IV. EL PLASMA Y SU PAPEL EN LA PRODUCCI�N DE LA FUSI�N TERMONUCLEAR

DURANTE las tres �ltimas d�cadas, la investigaci�n sobre la fusi�n termonuclear ha estado �ntimamente ligada al estudio y entendimiento de los plasmas, y en cierto sentido han formado necesariamente una unidad. Se ha tenido que ir desarrollando la f�sica de los plasmas necesaria para avanzar en el dise�o y entendimiento de los experimentos de fusi�n. Aunque los plasmas ya se estudiaban con anterioridad en relaci�n a las descargas el�ctricas en los tubos de vac�o y en el estudio del espacio exterior, el advenimiento de los programas de fusi�n en varios pa�ses inyect� un �mpetu extraordinario al trabajo de investigaci�n en esta �rea. 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 mencion� anteriormente, un plasma es un gas en el que sus componentes est�n ionizados, es decir, que las mol�culas o los �tomos que normalmente forman un gas han perdido uno o m�s electrones. Los electrones permanecen en el gas pero son libres de moverse de manera independiente. Consecuentemente, el gas (ahora plasma) contiene unas part�culas con carga positiva y otras con carga negativa. El plasma puede estar ionizado totalmente si todas las part�culas est�n cargadas, o parcialmente, si una fracci�n 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 el�ctrica es de muy largo alcance y hace que las part�culas est�n acopladas en todo momento; as� tiene la capacidad de responder colectivamente a cualquier alteraci�n.

El estudio de un plasma en s�, independientemente de su valor en la fusi�n termonuclear, es de gran inter�s por la variedad de fen�menos involucrados en su comportamiento. Tanto macrosc�pica como microsc�picamente, la din�mica del plasma es tan fascinante como compleja. Se presentan en ella fen�menos singulares que en ciertos casos todav�a no est�n bien comprendidos; fen�menos naturales como las Auroras y los rel�mpagos constituyen algunos ejemplos. En un plasma se puede tener una gran cantidad de ondas de distintas caracter�sticas que comprenden oscilaciones de temperatura, presi�n, campos el�ctricos o campos magn�ticos, a diferencia de un gas com�n en donde s�lo hay ondas de presi�n (sonido). Muchas de estas ondas pueden volverse inestables y crecer indefinidamente, lo que da lugar a un gran n�mero de inestabilidades que pueden afectar fuertemente el estado del plasma. Aqu� no explicaremos toda esta gama de fen�menos (lo que podr�a llenar otro libro) sino s�lo aquellos que vayan apareciendo en relaci�n con el problemas de la fusi�n nuclear.

Hay varias maneras distintas de producir un plasma a partir de un gas. El requisito esencial es suministrarle la suficiente energ�a para que los electrones ligados a los �tomos o mol�culas puedan ser desprendidos. Esto se puede lograr, por ejemplo, produciendo una descarga el�ctrica a trav�s del gas, o calent�ndolo hasta temperaturas muy elevadas, o tambi�n mediante la incidencia de radiaci�n electromagn�tica (como la luz) de alta energ�a. En el primer m�todo se necesita tener un cierto n�mero inicial de electrones para acelerarlos por una ca�da del potencial (voltaje) establecido dentro del gas. Al chocar los electrones con los constituyentes neutros del gas arrancan un electr�n que a su vez es acelerado y se suma a los iniciales. As� se crea una avalancha de electrones que a su paso ionizan cada vez m�s y m�s part�culas. Este m�todo fue el que primero se utiliz� para producir plasmas en el laboratorio, dentro de los tubos de vac�o. De hecho, fue de estos dispositivos que surgi� el nombre de plasma para designar el extra�o gas que se observaba. Irving Langmuir bautiz� 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 sangu�neo. En los tubos de vac�o se produce la ca�da de potencial por medio de dos electrodos, y el c�todo (el electrodo de polaridad negativa) emite los electrones necesarios para iniciar la descarga. Las descargas el�ctricas son las que se utilizan para producir los plasmas de los tubos de ne�n que se emplean para alumbrar.

Cuando incide cierto tipo de radiaci�n electromagn�tica sobre un gas, �sta puede liberar electrones de las mol�culas o �tomos si su energ�a es igual o mayor que la energ�a de amarre del electr�n. En este caso un fot�n (o corp�sculo de luz) es absorbido, cedi�ndole su energ�a al electr�n. El mecanismo descrito se llama fotoionizaci�n v es el que opera en la parte alta de nuestra atm�sfera creando una capa conocida precisamente como ion�sfera. La radiaci�n ionizante consta sobre todo de luz ultravioleta, cuya frecuencia es m�s 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 as� la ionizaci�n y evitando que llegue a la superficie de la Tierra con intensidad.

Un m�todo adicional de obtener un plasma es por medio del calentamiento de un gas, en cuyo caso se incrementa la energ�a t�rmica de las mol�culas. La temperatura de un sistema puede asociarse microsc�picamente con el grado de agitaci�n de las mol�culas, las cuales se mueven azarosamente, chocando entre ellas y modificando sus trayectorias. Cuando la temperatura aumenta, las energ�as de las part�culas pueden ser lo suficientemente grandes como para que los electrones ligados sean arrancados en las colisiones entre �tomos o mol�culas. 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 transici�n de fase; la secuencia de estados en funci�n de la temperatura ser�: s�lido, l�quido, 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 ionizaci�n de contacto que se da para elementos muy propensos a perder un electr�n, como los alcalinos. Al entrar un gas de estas caracter�sticas en contacto con un material apropiado, �ste absorbe el electr�n libre de los �tomos del gas, quedando as� ionizados. Los electrones son reemitidos y pasan a formar parte del plasma. Aunque es claro que estos plasmas no son de utilidad para la fusi�n nuclear por sus bajas temperaturas y por el tipo de elemento qu�mico que requieren, se han usado para estudiar propiedades b�sicas de los plasmas en el laboratorio, teniendo un buen control de la situaci�n. Las m�quinas que generan plasmas con este m�todo se llaman m�quinas Q (por producir plasmas en calma que en ingl�s se dice quiescent) y han permitido estudiar con cuidado ondas e inestabilidades en estos medios.

La ocurrencia de plasmas en la naturaleza es bastante m�s 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 ah� en adelante la mayor parte de la materia que encontremos estar� 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 creaci�n del hombre; no ocurren naturalmente. La aproximaci�n m�s 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 desempe�a un papel esencial en el comportamiento, la estructura y la evoluci�n del Universo. De toda la variedad de plasmas astron�micos que se presenta, los que m�s relaci�n tienen con nuestros prop�sitos termonucleares son los de las estrellas. La raz�n es que las condiciones del plasma en el interior de una estrella son precisamente del tipo de las que quisi�ramos conseguir en un reactor nuclear. De hecho, las estrellas funcionan como gigantescos reactores de fusi�n termonuclear naturales, generando la enorme cantidad de energ�a que las mantiene brillando y activas, a partir de la conversi�n de hidr�geno en helio y posteriormente en elementos m�s pesados.

En efecto, el proceso de fusi�n nuclear que tanto queremos llegar a dominar en nuestros laboratorios ha estado operando en todas las estrellas por billones de a�os. La transformaci�n de hidr�geno en helio en el interior de las estrellas es suficiente para producir toda la energ�a 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 fusi�n en las estrellas da una prueba clara de que es posible producir energ�a por este m�todo de manera "controlada", y ofrece esperanzas de lograrlo en el laboratorio.

Con lo anterior queda claro que producir un plasma para la fusi�n no es un problema en s�; lo dif�cil es alcanzar las temperaturas de fusi�n (cien millones de grados) y controlar el plasma para que toda esta energ�a no escape. La energ�a puede perderse de varias maneras. Los procesos m�s importantes son: a) la p�rdida de parte del plasma mismo, llev�ndose consigo su energ�a (convecci�n); b) la transferencia de calor hacia el exterior (conducci�n); y c) la emisi�n de ondas electromagn�ticas (radiaci�n). El primero se puede controlar si se consigue un buen sistema de confinamiento. El �ltimo no puede ser eliminado de ninguna manera, pues un plasma tiene todas las cualidades para ser un buen emisor de luz (u otras ondas), as� que hay que resignarse a convivir con �l. La conducci�n t�rmica constituye un problema que todav�a no se comprende satisfactoriamente y es quiz� el mayor obst�culo que se presenta. A continuaci�n se describir�n estos tres mecanismos con mayor detenimiento.

Para entender como radia un plasma caliente debemos fijar la atenci�n en la manera como un �tomo emite y absorbe luz. Consideremos una cierta masa de gas a temperatura no muy elevada, de modo que los �tomos no est�n ionizados. De acuerdo a la teor�a cu�ntica, la energ�a total de un �tomo s�lo puede tomar una serie de valores bien definidos a los que se les llama niveles de energ�a; el nivel con menor energ�a se denomina estado base. Un �tomo en su estado base permanecer� as� a menos que reciba energ�a de una part�cula, a trav�s de un choque, o de un fot�n, en cuyo caso subir� a un nivel de mayor energ�a; en este estado se dice que el �tomo est� excitado. Si se encuentra en un nivel de energ�a superior, tiende a caer a otro estado con menor energ�a, que generalmente es el estado base, y la energ�a perdida ser� emitida en forma de un fot�n. A medida que se sube en la secuencia de niveles sus energ�as se encuentran cada vez m�s cercanas, y se aproximan a un valor l�mite: la energ�a de ionizaci�n. En este estado, un electr�n deja de estar acoplado al �tomo y se convierte en un electr�n libre pero sin velocidad (en reposo). Arriba de este valor, la energ�a deja de ser discreta y se tiene un continuo de niveles, en los que el electr�n ya est� libre y el �tomo ionizado. Adem�s de haber transiciones entre dos niveles discretos de energ�a, a los que se les llama estados ligados porque el electr�n est� ligado al n�cleo, puede haber transiciones entre un estado ligado y uno libre (con energ�a mayor a la de ionizaci�n), o transiciones entre dos estados libres. Las transiciones libre-libre se pueden pensar como que un electr�n es dispersado por un n�cleo, experimentando un cambio de energ�a, pero en este caso el fot�n emitido ya no se halla limitado a valores discretos; la luz emitida puede formar un espectro continuo (el espectro es la descomposici�n de la luz en las distintas frecuencias).

Si la temperatura de una masa de gas no es muy alta, de modo que la mayor�a de los �tomos no est�n ionizados, la luz emitida vendr� principalmente de transiciones entre estados ligados de energ�as determinadas. Entonces el espectro estar� formado principalmente por una serie de l�neas discretas con energ�as caracter�sticas del tipo de �tomo en cuesti�n. As�, cada elemento at�mico tiene su propio espectro de l�neas caracter�stico, por medio del cual puede identificarse la presencia de dicho elemento. A trav�s de la espectroscop�a puede obtenerse informaci�n muy valiosa sobre la composici�n de un plasma y otras propiedades.

Ahora, en un plasma a temperaturas muy elevadas, en el que todos los n�cleos 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 radiaci�n se le ha llamado bremsstrahlung, que en alem�n significa radiaci�n de frenado. La idea es que el retardo o frenamiento de los electrones por las fuerzas el�ctricas ejercidas por el n�cleo le provoca caer a estados de energ�a m�s bajos, emitiendo as� radiaci�n. La radiaci�n bremsstrahlung siempre estar� presente y su magnitud aumenta con la temperatura, como se puede esperar. Es por ello que se incluy� en los criterios de Lawson y de encendido descritos en el cap�tulo anterior. Es conveniente hacer notar que toda la radiaci�n 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 �pticamente delgado.

Es importante mencionar aqu� el efecto de las impurezas sobre la p�rdida de energ�a, especialmente por radiaci�n. Impureza es cualquier elemento que no forme parte del material reactante (is�topos del hidr�geno) y con n�mero at�mico mayor. La presencia de elementos m�s pesados aumenta mucho las p�rdidas por bremsstrahlung; puesto que la fuerza el�ctrica que origina el frenado de los electrones aumenta con la carga del n�cleo (Z), y la potencia radiada depende fuertemente del n�mero at�mico (crece como Z²). Adem�s es muy probable que las impurezas no hayan perdido todos sus electrones, de modo que los que quedan en estados ligados pueden emitir radiaci�n en l�neas por transiciones ligado-ligado. Esto aumenta las p�rdidas por radiaci�n 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 �ltimo punto se puede lograr cuando el confinamiento del plasma es adecuado. El problema del confinamiento entra tambi�n en relaci�n al otro mecanismo de p�rdida de energ�a mencionado arriba: la convecci�n. Esta cuesti�n 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 ahondar� en ellos en cap�tulos subsiguientes, por lo que aqu� no trataremos m�s este tema.

Las p�rdidas de energ�a por conducci�n t�rmica son las que m�s dolores de cabeza han causado a los f�sicos de plasmas, debido a su aparente incapacidad para explicarlas y predecirlas. Inicialmente se cre�a que el transporte de energ�a por conducci�n era producido por las colisiones entre part�culas, que se van transfiriendo la energ�a de unas a otras, tal y como ocurre en un gas com�n y corriente. Sin embargo, desde que se empezaron a realizar los primeros experimentos, especialmente con confinamiento magn�tico, se encontr� que la conducci�n t�rmica medida era much�simo (unas cien veces) mayor que la esperada con el transporte colisional, tambi�n llamado transporte cl�sico. Fue entonces que se reconoci� que este transporte an�malo deb�a ser producido por inhomogeneidades de tama�os muy peque�os que fluct�an en el tiempo, dando lugar a transferencias de energ�a muy eficientes hacia el exterior. Estas fluctuaciones pueden ser f�cilmente producidas en un plasma por alguna de las distintas inestabilidades que el plasma puede desarrollar.

Las fluctuaciones microsc�picas de los campos el�ctricos y magn�ticos que se producen en un plasma y la interacci�n 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 an�malo. Si se quiere llegar a controlar las p�rdidas por conducci�n necesitamos saber con certeza cu�l es su causa, para as� 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, �ste constituye el tema de mayor actividad en la investigaci�n de plasmas para fusi�n.

Atendamos ahora la cuesti�n de las altas temperaturas necesarias en el plasma termonuclear. Est� claro que una vez que se haya conseguido tener y confinar un plasma, se debe de continuar d�ndole energ�a para incrementar a�n m�s la temperatura. �De qu� manera se puede calentar un plasma hasta las temperaturas requeridas? Existen varios m�todos, algunos m�s adecuados que otros, seg�n las circunstancias y las caracter�sticas del plasma. Uno de los m�s comunes se basa en la idea de las descargas el�ctricas empleadas para producir al plasma, que se describi� previamente. Al crear una diferencia de potencial el campo el�ctrico asociado a �sta acelera las part�culas cargadas, en este caso los iones y los electrones, que como tienen cargas opuestas se aceleran en direcciones contrarias. La energ�a que ganan es proporcional al campo el�ctrico y a la distancia recorrida. Sin embargo, los iones tienen una masa miles de veces mayor que la de los electrones, as� que se mueven mucho m�s lentamente. Esto ocasiona que los electrones puedan seguir ganando energ�a m�s r�pidamente que los iones y su velocidad siga aumentando. Esta energ�a de movimiento se da a lo largo de la direcci�n del campo el�ctrico, pero como las part�culas sufren colisiones y se deflectan, se distribuye hacia todas las direcciones, convirti�ndose en energ�a t�rmica. �ste es el mismo mecanismo por el cual se calienta un alambre al pasar una corriente el�ctrica y se le llama calentamiento Joule o calentamiento �hmico. Con este proceso los electrones se calientan m�s que los iones, lo que no es deseable para la fusi�n pues son los iones los que deben tener altas energ�as para que se den las reacciones. Si la densidad no es muy baja y la velocidad de los electrones no es muy elevada, �stos transf�eren energ�a 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 �hmico depende fundamentalmente de las colisiones entre part�culas. Debido a la naturaleza de la fuerza el�ctrica, la frecuencia de colisiones va disminuyendo a medida que la velocidad de las part�culas aumenta. Por lo tanto, este tipo de calentamiento pierde efectividad al ir increment�ndose la temperatura. De hecho, no se piensa que se pueda llegar m�s que a temperaturas de unos cuantos keV, con este m�todo. Otras formas de calentamiento se pueden combinar con �ste para alcanzar mayores temperaturas. Entre las alternativas est�n: la compresi�n adiab�tica, la inyecci�n de part�culas energ�ticas y el calentamiento por ondas de radio.

La compresi�n adiab�tica se basa en el hecho de que si a un sistema termodin�mico (el plasma) se le comprime lo suficientemente r�pido como para que el contenido de calor no cambie (proceso adiab�tico), la temperatura aumenta. Los valores que se alcanzan para la temperatura con este m�todo est�n limitados por las dimensiones del dispositivo usado en la compresi�n. Normalmente esto se usa como complemento a un calentamiento de otro tipo, aunque en el confinamiento inercial la compresi�n es el mecanismo b�sico tanto para generar como para calentar al plasma. Los otros dos m�todos se est�n empezando a usar extensivamente para llegar a temperaturas de 10 keV o m�s. En uno se usan �tomos neutros acelerados previamente que, al hacerlos penetrar en el plasma, se ionizan y le transmiten su energ�a al resto de sus part�culas. En el otro se lanzan ondas de radio cuyas frecuencias coincidan con alguna de las frecuencias naturales de oscilaci�n del plasma, de modo que pueda entrar en resonancia y absorber la energ�a de la onda. Estos m�todos se discutir�n m�s adelante.

Un problema importante que se presenta con un plasma es c�mo medir desde el exterior sus propiedades f�sicas, como densidad, temperatura, velocidad, etc. El problema de diagnosticar el estado del plasma surge de la imposibilidad de meterse dentro de �l, pues se alterar�an las condiciones, adem�s de arruinar los aparatos de medici�n y de contaminar el gas. Por ello se tienen que emplear m�todos indirectos de medici�n, como el an�lisis de la radiaci�n 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 m�s sencilla estimaci�n cuantitativa acerca del estado de un plasma, mencionaremos, sin dar detalles, algunos de los m�todos m�s usados para su diagn�stico.

Usando la radiaci�n emitida se tienen dos posibilidades de diagn�stico: 1) emisi�n de l�neas (que pueden venir de los iones principales o de impurezas); al analizar su espectro, del ancho de las l�neas y las intensidades relativas se puede obtener informaci�n sobre la temperatura y densidad de los iones; 2) bremsstrahlung, que, por ser emitida por electrones, puede dar informaci�n acerca de la temperatura y densidad de �stos. A temperaturas altas en que ya se tengan suficientes reacciones termonucleares, los neutrones emitidos pueden usarse para conocer la temperatura i�nica. Tambi�n pueden conocerse densidades y temperaturas de electrones observando la dispersi�n (de Thomson) de un haz de luz l�ser enviado a trav�s del plasma.

Por �ltimo mencionaremos que un plasma, al estar formado por part�culas cargadas, tiene una respuesta muy fuerte a la presencia de campos el�ctricos o magn�ticos. En caso de tenerse un campo el�ctrico, las part�culas de cargas opuestas se separan movi�ndose r�pidamente para cancelar el campo. Por lo tanto no es posible tener campos el�ctricos a gran escala y por tiempos largos dentro de un plasma. Cualquier exceso de carga que aparezca en alg�n punto ser� cancelado por una acumulaci�n de part�culas de carga opuesta en torno a este punto, y s�lo se sentir� su efecto dentro de la regi�n donde se est� teniendo la acumulaci�n. El tama�o de esta regi�n est� determinado por la longitud de Debye, que es un par�metro caracter�stico del plasma que depende de su densidad y temperatura. Por ejemplo, para un plasma termonuclear la longitud de Debye es de unas cent�simas de mil�metro, mientras que para el plasma interestelar alcanza algunos metros. Debido a esta propiedad de apantallamiento de cargas el�ctricas, el plasma siempre forma un sistema cuasineutro, es decir existe el mismo n�mero de part�culas positivas que de negativas. As�, aun cuando est� formado por part�culas cargadas, globalmente el plasma no tiene carga.

La situaci�n con respecto a los campos magn�ticos es diferente puesto que �stos en lugar de ser neutralizados modifican el movimiento de las part�culas, de forma que sus desplazamientos en direcci�n perpendicular a la del campo son reducidos. Es por esto que se pueden emplear para confinar plasmas, como se ver� en el siguiente cap�tulo. El plasma a su vez act�a sobre el campo magn�tico modific�ndolo, cre�ndose una �ntima interrelaci�n entre plasma y campo.