X. OPERACIÓN DEL TOKAMAK

¿CÓMO lograr construir en la Tierra aparatos que semejan pequeños soles, donde la fusión nuclear se autosostiene? Debemos, entre otras muchas cosas, conseguir que en una región limitada del espacio un buen número de iones de deuterio choquen entre sí con la energía 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 magnéticos apropiados, como ahora veremos.

Para entender por qué se ha diseñado el Tokamac de modo que semeje una inmensa dona, debemos recordar algunos conceptos básicos del movimiento de cargas dentro de campos magnéticos. He aquí algunos: si el campo magnético es muy grande, la dirección de la velocidad de la carga puede cambiar, pero su magnitud no; en otras palabras, la energía cinética de la partícula se conserva. Si el campo magnético es constante y uniforme, las partículas se mueven a lo largo de una curva helicoidal cuyo eje está en la dirección del campo. Mientras más intenso sea, las partículas giran más rápidamente en órbitas de menor radio.

Hasta aquí el campo magnético ha sido uniforme. Ahora lo variamos un poco en dirección perpendicular a él, para que las líneas de campo se enrollen en círculos, cuyo radio sea muy grande en comparación con las órbitas citadas anteriormente. La partícula cargada recorre ahora una hélice que se curva con el campo magnético, como si fuera un estambre enhebrado alrededor de las líneas del campo. Desde luego, mientras mayor sea la velocidad de las partículas, es decir; mientras más caliente esté el plasma, los campos magnéticos habrán de ser mayores para guiar a los iones.

Vemos que jugando con las diferentes configuraciones espaciales de los campos magnéticos 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 partículas se ven forzadas a viajar en trayectorias helicoidales a lo largo de las líneas del campo magnético toroidal que han generado los electroimanes. Desgraciadamente, las partículas del plasma son muy caprichosas y tienden a escaparse del campo magnético, produciendo lenguas de plasma que evitan el confinamiento y producen inestabilidad. El mayor esfuerzo técnico y científico reside, en este momento, en evitar las inestabilidades del plasma.

Para confinar plasmas muy calientes, resulta necesario que los campos magnéticos sean muy intensos. Las bobinas que los producen han de ser por tanto muy potentes. Las mejores que se conocen están construidas de material superconductor; cuya resistencia eléctrica se reduce enormemente si se le enfría a temperaturas muy bajas, del orden de -250 grados centígrados. Los campos magnéticos producidos por estos imanes superconductores son enormes, 100 000 veces más intensos que el campo magnético terrestre. Sin embargo, mantener frías estas bobinas agrega un problema técnico más: para evitar que dejen de ser superconductoras, las bobinas están hechas de alambres huecos por cuyo interior se hace circular helio líquido en grandes cantidades. ñUn dolor de cabeza más!

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

En los reactores Tokamac, el campo magnético se varía lentamente en el tiempo, subiendo y bajando de manera cíclica. Esto induce una corriente en el plasma, que así se calienta por efecto Joule, como el que actúa en una plancha eléctrica. 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 magnético no puede ser elevado indefinidamente, la actividad nuclear se debe interrumpir cuando el campo magnético baja para reiniciar el ciclo, disminuyendo así la eficiencia del reactor de fusión. Para evitar esas interrupciones de las reacciones nucleares, y con ellas la pérdida 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 método, el ímpetu de los fotones del haz se transmite a las partículas del plasma, forzando la corriente necesaria.

El vaivén del campo magnético produce grandes tensiones sobre los alambres del embobinado. Éstas, que pueden llegar a ser de varias toneladas por centímetro cuadrado en campos magnéticos grandes y variables, producen fatiga mecánica en los materiales. El problema de resistencia de materiales que así se presenta no ha sido aún resuelto.

También el diseño de la cámara que ha de contener el plasma presenta serios retos tecnológicos. La cámara debe mantenerse al vacío, para evitar la contaminación con aire, pues éste enfría el proceso. Además, la camisa que rodea la cámara debe soportar grandes temperaturas, sirviendo de aislamiento térmico entre plasma e imanes pues, como hemos dicho, estos últimos deben mantenerse muy fríos. Estas camisas han de recuperar la enorme energía proveniente del gran flujo de neutrones producidos en la fusión. Deben servir; también, para intercambiar el calor producido en el plasma con un fluido que acarrea la energía térmica para utilizarla, por ejemplo, en mover una turbina y producir energía eléctrica. Por todo ello, el volumen interior de un reactor comercial necesita ocupar varios miles de metros cúbicos.

Las paredes internas de la cámara del plasma se encuentran además sujetas a la fuerte irradiación de partículas cargadas que escapan al confinamiento. No obstante, el principal daño por radiación se debe al flujo de neutrones, que es enorme, cercano a 10¹³ neutrones/cm²·s. Por ello, al cabo de un año todos los átomos de la camisa han sido golpeados y desplazados de la red cristalina del sólido que la forma. En consecuencia, se debe cambiar la camisa cada dos o tres años.

Como en los reactores de fisión, en los de fusión también existen problemas de seguridad radiológica. El de los desechos radiactivos es casi despreciable, si se compara con el de los reactores de fisión. El problema reside, más bien, en el gran volumen de tritio que se maneja en los reactores de fusión, que alcanza casi un kilogramo, lo que produce 10¹⁷ desintegraciones nucleares cada segundo. En efecto, como combustible del reactor de fusión se inyectan cristales fríos 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 bombeándolo por medio de lo sistemas de vacío. El gran flujo de neutrones hace necesario el uso de múltiples sistemas de blindaje. Como ya dijimos, la camisa debe desmantelarse cada dos o tres años. El reactor mismo, al acabar su vida útil, que será tal vez de dos o tres decenios, también debe deshacerse. Todos los elementos que lo formaron podrían quedar radiactivos, con vidas medias tan largas como años, 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 fisión actuales.

Como podemos ver de esta breve descripción de un reactor caliente de fusión nuclear; los retos tecnológicos son gigantescos. No asombra, entonces, que en cuarenta años de investigación se hayan invertido más de cinco mil millones de dólares para conseguir un reactor de fusión nuclear eficiente y que este proceso de diseño aún no toque fin. Aunque esta línea de trabajo es la más avanzada y la más prometedora, debido a los altos costos y a la complejidad tecnológica se han explorado otros caminos para producir la fusión nuclear. De todos, la fusión fría es la vía más socorrida.