Tecnología y confinamiento en la fusión nuclear: Imanes gigantes y láseres

Para lograr la fusión nuclear se necesita calentar el combustible a más de 100 millones de grados hasta convertirlo en plasma, por lo que surge la gran pregunta de la ingeniería: ¿cómo construyes una vasija capaz de contener el fuego de una estrella?. A esa temperatura destructiva, cualquier material terrestre se derretiría y evaporaría al instante. Además, si el plasma toca las paredes del contenedor, se enfría y la reacción se apaga. Una solución lógica podría ser acelerar los átomos en un acelerador de partículas tradicional y hacerlos chocar entre sí; sin embargo, la física nos demuestra que se utilizaría más energía en acelerarlos que la que se obtendría con las reacciones.

Por lo tanto, el aprovechamiento real de la energía de fusión pasa por el desarrollo de sistemas tecnológicos avanzados que cumplan dos requisitos fundamentales: calentar el gas hasta temperaturas extremas y confinar la materia para mantenerla unida el tiempo suficiente para que pueda reaccionar. Para lograrlo, la ciencia actual sigue dos líneas principales de desarrollo completamente diferentes.

Vía 1: Confinamiento Magnético (La "jaula invisible")

Es la tecnología más desarrollada del mundo y la que se utiliza en el proyecto internacional ITER. Dado que el plasma es un gas sobrecalentado donde los electrones han salido de sus órbitas, las partículas están eléctricamente cargadas y reaccionan de forma matemática a las fuerzas magnéticas.

En este sistema, las partículas del plasma son atrapadas en un espacio limitado por un campo magnético al describir trayectorias helicoidales determinadas por las líneas de fuerza de ese campo. El dispositivo rey de esta categoría tiene forma toroidal (de dónut) y se denomina Tokamak. Sus imanes superconductores —los más potentes del planeta— crean una jaula invisible que suspende y moldea el plasma en el aire, impidiendo que toque las paredes metálicas del reactor.

Vía 2: Confinamiento Inercial (El ataque de los láseres)

El segundo enfoque olvida los imanes gigantes y busca crear un medio tan sumamente denso que las partículas no tengan prácticamente ninguna posibilidad de escapar sin reaccionar entre sí.

Este método consiste en coger una pequeña esfera de un compuesto sólido de deuterio y tritio (del tamaño de un grano de pimienta) y someterla al impacto súbito de poderosos haces luminosos creados por láseres de gran potencia. Al recibir este bombardeo energético masivo, la cápsula implosiona bajo los efectos de la onda de choque. De esta forma, el combustible se hace cientos de veces más denso que en su estado sólido normal y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión en una fracción de segundo.

El gran reto del rendimiento: La escala del factor "Q"

Aunque los experimentos en el ámbito de la fusión se han multiplicado por 100.000 en las últimas décadas, el rendimiento de los dispositivos todavía tiene que aumentar 5 veces más para alcanzar el nivel necesario para una central comercial. Para ello, los investigadores intentan optimizar constantemente el estado del plasma introduciendo cambios en tres variables críticas: la temperatura, la densidad y el tiempo de confinamiento.

Para medir el éxito de estos cambios, se utiliza un indicador fundamental llamado ganancia de energía de fusión, expresado con el símbolo "Q". Este factor es la relación entre la energía de fusión producida y la inyectada en el plasma para iniciar la reacción.

• Si Q = 1: Se alcanza el empate (producimos lo mismo que inyectamos).
• Si Q > 1: El reactor genera energía neta.

Hasta el momento, el reactor europeo JET (Joint European Torus) ha obtenido los mejores resultados históricos, registrando un valor de Q = 0,67 al producir 16 megavatios (MW) de energía de fusión a partir de 24 MW de energía calorífica inyectada. Estuvimos cerca del empate, pero para producir electricidad comercial se necesitarán valores de Q mucho más elevados.

El salto gigante del ITER y el número mágico (Q = 5)

Aumentar el rendimiento ha sido posible gracias al incremento del tamaño de los reactores experimentales. En el ITER, cuya altura y radio duplican los del JET, el plasma comenzará en un volumen 10 veces mayor. En este coloso se están aplicando diseños novedosos, materiales innovadores y los dispositivos de calentamiento más potentes jamás fabricados.

Con el ITER se pretende producir 500 MW de energía de fusión inyectando únicamente 50 MW de energía calorífica, lo que otorgará un valor Q ≥ 10 durante pulsos de entre 5 y 10 minutos.

Sin embargo, en esta carrera hay un límite crítico: el Q = 5.

Un valor de Q = 5 representa el punto exacto por encima del cual el plasma empieza a calentarse por sí mismo para autosostener la reacción de fusión, utilizando la propia energía de sus partículas alfa. A fin de comprender mejor cómo lograr esta reacción autosostenida, el objetivo del ITER es generar y mantener valores de Q de 5 durante periodos muy superiores a los 10 minutos.

De los pulsos a la energía constante

Si bien el ITER tendrá un rendimiento máximo espectacular, este solo se alcanzará durante lapsos breves. Para poder llegar a ofrecer electricidad a la red de manera constante, las futuras centrales de fusión tendrán que dejar atrás los "pulsos" experimentales y ser capaces de estar siempre en funcionamiento. Superar la barrera del tiempo es el último y definitivo reto de la ingeniería nuclear para domar, por fin, el motor de las estrellas.

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