La energía es la base de la civilización moderna, y la búsqueda de nuevas formas de obtenerla es una de las tareas clave de la ciencia. Entre los proyectos más ambiciosos destaca la idea de la fusión termonuclear controlada, que podría convertirse en una fuente inagotable de recursos. En el centro de estas investigaciones se encuentra el tokamak: un dispositivo capaz de confinar plasma y recrear procesos que ocurren en el interior de las estrellas. Para entender cómo funciona un tokamak, es necesario analizar los detalles de su construcción, los mecanismos de interacción del plasma con el campo magnético y los desafíos que intenta superar.
El plasma y sus características
El cuarto estado de la materia, el plasma, se forma a temperaturas extremadamente altas, cuando los átomos pierden sus electrones y se convierten en una mezcla de partículas cargadas. En el interior de las estrellas este estado se mantiene gracias a la gravedad, que crea presiones enormes y sostiene las reacciones termonucleares. En la Tierra, para alcanzar condiciones similares los científicos emplean distintos métodos de calentamiento, incluidos potentes impulsos eléctricos, láseres y radiación de radiofrecuencia.
Una de las principales dificultades al trabajar con plasma es su contacto con las superficies circundantes, lo que provoca un enfriamiento rápido y pérdida de energía. Para evitar esto, en los tokamaks se usa la tecnología de confinamiento magnético. Los campos magnéticos generados forman un espacio cerrado en forma de toro, donde las partículas se mantienen en un estado aislado. Este enfoque permite conservar la energía y crear condiciones estables para los experimentos.
¿Cómo funciona un tokamak?
El tokamak utiliza dos principios físicos básicos: el movimiento de partículas cargadas en un campo magnético y la transferencia de energía mediante interacciones electromagnéticas. Para comprender su funcionamiento, desglosaremos el proceso por etapas:
- Generación del campo magnético: alrededor del toro se colocan bobinas superconductoras por las que circula corriente eléctrica. Esto crea un campo magnético potente que confina el plasma en el interior. A lo largo del toro también se genera una corriente toroidal en el propio plasma, lo que refuerza el campo magnético y estabiliza su posición.
- Calentamiento del plasma: para alcanzar la fusión termonuclear la temperatura del plasma debe superar los 100 millones de grados Celsius, decenas de veces más alta que en el centro del Sol. Ese calentamiento se consigue mediante varios métodos:
- Calentamiento por inducción: una corriente eléctrica en el plasma provoca resistencia y genera calor.
- Calentamiento por radiofrecuencia: ondas electromagnéticas de alta frecuencia transfieren energía al plasma.
- Inyección de partículas neutras: átomos de alta energía se introducen en el plasma a gran velocidad, donde se ionizan y ceden su energía cinética.
- Estabilización del plasma: las partículas cargadas se mueven en trayectorias helicoidales a lo largo de las líneas del campo magnético. Los tokamaks modernos emplean sistemas complejos de control del campo magnético que reaccionan ante los más pequeños cambios y los corrigen en tiempo real. Por ejemplo, en ITER se usan bobinas de corrección adicionales para prevenir inestabilidades.
- Inicio de la fusión: cuando la temperatura y la densidad del plasma alcanzan los valores necesarios, los núcleos se acercan lo suficiente para vencer la repulsión de Coulomb y fusionarse. El resultado de la fusión son nuevos núcleos, neutrones y una enorme cantidad de energía liberada.
¿Por qué es tan difícil la fusión termonuclear?
La fusión termonuclear exige resolver complejos problemas físicos e ingenieriles:
- Alcanzar temperaturas muy altas: el plasma debe calentarse hasta millones de grados, lo que requiere enormes cantidades de energía.
- Confinamiento del plasma: las mínimas perturbaciones del campo magnético pueden provocar pérdida de estabilidad.
- Materiales para las paredes: las paredes del tokamak deben soportar no solo temperaturas extremas, sino también la intensa acción de neutrones que pueden dañar el material a nivel atómico.
- Eficiencia energética: por ahora los tokamaks consumen más energía de la que producen. Por ejemplo, incluso el experimento más exitoso en el NIF mostró un balance positivo solo en la etapa de fusión, pero el consumo total de energía superó con creces la producción.
Eficiencia energética de los tokamaks
Para que la energía termonuclear sea útil, es necesario aprovechar eficazmente el calor liberado. Una de las formas es convertir la energía de los neutrones en calor para mover turbinas. Sin embargo, este proceso conlleva grandes pérdidas. Por ejemplo, las turbinas de vapor modernas alcanzan una eficiencia de alrededor del 33 %, y para los tokamaks este porcentaje puede ser aún menor debido a las particularidades de la transferencia de calor.
Además, los materiales de los intercambiadores de calor deben resistir una alta carga radiactiva, lo que complica la construcción. Incluso si se logra un balance energético positivo, queda la tarea de optimizar los procesos de enfriamiento y conversión de energía.
Logros y retos actuales
El proyecto más prometedor hoy es ITER, el reactor experimental internacional que se está construyendo en Francia. Su objetivo es demostrar la posibilidad de una fusión termonuclear sostenida. ITER utilizará deuterio y tritio como combustible, lo que garantiza un alto rendimiento energético. Sin embargo, el proyecto afronta varios desafíos:
- Escala: ITER es uno de los mayores proyectos científicos, y su construcción lleva décadas.
- Costo: el presupuesto del proyecto supera los 20.000 millones de dólares, lo que lo sitúa entre los experimentos científicos más caros.
- Plazos: se espera que los primeros ensayos comiencen solo en la década de 2030.
Enfoques alternativos
Aunque los tokamaks son los dispositivos de fusión más estudiados, existen otras tecnologías que compiten por convertirse en la energía del futuro. Por ejemplo:
- Stellaradores: un tipo alternativo de confinamiento magnético que teóricamente puede ser más estable, pero requiere una construcción compleja.
- Fusión por láser: se emplea en el NIF, donde la energía se suministra mediante potentes pulsos láser.
- Fusión magneto-inercial: combina elementos de confinamiento magnético e inercial.
Cada uno de estos enfoques tiene sus ventajas y limitaciones, y aún es difícil saber qué tecnología dominará en el futuro.
Perspectivas de los tokamaks
Los tokamaks, como ITER, constituyen solo la etapa inicial en el camino hacia reactores termoeléctricos comerciales. Los proyectos actuales enfrentan numerosos desafíos, incluidos los altos costos de construcción y las dificultades para escalar las tecnologías.
Sin embargo, el potencial de los tokamaks es enorme. Pueden proporcionar suministro eléctrico las 24 horas, a diferencia de las instalaciones solares y eólicas, que dependen de las condiciones meteorológicas. A largo plazo, los tokamaks podrían ser la solución ideal para regiones con climas extremos o para uso en el espacio.
