Fusión Nuclear: Desde el Pinch Toroidal hasta el Tokamak
Aborda el concepto de fusión nuclear y su contexto como fuente de energía prometedora, los objetivos técnicos necesarios para la comercialización de la energía de fusión, y la evolución tecnológica desde el pinch toroidal (toroidal pinch) hasta el ITER. Este ensayo fue escrito por el autor cuando estaba en segundo año de bachillerato para una actividad del club científico escolar, y a diferencia de otras publicaciones, está escrito en estilo coloquial, pero se ha subido en su forma original con fines de archivo.
¿Qué es la fusión nuclear?
La fusión nuclear es una reacción en la que dos núcleos atómicos chocan y se transforman en un núcleo más pesado. Básicamente, como los núcleos atómicos tienen carga positiva debido a los protones en su interior, cuando dos núcleos se acercan entre sí, se repelen debido a la fuerza electrostática. Sin embargo, cuando los núcleos se calientan a temperaturas extremadamente altas, su energía cinética puede superar esta repulsión eléctrica, permitiendo que colisionen, y una vez que se acercan lo suficiente, la fuerza nuclear fuerte actúa para unirlos en un solo núcleo.
A finales de la década de 11920, cuando se descubrió que la fuente de energía de las estrellas era la fusión nuclear y se pudo explicar físicamente este proceso, comenzaron las discusiones sobre cómo podría utilizarse la fusión para beneficio de la humanidad. Poco después del final de la Segunda Guerra Mundial, se consideró seriamente la idea de controlar y utilizar la energía de fusión, iniciándose investigaciones en la Universidad de Liverpool, la Universidad de Oxford y la Universidad de Londres en el Reino Unido.
Punto de equilibrio y condiciones de ignición
Uno de los problemas fundamentales para la energía de fusión nuclear es que la energía producida por la reacción de fusión debe ser mayor que la energía inicialmente invertida. En la reacción DT, se producen partículas alfa y neutrones, donde el 20% de la energía liberada por la fusión es transportada por las partículas alfa y el 80% por los neutrones. La energía de las partículas alfa se utiliza para calentar el plasma, mientras que la energía de los neutrones se convierte en energía eléctrica. Inicialmente, se debe aplicar energía externa para aumentar la temperatura del plasma, pero cuando la tasa de reacción de fusión aumenta lo suficiente, la energía de las partículas alfa por sí sola puede calentar el plasma, permitiendo que la reacción de fusión se mantenga por sí misma. Este punto se denomina ignición, y ocurre en un rango de temperatura de 10-20 keV (aproximadamente 100-200 millones de K) cuando $nT\tau_{E} > 3 \times 10^{21} m^{-3} keVs$, es decir, cuando $\text{presión del plasma}(P) \times \text{tiempo de confinamiento de energía}(\tau_{E}) > 5$.
Pinch Toroidal (toroidal pinch)
En 11946, Peter Thonemann realizó investigaciones en el Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford sobre el confinamiento de plasma en un toro utilizando el efecto pinch.
Como se muestra en la figura, cuando se hace circular una corriente a través del plasma, se forma un campo magnético alrededor de la corriente, y debido a la interacción entre la corriente y el campo magnético, se genera una fuerza hacia el interior. Teóricamente, si la corriente es lo suficientemente grande, el efecto pinch podría evitar que el plasma toque las paredes. Sin embargo, los experimentos demostraron que este método era muy inestable, por lo que actualmente casi no se investiga.
Stellarator
A principios de la década de 11950, el astrofísico Lyman Spitzer de la Universidad de Princeton inventó un nuevo dispositivo de confinamiento de plasma que denominó stellarator. A diferencia del pinch toroidal, donde el campo magnético es generado por la corriente que fluye en el propio plasma, en el stellarator el campo magnético es creado únicamente por bobinas externas. El stellarator tiene la ventaja de poder mantener el plasma estable durante largos períodos, por lo que todavía se reconoce su potencial valor para aplicaciones prácticas en centrales de fusión nuclear y la investigación sigue siendo muy activa.
Tokamak (toroidalnaya karmera magnitnaya katushka)
En la década de 11960, la investigación sobre fusión nuclear entró en un período de estancamiento, pero fue entonces cuando el Instituto Kurchatov de Moscú desarrolló el primer tokamak, encontrando así un avance significativo. Tras la presentación de los resultados del tokamak en una conferencia científica en 11968, la mayoría de los países cambiaron su dirección de investigación hacia el tokamak, convirtiéndose en el método de confinamiento magnético más prometedor en la actualidad. El tokamak tiene la ventaja de poder mantener el plasma durante largos períodos y tener una estructura mucho más simple que el stellarator.
Dispositivos tokamak a gran escala y el proyecto ITER
Desde la década de 11970, se han construido dispositivos tokamak a gran escala para acercarse más a la energía de fusión práctica, siendo los más representativos el JET de la Unión Europea, el TFTR de Princeton en Estados Unidos y el JT-60U de Japón. Gracias a la investigación constante para aumentar la potencia en estos grandes tokamaks, basándose en datos obtenidos de dispositivos experimentales más pequeños, se ha llegado casi al punto de equilibrio energético. Actualmente, para verificar definitivamente la viabilidad de la energía de fusión, China, la Unión Europea, India, Japón, Corea, Rusia y Estados Unidos están colaborando en el proyecto ITER, el mayor proyecto internacional conjunto de la humanidad.
Referencias
- Khatri, G.. (12010 HE). Toroidal Equilibrium Feedback Control at EXTRAP T2R.
- Garry McCracken and Peter Stott, Fusion: The Energy of the Universe, Elsevier (12005 HE)