X. OPERACI�N DEL TOKAMAK

�C�MO lograr construir en la Tierra aparatos que semejan peque�os soles, donde la fusi�n nuclear se autosostiene? Debemos, entre otras muchas cosas, conseguir que en una regi�n limitada del espacio un buen n�mero de iones de deuterio choquen entre s� con la energ�a suficiente para que se fusionen. En el lenguaje de los plasmas, lo que deseamos es confinar un gas ionizado a muy alta temperatura. Esto se obtiene con campos magn�ticos apropiados, como ahora veremos.

Para entender por qu� se ha dise�ado el Tokamac de modo que semeje una inmensa dona, debemos recordar algunos conceptos b�sicos del movimiento de cargas dentro de campos magn�ticos. He aqu� algunos: si el campo magn�tico es muy grande, la direcci�n de la velocidad de la carga puede cambiar, pero su magnitud no; en otras palabras, la energ�a cin�tica de la part�cula se conserva. Si el campo magn�tico es constante y uniforme, las part�culas se mueven a lo largo de una curva helicoidal cuyo eje est� en la direcci�n del campo. Mientras m�s intenso sea, las part�culas giran m�s r�pidamente en �rbitas de menor radio.

Hasta aqu� el campo magn�tico ha sido uniforme. Ahora lo variamos un poco en direcci�n perpendicular a �l, para que las l�neas de campo se enrollen en c�rculos, cuyo radio sea muy grande en comparaci�n con las �rbitas citadas anteriormente. La part�cula cargada recorre ahora una h�lice que se curva con el campo magn�tico, como si fuera un estambre enhebrado alrededor de las l�neas del campo. Desde luego, mientras mayor sea la velocidad de las part�culas, es decir; mientras m�s caliente est� el plasma, los campos magn�ticos habr�n de ser mayores para guiar a los iones.

Vemos que jugando con las diferentes configuraciones espaciales de los campos magn�ticos es posible confinar el plasma. En el Tokamac se acomodan una serie de electroimanes anulares para formar una dona hueca, como se ve en la figura 8. En el interior de la dona se genera el plasma, cuyas part�culas se ven forzadas a viajar en trayectorias helicoidales a lo largo de las l�neas del campo magn�tico toroidal que han generado los electroimanes. Desgraciadamente, las part�culas del plasma son muy caprichosas y tienden a escaparse del campo magn�tico, produciendo lenguas de plasma que evitan el confinamiento y producen inestabilidad. El mayor esfuerzo t�cnico y cient�fico reside, en este momento, en evitar las inestabilidades del plasma.

Para confinar plasmas muy calientes, resulta necesario que los campos magn�ticos sean muy intensos. Las bobinas que los producen han de ser por tanto muy potentes. Las mejores que se conocen est�n construidas de material superconductor; cuya resistencia el�ctrica se reduce enormemente si se le enfr�a a temperaturas muy bajas, del orden de -250 grados cent�grados. Los campos magn�ticos producidos por estos imanes superconductores son enormes, 100 000 veces m�s intensos que el campo magn�tico terrestre. Sin embargo, mantener fr�as estas bobinas agrega un problema t�cnico m�s: para evitar que dejen de ser superconductoras, las bobinas est�n hechas de alambres huecos por cuyo interior se hace circular helio l�quido en grandes cantidades. �Un dolor de cabeza m�s!

Figura 8. Los electroimanes del Tokamac forman una dona hueca para confinar el plasma de alta temperatura.

En los reactores Tokamac, el campo magn�tico se var�a lentamente en el tiempo, subiendo y bajando de manera c�clica. Esto induce una corriente en el plasma, que as� se calienta por efecto Joule, como el que act�a en una plancha el�ctrica. El plasma se comporta entonces como el secundario de un transformador de corriente directa y todo depende de esta corriente en el plasma. Ya que el campo magn�tico no puede ser elevado indefinidamente, la actividad nuclear se debe interrumpir cuando el campo magn�tico baja para reiniciar el ciclo, disminuyendo as� la eficiencia del reactor de fusi�n. Para evitar esas interrupciones de las reacciones nucleares, y con ellas la p�rdida en eficiencia del reactor; hoy se busca producir la corriente en el plasma por medio de un haz rasante de ondas de radiofrecuencia. En este m�todo, el �mpetu de los fotones del haz se transmite a las part�culas del plasma, forzando la corriente necesaria.

El vaiv�n del campo magn�tico produce grandes tensiones sobre los alambres del embobinado. �stas, que pueden llegar a ser de varias toneladas por cent�metro cuadrado en campos magn�ticos grandes y variables, producen fatiga mec�nica en los materiales. El problema de resistencia de materiales que as� se presenta no ha sido a�n resuelto.

Tambi�n el dise�o de la c�mara que ha de contener el plasma presenta serios retos tecnol�gicos. La c�mara debe mantenerse al vac�o, para evitar la contaminaci�n con aire, pues �ste enfr�a el proceso. Adem�s, la camisa que rodea la c�mara debe soportar grandes temperaturas, sirviendo de aislamiento t�rmico entre plasma e imanes pues, como hemos dicho, estos �ltimos deben mantenerse muy fr�os. Estas camisas han de recuperar la enorme energ�a proveniente del gran flujo de neutrones producidos en la fusi�n. Deben servir; tambi�n, para intercambiar el calor producido en el plasma con un fluido que acarrea la energ�a t�rmica para utilizarla, por ejemplo, en mover una turbina y producir energ�a el�ctrica. Por todo ello, el volumen interior de un reactor comercial necesita ocupar varios miles de metros c�bicos.

Las paredes internas de la c�mara del plasma se encuentran adem�s sujetas a la fuerte irradiaci�n de part�culas cargadas que escapan al confinamiento. No obstante, el principal da�o por radiaci�n se debe al flujo de neutrones, que es enorme, cercano a 10¹³ neutrones/cm²·s. Por ello, al cabo de un a�o todos los �tomos de la camisa han sido golpeados y desplazados de la red cristalina del s�lido que la forma. En consecuencia, se debe cambiar la camisa cada dos o tres a�os.

Como en los reactores de fisi�n, en los de fusi�n tambi�n existen problemas de seguridad radiol�gica. El de los desechos radiactivos es casi despreciable, si se compara con el de los reactores de fisi�n. El problema reside, m�s bien, en el gran volumen de tritio que se maneja en los reactores de fusi�n, que alcanza casi un kilogramo, lo que produce 10¹⁷ desintegraciones nucleares cada segundo. En efecto, como combustible del reactor de fusi�n se inyectan cristales fr�os de deuterio y tritio a gran velocidad para que lleguen al interior del plasma, donde se ionizan. El proceso no es cien por ciento eficiente y el combustible debe ser recuperado bombe�ndolo por medio de lo sistemas de vac�o. El gran flujo de neutrones hace necesario el uso de m�ltiples sistemas de blindaje. Como ya dijimos, la camisa debe desmantelarse cada dos o tres a�os. El reactor mismo, al acabar su vida �til, que ser� tal vez de dos o tres decenios, tambi�n debe deshacerse. Todos los elementos que lo formaron podr�an quedar radiactivos, con vidas medias tan largas como a�os, pues han sido activados por neutrones. A pesar de todo lo anterior; el problema de los desechos radiactivos es mucho menor que en los reactores de fisi�n actuales.

Como podemos ver de esta breve descripci�n de un reactor caliente de fusi�n nuclear; los retos tecnol�gicos son gigantescos. No asombra, entonces, que en cuarenta a�os de investigaci�n se hayan invertido m�s de cinco mil millones de d�lares para conseguir un reactor de fusi�n nuclear eficiente y que este proceso de dise�o a�n no toque fin. Aunque esta l�nea de trabajo es la m�s avanzada y la m�s prometedora, debido a los altos costos y a la complejidad tecnol�gica se han explorado otros caminos para producir la fusi�n nuclear. De todos, la fusi�n fr�a es la v�a m�s socorrida.