparentemente vivimos en un lugar del Universo donde la abundancia de plasma es inversa a la del resto. Los plasmas que podemos ver de cerca sobre la Tierra son creación del hombre; no ocurren naturalmente. La aproximación más cercana a un plasma que podemos tener a nuestro alrededor es el fuego, que en cierto sentido puede considerarse un tipo especial de plasma.¹⁰ .

En contraste, en el cosmos hay plasma en casi todas partes, que desempeña un papel esencial en el comportamiento, la estructura y la evolución del Universo. De toda la variedad de plasmas astronómicos que se presenta, los que más relación tienen con nuestros propósitos termonucleares son los de las estrellas. La razón es que las condiciones del plasma en el interior de una estrella son precisamente del tipo de las que quisiéramos conseguir en un reactor nuclear. De hecho, las estrellas funcionan como gigantescos reactores de fusión termonuclear naturales, generando la enorme cantidad de energía que las mantiene brillando y activas, a partir de la conversión de hidrógeno en helio y posteriormente en elementos más pesados.

En efecto, el proceso de fusión nuclear que tanto queremos llegar a dominar en nuestros laboratorios ha estado operando en todas las estrellas por billones de años. La transformación de hidrógeno en helio en el interior de las estrellas es suficiente para producir toda la energía que necesitan debido al gran potencial de estas reacciones. En una estrella, el confinamiento del plasma no constituye un problema ya que es su propio campo gravitacional el que impide que la materia escape. La existencia de la fusión en las estrellas da una prueba clara de que es posible producir energía por este método de manera "controlada", y ofrece esperanzas de lograrlo en el laboratorio.

Con lo anterior queda claro que producir un plasma para la fusión no es un problema en sí; lo difícil es alcanzar las temperaturas de fusión (cien millones de grados) y controlar el plasma para que toda esta energía no escape. La energía puede perderse de varias maneras. Los procesos más importantes son: a) la pérdida de parte del plasma mismo, llevándose consigo su energía (convección); b) la transferencia de calor hacia el exterior (conducción); y c) la emisión de ondas electromagnéticas (radiación). El primero se puede controlar si se consigue un buen sistema de confinamiento. El último no puede ser eliminado de ninguna manera, pues un plasma tiene todas las cualidades para ser un buen emisor de luz (u otras ondas), así que hay que resignarse a convivir con él. La conducción térmica constituye un problema que todavía no se comprende satisfactoriamente y es quizá el mayor obstáculo que se presenta. A continuación se describirán estos tres mecanismos con mayor detenimiento.

Para entender como radia un plasma caliente debemos fijar la atención en la manera como un átomo emite y absorbe luz. Consideremos una cierta masa de gas a temperatura no muy elevada, de modo que los átomos no estén ionizados. De acuerdo a la teoría cuántica, la energía total de un átomo sólo puede tomar una serie de valores bien definidos a los que se les llama niveles de energía; el nivel con menor energía se denomina estado base. Un átomo en su estado base permanecerá así a menos que reciba energía de una partícula, a través de un choque, o de un fotón, en cuyo caso subirá a un nivel de mayor energía; en este estado se dice que el átomo está excitado. Si se encuentra en un nivel de energía superior, tiende a caer a otro estado con menor energía, que generalmente es el estado base, y la energía perdida será emitida en forma de un fotón. A medida que se sube en la secuencia de niveles sus energías se encuentran cada vez más cercanas, y se aproximan a un valor límite: la energía de ionización. En este estado, un electrón deja de estar acoplado al átomo y se convierte en un electrón libre pero sin velocidad (en reposo). Arriba de este valor, la energía deja de ser discreta y se tiene un continuo de niveles, en los que el electrón ya está libre y el átomo ionizado. Además de haber transiciones entre dos niveles discretos de energía, a los que se les llama estados ligados porque el electrón está ligado al núcleo, puede haber transiciones entre un estado ligado y uno libre (con energía mayor a la de ionización), o transiciones entre dos estados libres. Las transiciones libre-libre se pueden pensar como que un electrón es dispersado por un núcleo, experimentando un cambio de energía, pero en este caso el fotón emitido ya no se halla limitado a valores discretos; la luz emitida puede formar un espectro continuo (el espectro es la descomposición de la luz en las distintas frecuencias).

Si la temperatura de una masa de gas no es muy alta, de modo que la mayoría de los átomos no estén ionizados, la luz emitida vendrá principalmente de transiciones entre estados ligados de energías determinadas. Entonces el espectro estará formado principalmente por una serie de líneas discretas con energías características del tipo de átomo en cuestión. Así, cada elemento atómico tiene su propio espectro de líneas característico, por medio del cual puede identificarse la presencia de dicho elemento. A través de la espectroscopía puede obtenerse información muy valiosa sobre la composición de un plasma y otras propiedades.

Ahora, en un plasma a temperaturas muy elevadas, en el que todos los núcleos han sido despojados de sus electrones, todas las transiciones son del tipo libre-libre, por lo que se emite un espectro continuo. A esta clase de radiación se le ha llamado bremsstrahlung, que en alemán significa radiación de frenado. La idea es que el retardo o frenamiento de los electrones por las fuerzas eléctricas ejercidas por el núcleo le provoca caer a estados de energía más bajos, emitiendo así radiación. La radiación bremsstrahlung siempre estará presente y su magnitud aumenta con la temperatura, como se puede esperar. Es por ello que se incluyó en los criterios de Lawson y de encendido descritos en el capítulo anterior. Es conveniente hacer notar que toda la radiación emitida en cualquier punto del plasma puede atravesarlo sin ser reabsorbida, y escapar al exterior. En este caso se dice que el medio (plasma) es ópticamente delgado.

Es importante mencionar aquí el efecto de las impurezas sobre la pérdida de energía, especialmente por radiación. Impureza es cualquier elemento que no forme parte del material reactante (isótopos del hidrógeno) y con número atómico mayor. La presencia de elementos más pesados aumenta mucho las pérdidas por bremsstrahlung; puesto que la fuerza eléctrica que origina el frenado de los electrones aumenta con la carga del núcleo (Z), y la potencia radiada depende fuertemente del número atómico (crece como Z²). Además es muy probable que las impurezas no hayan perdido todos sus electrones, de modo que los que quedan en estados ligados pueden emitir radiación en líneas por transiciones ligado-ligado. Esto aumenta las pérdidas por radiación y, por lo tanto, es importante que se mantenga el plasma limpio, libre de impurezas, para lo cual hay que evitar el contacto directo con las paredes del recipiente contenedor.

Este último punto se puede lograr cuando el confinamiento del plasma es adecuado. El problema del confinamiento entra también en relación al otro mecanismo de pérdida de energía mencionado arriba: la convección. Esta cuestión es muy importante, pues la existencia misma del plasma depende del confinamiento. Se ha comentado ya sobre los distintos tipos de confinamiento que se investigan y se ahondará en ellos en capítulos subsiguientes, por lo que aquí no trataremos más este tema.

Las pérdidas de energía por conducción térmica son las que más dolores de cabeza han causado a los físicos de plasmas, debido a su aparente incapacidad para explicarlas y predecirlas. Inicialmente se creía que el transporte de energía por conducción era producido por las colisiones entre partículas, que se van transfiriendo la energía de unas a otras, tal y como ocurre en un gas común y corriente. Sin embargo, desde que se empezaron a realizar los primeros experimentos, especialmente con confinamiento magnético, se encontró que la conducción térmica medida era muchísimo (unas cien veces) mayor que la esperada con el transporte colisional, también llamado transporte clásico. Fue entonces que se reconoció que este transporte anómalo debía ser producido por inhomogeneidades de tamaños muy pequeños que fluctúan en el tiempo, dando lugar a transferencias de energía muy eficientes hacia el exterior. Estas fluctuaciones pueden ser fácilmente producidas en un plasma por alguna de las distintas inestabilidades que el plasma puede desarrollar.

Las fluctuaciones microscópicas de los campos eléctricos y magnéticos que se producen en un plasma y la interacción mutua dan lugar a un estado turbulento. La presencia de turbulencia parece ser un factor ineludible que afecta a todos los plasmas, y su estudio es indispensable para comprender el transporte anómalo. Si se quiere llegar a controlar las pérdidas por conducción necesitamos saber con certeza cuál es su causa, para así idear las maneras de combatirlas. Lamentablemente este problema es sumamente complejo y se ha avanzado poco al respecto a pesar del gran trabajo invertido. Actualmente, éste constituye el tema de mayor actividad en la investigación de plasmas para fusión.

Atendamos ahora la cuestión de las altas temperaturas necesarias en el plasma termonuclear. Está claro que una vez que se haya conseguido tener y confinar un plasma, se debe de continuar dándole energía para incrementar aún más la temperatura. ¿De qué manera se puede calentar un plasma hasta las temperaturas requeridas? Existen varios métodos, algunos más adecuados que otros, según las circunstancias y las características del plasma. Uno de los más comunes se basa en la idea de las descargas eléctricas empleadas para producir al plasma, que se describió previamente. Al crear una diferencia de potencial el campo eléctrico asociado a ésta acelera las partículas cargadas, en este caso los iones y los electrones, que como tienen cargas opuestas se aceleran en direcciones contrarias. La energía que ganan es proporcional al campo eléctrico y a la distancia recorrida. Sin embargo, los iones tienen una masa miles de veces mayor que la de los electrones, así que se mueven mucho más lentamente. Esto ocasiona que los electrones puedan seguir ganando energía más rápidamente que los iones y su velocidad siga aumentando. Esta energía de movimiento se da a lo largo de la dirección del campo eléctrico, pero como las partículas sufren colisiones y se deflectan, se distribuye hacia todas las direcciones, convirtiéndose en energía térmica. Éste es el mismo mecanismo por el cual se calienta un alambre al pasar una corriente eléctrica y se le llama calentamiento Joule o calentamiento óhmico. Con este proceso los electrones se calientan más que los iones, lo que no es deseable para la fusión pues son los iones los que deben tener altas energías para que se den las reacciones. Si la densidad no es muy baja y la velocidad de los electrones no es muy elevada, éstos transfíeren energía a los iones por medio de los choques, de modo que con el tiempo las temperaturas de electrones e iones tienden a igualarse.

El calentamiento óhmico depende fundamentalmente de las colisiones entre partículas. Debido a la naturaleza de la fuerza eléctrica, la frecuencia de colisiones va disminuyendo a medida que la velocidad de las partículas aumenta. Por lo tanto, este tipo de calentamiento pierde efectividad al ir incrementándose la temperatura. De hecho, no se piensa que se pueda llegar más que a temperaturas de unos cuantos keV, con este método. Otras formas de calentamiento se pueden combinar con éste para alcanzar mayores temperaturas. Entre las alternativas están: la compresión adiabática, la inyección de partículas energéticas y el calentamiento por ondas de radio.

La compresión adiabática se basa en el hecho de que si a un sistema termodinámico (el plasma) se le comprime lo suficientemente rápido como para que el contenido de calor no cambie (proceso adiabático), la temperatura aumenta. Los valores que se alcanzan para la temperatura con este método están limitados por las dimensiones del dispositivo usado en la compresión. Normalmente esto se usa como complemento a un calentamiento de otro tipo, aunque en el confinamiento inercial la compresión es el mecanismo básico tanto para generar como para calentar al plasma. Los otros dos métodos se están empezando a usar extensivamente para llegar a temperaturas de 10 keV o más. En uno se usan átomos neutros acelerados previamente que, al hacerlos penetrar en el plasma, se ionizan y le transmiten su energía al resto de sus partículas. En el otro se lanzan ondas de radio cuyas frecuencias coincidan con alguna de las frecuencias naturales de oscilación del plasma, de modo que pueda entrar en resonancia y absorber la energía de la onda. Estos métodos se discutirán más adelante.

Un problema importante que se presenta con un plasma es cómo medir desde el exterior sus propiedades físicas, como densidad, temperatura, velocidad, etc. El problema de diagnosticar el estado del plasma surge de la imposibilidad de meterse dentro de él, pues se alterarían las condiciones, además de arruinar los aparatos de medición y de contaminar el gas. Por ello se tienen que emplear métodos indirectos de medición, como el análisis de la radiación emitida por el plasma. Para empeorar las cosas, las mediciones tienen que ser hechas en fracciones de segundo, a veces menos de un microsegundo (10-⁶seg). Para dar una idea del trabajo que representa obtener la más sencilla estimación cuantitativa acerca del estado de un plasma, mencionaremos, sin dar detalles, algunos de los métodos más usados para su diagnóstico.

Usando la radiación emitida se tienen dos posibilidades de diagnóstico: 1) emisión de líneas (que pueden venir de los iones principales o de impurezas); al analizar su espectro, del ancho de las líneas y las intensidades relativas se puede obtener información sobre la temperatura y densidad de los iones; 2) bremsstrahlung, que, por ser emitida por electrones, puede dar información acerca de la temperatura y densidad de éstos. A temperaturas altas en que ya se tengan suficientes reacciones termonucleares, los neutrones emitidos pueden usarse para conocer la temperatura iónica. También pueden conocerse densidades y temperaturas de electrones observando la dispersión (de Thomson) de un haz de luz láser enviado a través del plasma.

Por último mencionaremos que un plasma, al estar formado por partículas cargadas, tiene una respuesta muy fuerte a la presencia de campos eléctricos o magnéticos. En caso de tenerse un campo eléctrico, las partículas de cargas opuestas se separan moviéndose rápidamente para cancelar el campo. Por lo tanto no es posible tener campos eléctricos a gran escala y por tiempos largos dentro de un plasma. Cualquier exceso de carga que aparezca en algún punto será cancelado por una acumulación de partículas de carga opuesta en torno a este punto, y sólo se sentirá su efecto dentro de la región donde se está teniendo la acumulación. El tamaño de esta región está determinado por la longitud de Debye, que es un parámetro característico del plasma que depende de su densidad y temperatura. Por ejemplo, para un plasma termonuclear la longitud de Debye es de unas centésimas de milímetro, mientras que para el plasma interestelar alcanza algunos metros. Debido a esta propiedad de apantallamiento de cargas eléctricas, el plasma siempre forma un sistema cuasineutro, es decir existe el mismo número de partículas positivas que de negativas. Así, aun cuando está formado por partículas cargadas, globalmente el plasma no tiene carga.

La situación con respecto a los campos magnéticos es diferente puesto que éstos en lugar de ser neutralizados modifican el movimiento de las partículas, de forma que sus desplazamientos en dirección perpendicular a la del campo son reducidos. Es por esto que se pueden emplear para confinar plasmas, como se verá en el siguiente capítulo. El plasma a su vez actúa sobre el campo magnético modificándolo, creándose una íntima interrelación entre plasma y campo.