Energía Termonuclear

Desde hace ya algunos años se está realizando un notable esfuerzo mundial por lograr el control de la energía de fusión nuclear, también llamada termonuclear.

Esta investigación puede dar resultados de una importancia extraordinaria. Una vez logrado dicho control, se  dispondría de una fuente prácticamente inagotable de energía, puesto que el combustible básico, el deuterio (isótopo pesado del hidrógeno), se puede extraer en enormes cantidades de los océanos y a un precio muy económico.

Como comparación, diremos que el deuterio que contiene un litro de agua ordinaria tiene un contenido energético equivalente a 350 L de gasolina. Existe, por otra parte, la enorme ventaja de que el proceso de fusión no produce residuos radiactivos en cantidad apreciable. Vamos, entonces, a ver algunos de los difíciles problemas que plantea el control de la energía termonuclear y de los progresos realizados en su solución.

La fusión nuclear es un proceso muy conocido. Se sabe desde hace muchos años que la energía del Sol y las otras estrellas proviene del proceso de fusión nuclear. El descubrimiento en el laboratorio de las reacciones de fusión se realizó antes que el de la fisión. Hoy se conocen muchas reacciones nucleares que desprenden una gran cantidad de energía y que resultan de la combinación de varios núcleos. No obstante, sólo son de interés práctico las que se verifican entre núcleos ligeros, puesto que, siendo menor la repulsión electrostática, la facilidad con que se produce la reacción es mayor.

La bomba termonuclear opera por fusión de plasma

Seguidamente se indican algunas de las reacciones más interesantes, así como la correspondiente energía desprendida. La producción de una serie continua de reacciones de fusión es análoga al proceso de combustión. En la combustión ordinaria se producen reacciones químicas, por ejemplo, hidrógeno y oxígeno dan agua y desprenden energía. Para que se produzca la reacción, las moléculas deben chocar violentamente, es decir, el material debe ser calentado.

Se necesitan tres condiciones para quemar un combustible químico y aprovechar la energía producid

1. El combustible ha de ser calentado hasta su punto de ignición;

2. Debe haber suficiente cantidad como para sostener una reacción continua; y

3. Debe ser posible extraer la energía producida de un modo controlable. Se necesitan exactamente estas tres mismas condiciones para producir reacciones de fusión y aprovechar su energía. Pero existe una gran diferencia: para la fusión, el punto de ignición se encuentra a cientos de millones de grados. En cuanto al punto tercero, resaltemos que la bomba de hidrógeno es un proceso termonuclear pero no controlado.

Reactor de estudios

nucleares destinado a ensayos

de los elementos combustibles

utilizados en centrales electronucleares

El combustible más apropiado para producir energía termonuclear es el indicado en la tercera reacción, es decir, núcleos de deuterio, el isótopo de hidrógeno de masa 2, y núcleos de tritio (otra forma pesada del hidrógeno), el isótopo de masa 3. En su mayor parte, la energía que se produce en la reacción aparece como energía cinética de los neutrones.

Esta energía puede ser recogida, moderándolos en una substancia que se encuentre fuera de la zona de reacción. El calor generado de este modo se puede utilizar en una turbina de vapor para producir energía eléctrica de la manera ordinaria. Como el tritio no existe en la naturaleza, sería preferible usar una reacción deuterio-deuterio.

Pero este tipo de reacción es mucho más improbable que la de tritio-deuterio. Para cualquier tipo de reactor de fusión de utilidad práctica debería auto proporcionarse el tritio mediante la reacción de algunos de los neutrones que produjese con el Lis.

Las reservas de litio son suficientemente grandes como para no constituir un problema. El problema inmediato está en producir grandes cantidades de reacciones controladas deuterio-tritio. Los núcleos que han de interactuar están cargados positivamente; por tanto, para producirse la reacción habrán de tener una energía suficiente para vencer la repulsión electrostática. Esta energía es del orden de 20 keV, que corresponden a una temperatura de 200 millones de grados. A estas temperaturas elevadas incluso que el interior del Sol, todos los átomos de hidrógeno están ionizados, es decir, desprovistos de sus electrones, resultando un gas completamente ionizado, o plasma, formado por núcleos, cargados positivamente, y electrones, siendo la masa en conjunto eléctricamente neutra.

El problema está en confinar un plasma, a temperatura tan elevada, durante un tiempo suficiente para que se produzca un número apreciable de reacciones de fusión. El tiempo de confinamiento requerido es tanto menor cuanto más denso sea el plasma, pero la energía va siendo desprendida a un ritmo que aumenta en violencia según como se vaya aumentando la densidad del plasma.

Para conseguir una extracción de energía controlada, y no una explosión, es necesario manejar plasmas de muy baja densidad, confinados durante un tiempo relativamente grande. La razón para que se tenga que mantener un plasma a la temperatura a que nos referimos anteriormente, durante cierto tiempo, está en que la probabilidad de obtener una reacción con una sola colisión entre dos núcleos es muy baja, y por tanto tendremos que confinar el plasma durante un tiempo suficiente como para que una partícula en su recorrido tenga múltiples oportunidades de reaccionar.

Por ejemplo, tendremos que mantener un plasma durante décimas de segundo, que es un tiempo millones de veces superior al que tarda un ion en atravesar toda su extensión. Según lo anterior, los iones deben ser devueltos al interior del plasma cada vez que lleguen a su superficie, y este proceso se debe repetir muchas veces. Surge, por tanto, la cuestión de cómo confinar el plasma en un espacio limitado. Un recipiente material de cualquier tipo no sirve, puesto que el contacto con las paredes enfriaría inmediatamente el plasma por debajo de su punto de ignición. La solución a este problema está en formar una botella magnética. En este dispositivo, el plasma se encuentra dentro de una cámara, donde se ha hecho el vacío.

Bombas Atómicas

Se aplica un fuerte campo magnético, que lo confina y lo mantiene alejado de las paredes de la cámara. El campo magnético actúa mediante las fuerzas que ejerce sobre los iones y electrones del plasma. Se puede establecer un equilibrio en el cual la presión que ejercen las partículas que tratan de escapar sea contrarrestada exactamente por las fuerzas magnéticas. Pero la cuestión radica en mantener este equilibrio; el problema de la estabilidad del plasma confinado es enormemente complejo, pues éste es mucho más complicado en su comportamiento que los fluidos.

Cuando se intentaron los primeros experimentos de fusión, éstos fracasaron por culpa de inestabilidades en el plasma, haciendo perder la esperanza de encontrar una solución simple al problema. Actualmente, no obstante tienen ya conocimientos básicos que no sólo han hecho progresar la investigación en la fusión sino también en la astrofísica y en muchas otras áreas. Se está profundizando en las causas de inestabilidad de los plasmas, y estos conocimientos ya dan sus frutos, permitiendo controlar algunas clases de inestabilidades. El campo magnético no afecta a la componente del movimiento que tiene la dirección de las líneas de fuerza magnética; sólo afecta a la componente transversal, de modo que una partícula cargada se mueve

helicoidalmente a lo largo de tales líneas d fuerza. Por tanto, una partícula tiende a escapar, moviéndose a lo largo del campo magnético. El problema puede ser resuelto de dos maneras: la primera consiste en usar un recinto toroidal, de modo que las líneas de fuerza se cierren dentro de él. Este método se llama de campo cerrado; la segunda consiste en utilizar un campo magnético de forma alargada pero más intenso en sus extremos.

Este es el método denominado de campo abierto; a cada extremo se le denomina espejo magnético. Por este método se producen muchas pérdidas et los extremos, y parece dudoso que pueda da en un futuro resultados útiles para la producción de energía. Pero teniendo en cuenta que el esfuerzo está centrado actualmente en la experimentación, y que ésta es mucho menos complicada con sistemas de campo abierto que con sistemas de campo cerrado, la mayoría de los trabajos que se efectúan actualmente utiliza sistemas de aquel tipo. La pérdida de partículas energéticas se realiza mediante dos procesos.

El primero de ellos, que podríamos llamar de pérdidas continuas, tiene lugar por intercambio de cargas. Los átomos o moléculas neutros que proceden de las paredes, si encuentran un ion, le ceden un electrón, neutralizándolo, con lo cual, al no ser afectado por el campo magnético, escapa. Con todo, se ha logrado mantener estas pérdidas por debajo de un nivel razonable. Las pérdidas más importantes son las causadas por inestabilidades del plasma. Si los plasmas no tuvieran inestabilidades y movimientos turbulentos, y las pérdidas fueran sólo por difusión, quizá se hubiera llegado ya a una solución definitiva.

Pero no es éste el caso: nos encontramos ante el movimiento turbulento e inestable de un fluido que tiene variedad de modos de escapar rápidamente hacia las paredes, haciendo su tiempo de confinamiento siempre reducido. Hay que tener en cuenta que, para obtener una cantidad apreciable de energía, el producto de la densidad de partículas por el tiempo medio de confinamiento debe tener cierto valor, que depende del tipo de aparato empleado. Se calcula que para reacciones deuterio-tritio, este producto debe ser del orden de 10’4, expresando el número de partículas en partículas por centímetro cúbico y el tiempo en segundos. Este número es en realidad algo bajo; una fuente práctica de energía deberá tener un producto algo mayor.

Las experiencias de mayor envergadura que se efectúan actualmente Reactor de estudios nucleares, destinado a ensayos de los elementos combustibles utilizados en centrales electronucleares. tienen un producto inferior en cien a mil veces al anterior, y éstos son los que utilizan plasmas densos continuados durante millonésimas de segundo.

Los que utilizan plasmas a mucha menor densidad tienen un producto inferior en más de diez mil veces. Antes de volver sobre el problema de las inestabilidades, vamos a describir en líneas generales cómo debería ser un reactor de fusión. Como se desprende de la teoría y la experimentación, el radio de la zona de plasma debe ser del orden de centímetros. El límite superior está impuesto por razones técnicas. En la región donde se encuentra el plasma se hace el vacío por bombas de difusión y por absorción en un metal conveniente, normalmente titanio o molibdeno. La presión ha de ser muy baja, pero además se deben reducir al mínimo las impurezas como carbono, nitrógeno y oxígeno.

La técnica del vacío ha dado avances importantísimos gracias a las investigaciones en fusión. Después, debe existir un medio que reciba los neutrones emitidos por el plasma. Este medio deberá

cumplir varias funciones: moderar los neutrones, multiplicarlos y proporcionar tritio mediante la absorción por el Li. Es desde luego en el área de la creación de campos magnéticos intensos donde se han hecho avances tecnológicos más espectaculares. El confinamiento de un plasma a temperatura elevada necesita campos de intensidad muy alta, del orden de un millón
de veces la del campo magnético terrestre y, por otra parte, en algunas experiencias los campos deben crearse en pocas millonésimas de segundo. Generar tales campos requiere carretes por los que circulen miles de amperios.

Si se necesita un campo continuo, el consumo de energía por los carretes es enorme. Por ello, se está trabajando intensamente en cierto tipo de superconductores, compuestos por aleaciones que no sólo pierden toda su resistencia eléctrica a temperaturas próximas al helio líquido sino que además mantienen su estado superconductor en un fuerte campo magnético. Con tales conductores, bobinas magnéticas que necesitarían cientos de millones de vatios si estuvieran hechas de cobre, pueden utilizarse sin más gasto de energía que la almacenada en el campo magnético.

Una vez energizadas, unas bobinas de esta naturaleza se pueden cortocircuitar y la corriente fluiría por ellas indefinidamente. Mantenerlos a la temperatura del helio líquido no es un problema serio. Ya se ha probado un carrete que funciona de este modo. Por el cable pasan 500 amperios, pero tiene una sección como la de los circuitos ordinarios hechos para pocos amperios.

Veamos ahora el problema de elevar la temperatura de un plasma. Se han utilizado tres métodos y se está probando otro más.

Al principio se procedía en la siguiente forma: el recipiente se llena de un gas frío, se ponen en funcionamiento las bobinas creadoras del campo magnético, y el proceso de ionización y calentamiento del gas se comienza por medio de una descarga eléctrica en él, haciendo pasar una corriente lo más elevada posible. Más recientemente, se logra mayor temperatura exponiendo el plasma a la acción de un campo electromagnético muy fuerte, a una frecuencia que resuene con la frecuencia natural del movimiento de las partículas del plasma.

En el segundo método, el plasma es acelerado e inyectado en un campo magnético mientras a éste se le baja la intensidad, luego se aumenta ésta de modo que el plasma se comprime, calentándose.

El tercer método utiliza un flujo continuo de partículas de alta energía. Puesto que el campo magnético puede ser atravesado sin dificultad por partículas neutras, lo más indicado es utilizar un haz de átomos neutros, que se obtienen creando primero un haz de iones, acelerándolos y haciéndolos chocar con gas a baja presión para que tomen electrones por intercambio de carga. El haz atómico pasa al campo magnético que lo ha de encerrar, y allí, por choque con las partículas ya existentes, se vuelven a crear iones, quedando atrapados.

Existe un cuarto método, en período de pruebas, que consiste en la utilización de un láser. Se enfoca un haz de luz procedente de un láser en el interior de un campo magnético; se deja caer una bolita de una substancia apropiada; cuando alcanza el punto donde se concentra el haz, se pulsa el láser y la bola se vaporiza,formándose una nube de partículas ionizadas muy energéticas.

Nos referiremos seguidamente a los avances logrados en el control de las inestabilidades del plasma. Existen dos métodos principalmente,el método del pozo magnético y el método del corto circuito.

Se puede crear lo que se denomina un pozo magnético, rodeando un campo magnético en el que se utilice el principio de los espejos, del que ya tratamos, por cuatro conductores colocados en sentido longitudinal.
Resulta un campo magnético en forma tal que su intensidad crece en todas las direcciones que se alejan de su centro, y por tanto tiende a reflejar las partículas hacia su interior.

Este dispositivo ha constituido un gran avance en la técnica del confinamiento de plasmas. El otro método importante es, como ya se dijo, el denominado del corto circuito. Un plasma en un campo magnético tiene buena conductividad eléctrica en una dirección paralela a las líneas del campo magnético, puesto que las partículas caminan libremente a lo largo de ellas.

En dirección transversal, la conductividad es bastante mala. Es ésta es la razón por la que cuando los iones positivos y los electrones se separan en una dirección perpendicular al campo, como sucede en cierto tipo de inestabilidades, tienden a permanecer separados y también a circular en dos canales diferentes.
Supóngase ahora que se coloca un conductor en el sistema, de modo que se conecten los canales. Se habrá proporcionado un camino por el cual la corriente podrá fluir, y grupos de iones positivos y de electrones que se habían separado volverán a mezclarse. El mayor interés
en aplicar este principio se centra en los sistemas magnéticos de tipo cerrado como el Stellarator de la Universidad de Princeton.