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TRABAJO PRACTICO DE QUíMICA

TEMA: "FUSIóN NUCLEAR"

23 - VIII- 1996

Introducción:

La fusión nuclear es un proceso alternativo al de la fisión para generación de energía nuclear. Este proceso ocurre naturalmente en las estrellas entre núcleos de elementos livianos y constituye la principal fuente de energía estelar. Durante muchos millones de años nuestro Sol, conjuntamente con muchas estrellas, ha estado irradiando energía continuamente en una enorme escala. Aunque nuestra existencia en la Tierra ha dependido de esta irradiación, no se ha empezado a comprender el proceso de esta emisión hasta hace cierto tiempo. Se comprobó hace mucho tiempo que las fuentes "químicas" de producción de energía no suministrarían la cantidad que se ha observado produce el Sol sino durante algunos milenios. Sin embargo, pudo demostrarse mediante una prueba geológica, que el Sol ha estado irradiando, con su actual potencia, durante millones de años, y de aquí que la energía tenga que producirse como consecuencia de un fenómeno que difiera fundamentalmente de las operaciones químicas con las que estamos familiarizados.

Las especulaciones, acerca de la fuente de la energía del Sol se incrementaron a finales del siglo XIX, cuando el descubrimiento de la radioactividad condujo a la idea de que la energía "atómica", podía ser, de algún modo, la base de la radiación solar. En 1920, Sir Arthur Eddington sugirió la posibilidad de que esta energía solar se liberase durante la formación del helio a partir de hidrógeno.

La teoría de Eddington recibió un amplio apoyo, aunque en aquel momento nadie era capaz de explicar como podía producirse la transformación del hidrógeno en helio. En 1929, sin embargo, R. D'E. Atkinson y F. G. Houtermans sugirieron que la energía podía ser liberada en las estrellas en general y en el Sol, como resultado de la fusión del núcleo atómico de los elementos muy ligeros (principalmente del hidrógeno) a temperaturas muy altas. Estas reacciones de fusión se denominan "reacciones termonucleares", y hoy se admite que la gran proporción en que se producen explican las enormes cantidades de energía solar observadas.

Sólo en los últimos veinte años hemos pensado seriamente en la posibilidad de alcanzar una fuente similar de energía en escala terrestre. En el presente trabajo se describen los progresos realizados en tal sentido, las posibilidades previstas para el futuro, y otra serie de elementos relacionados con la fusión nuclear.

La Energía Nuclear:

Todo lo que podemos tocar -cada árbol, cada semilla, cada gota de lluvia- consta de billones de átomos situados unos muy cerca de otros. Toda la materia, por más pequeña que sea, está constituida por átomos. Éstos son demasiado pequeños para ser vistos por el ser humano, pero son las unidades constructivas de todo lo que existe en el Universo.

La Energía Nuclear (o Energía Atómica) es la energía liberada cuando se dividen cierto tipo de átomos. En el interior de un reactor nuclear esta división tiene lugar bajo condiciones controladas cuidadosamente. El funcionamiento de las armas atómicas depende también de esta división de átomo, pero se lleva a cabo en condiciones totalmente distintas; tal es el caso de una bomba atómica. En ambos casos se libera una gran cantidad de energía al dividir el átomo.

En un reactor nuclear la energía se usa para hacer hervir el agua y producir vapor, el cual acciona turbinas de vapor y produce electricidad. Bajo este aspecto no existe diferencia entre una central nuclear y una central térmica que utilice carbón o fuel oil como combustible; ambas utilizan turbogeneradores para transformar el calor en electricidad. Sin embargo, a diferencia del carbón o el petróleo, la energía nuclear no se puede utilizar para otros fines que no sean la producción de electricidad. Ello es debido a que la energía nuclear precisa de medios de control muy complejos para que su liberación se efectúe de forma segura, y de protecciones de gran espesor para evitar que puedan escapar los peligrosos productos generados en la división atómica.

Las primeras centrales nucleares se construyeron en Inglaterra y en Estados Unidos de Norteamérica alrededor de 1950. Actualmente existen más de 250 centrales nucleares en funcionamiento en todo el mundo y un numero todavía mayor en construcción.

División del Átomo:

La mayoría de los átomos son muy difíciles de dividir. El núcleo que forma parte de los mismos y que se halla situado en su centro se mantiene unido por fuerzas muy poderosas, y para vencer estas fuerzas se necesita gran cantidad de energía. Por ello, Lord Rutherford, uno de los más grandes físicos atómicos, dudaba que algún ida se pudiera extraer la energía producida en la división de un átomo.

Pero Rutherford murió en 1937, dos años antes de que ocurriera algo inesperado: Otto Hahn y Lise Meitner descubrieron que los átomos del metal uranio se podían dividir con bastante simplicidad. Un átomo de uranio se puede dividir en otros dos átomos más ligeros mediante un proceso denominado FISIóN. Constituyó, en ese entonces, el descubrimiento más grande del siglo XX.

Dos circunstancias daban a la fisión una importancia vital en los campos económico y militar. La primera era que producía energía. La segunda, igualmente importante, era que, una vez iniciado el proceso, el uranio proseguía la fisión por el mismo.

Fisión Atómica:

Las reacciones de fisión controlada en los reactores nucleares tienen grandes aplicaciones y aún mayor potencial. No existe posibilidad de explosión porque los elementos combustibles de un reactor nuclear no tienen ni la composición ni la ordenación tan compacta de la masa critica de una bomba en el instante de la explosión. Sin embargo, siempre hay ciertos peligros asociados con la generación de energía nuclear. Puede ocurrir una "fundición" si el sistema de enfriamiento no se utiliza adecuadamente. También debe haber un blindaje apropiado que asegure que los radionúclidos producidos estén contenidos siempre dentro de los reactores y que no escapen radiaciones.

1.    Reactores de agua ligera

Un reactor de fisión consta de cinco componentes principales: 1)combustible, 2)moderador, 3)barras de control, 4)sistema de refrigeración y 5)escudo.

Combustible: el combustible son barras de Uranio, enriquecidas con uranio-235.

Moderador: las reacciones de fisión se efectúan más eficazmente con neutrones lentos. Por tanto, los neutrones rápidos producidos por la fisión deben ser frenados por colisiones con átomos de peso comparable, para que no los absorban. Dichos materiales se denominan moderadores. El moderador que suele emplearse con mayor frecuencia es el agua ordinaria, o el grafito. El moderador más eficaz es el helio (He), y le sigue en eficacia el "agua pesada" (oxido de deuterio).

Barras de control: el control de la velocidad de una reacción de fisión se consigue al emplear barras de control móviles, por lo general de cadmio o de aceros borados. Se introducen y se sacan automáticamente en los espacios situados entre las barras de combustibles.

Sistema de refrigeración: en practica se necesitan dos sistemas de refrigeración. Primero, el moderador actúa como refrigerante del reactor. Se transfiere el calor generado por la fisión a un segundo sistema denominado generador de vapor; este convierte el agua en vapor que va a las turbinas al impulsar el generador para producir electricidad. Otro refrigerante (agua de río, de mar o agua reciclada) condensa el vapor de la turbina y el condensado se recicla a la generación de vapor.

Escudo: es esencial para las personas y el entorno una adecuada protección de una posible exposición a los radionúclidos. Por ello, todo el reactor esta encerrado en un recipiente de acero que esta alojado en un muro suficientemente espeso. Los operadores están protegido además por los denominados escudos biológicos, una capa bastante gruesa de material orgánico obtenido al comprimir fibras de madera. Este escudo absorbe además las radiaciones beta y gamma que de otra manera serian absorbidas por el cuerpo humano.

2.     Reactores generadores:

Se ha predicho que en 50 años se agotara la fuente de Uranio-235. Sin embargo, el uranio-238 es unas 100 veces más abundante y puede convertirse en plutonio-239, fisionable. De hecho, esto ya se hacen alguna extensión en los reactores de agua ligera.

U + n ------- Pu + 2 b

Pueden construirse reactores denominados generadores que no lo generan grandes cantidades de calor generadas por fisión, sino también más combustible que puede utilizar neutrones absorbidos por una camisa de torio o uranio y causar la reacción anterior. Sin embargo, es difícil diseñar un reactor generador. Este tipo de reactores requiere el uso de neutrones rápidos, por ello no necesita moderador, pero el control es más difícil. Operan a temperaturas superiores a la de los reactores de agua ligera, de manera que no puede utilizarse el agua como refrigerante y debe usarse sodio liquido, que no es un moderador de neutrones. El sodio es muy reactivo, sobre todo a temperaturas elevadas y tiende a atacar las paredes del contenedor. El calor debe ser transferido con gran eficacia, porque el plutonio-239 funde a una temperatura más o menos baja, 640�C.

Regeneración:

La finalidad de la regeneración es la recuperación del U-235 no utilizado que se halla en el interior de la masa del combustible agotado. La regeneración se lleva a cabo mediante un proceso químico, controlado a distancia y protegido bajo una capa de hormigón. Los elementos de combustible se disuelven en ácido nítrico y se separan químicamente entres fracciones: la primera contiene Uranio, la segunda plutonio, y la tercera los residuos de la reacción de fisión, que son radiactivos. El combustible utilizado, al ser extraído del reactor, es altamente radiactivo y debe transportarse hacia la planta de regeneración bajo condiciones de extrema seguridad. El Uranio regenerado, que representa alrededor del 98% de los productos de fisión, se devuelve a la planta de fabricación de combustible para incorporarlo a nuevos elementos de combustible. La cantidad de plutonio obtenida, queda de momento almacenada. Los residuos (la tercera fracción), deben almacenarse en lugares perfectamente seguros durante mucho tiempo.

Residuos Nucleares

El asunto de los residuos nucleares es uno de los problemas más preocupantes a los que debe hacer frente la industria nuclear. Las cantidades no son grandes, pero si son altamente radioactivas. Cuando los residuos salen de la planta de regeneración, en forma de una disolución en ácido nítrico, pasan por el interior de tubos de acero inoxidable, hasta depósitos especiales en los cuales se almacenan. Los depósitos se rodean de circuitos de refrigeración y agitadores para evitar la formación de cuerpos sólidos en la periferia o los rincones del fondo. Los residuos radioactivos pueden resultar más seguros en forma de sólido. Una de las formas de conseguirlo es mezclando estos desperdicios con los minerales que se usan para la fabricación de vidrio, calentando la mezcla en un horno hasta su fusión, transformándose en un sólido de aspecto parecido al vidrio. Las piezas que resultan, en forma de grandes cilindros, se muelen y el polvo que resulta puede almacenarse bajo tierra sin requerir atenciones especiales durante cierto tiempo.

Máquinas Nucleares:

La propulsión por energía nuclear es posible en los barcos. Los petroleros y los portaaviones son barcos de tal tamaño que la colocación en su interior de un reactor puede llevarse a cabo fácilmente. Y, en los submarinos, la propulsión nuclear ofrece la posibilidad de desplazarse a velocidad máxima, sumergidos, dando la vuelta al mundo sin repostar, lo cual representa una enorme ventaja sobre los submarinos convencionales, desde el punto de vista militar.

Los submarinos nucleares que operan en las armadas norteamericana e inglesa usan reactores de agua a presión para su propulsión y llevan funcionando varios años. La armada de los Estados Unidos de Norteamérica posee tres portaaviones nucleares y la ex-URSS posee, entre otros, un rompehielos, el Lenin, movido por esta energía.

Energía de fusión:

La fisión nuclear no es la única reacción de este tipo que produce energía. Hay otra que produce, quizás, mayor cantidad de la misma: la fusión nuclear. A la fusión nuclear se debe la energía que contienen el Sol y las estrellas y es la que produce también la inmensa energía destructiva de la bomba de hidrógeno.

La fisión es el proceso por el cual un núcleo ató mico grande se divide en partes, para formar otros dos más pequeños. La fusión es exactamente lo contrario: la combinación de dos núcleos ligeros para formar otro más pesado. Cuando ello sucede, la masa del elemento más pesado que se ha formado es ligeramente menor que la suma de las masas de los elementos que lo han originado o sea, que del mismo modo que en el caso de la fisión, la masa parece haber desaparecido. Realmente, lo que ha sucedido es que se ha convertido en energía.

Para poder distinguir unos isótopos de otros utilizamos dos números: el numero atómico (Z), que indica el numero de protones del núcleo, y el numero másico (A), que indica el numero de nucleones (la suma de protones y neutrones). Por lo tanto, cada isótopo del mismo elemento tiene el mismo símbolo, igual Z y distinto A. Energía de enlace: la masa de un protón vale aproximadamente 1,6725 x 10^-27 kilos y la masa de un neutrón vale 1, 6748 x 10^-27 kilos.

Según estos valores, la masa del Helio, H, compuesto de 2 neutrones y 3 protones, debería ser de 6,6946 x 10^-27 kilos. Sin embargo, las mediciones de la masa del núcleo de Helio dan un valor de 6, 6482 x 10^-27 kilos. Entonces comprobamos la perdida de 0,0464 x 10^-27 kilos.

El origen de este fenómeno hemos de buscarlo en una de las consecuencias de la teoría de la relatividad, según la cual la masa no es más que una forma de la energía. De este modo, al unirse los nucleones pierden energía, ya que las fuerzas nucleares estabilizan sus uniones en el núcleo. En el núcleo, esta energía se denomina energía de enlace. Para obtener energía podremos tomar dos caminos:

•      Rompiendo elementos muy pesados (A>200) para obtener núcleos más estables. Es el proceso que denominamos fisión nuclear.

•      Uniendo elementos ligeros (A<20) para dar elementos más pesados, más estables, con lo que también se recupera parte de la energía de enlace. Es el proceso que denominamos fusión nuclear. Así ocurre en la reacción:

H + H � He + n + 17,6 MeV

En ella, el resultado de la fusión de dos núcleos de hidrógeno, uno de masa 2 (deuterio), y el otro de masa 3 (tritio), es un núcleo de Helio (He), un neutrón (n) y energía (17,6 MeV).

Física básica de la fusión

La reacción de fusión:

Los núcleos atómicos de los elementos ligeros pueden fusionarse para formar un elemento más pesado, liberando en el proceso un exceso de energía.

Normalmente, los núcleos se repelen unos a otros al llevar todos cargas positivas. Pero a altas temperaturas, los núcleos pueden moverse de forma muy veloz, colisionando con la fuerza suficiente como para vencer su repulsión mutua y unirse. En la reacción de fusión que más fácilmente puede lograrse se unen núcleos de deuterio y tritio, ambos isótopos del hidrogeno, a altas temperaturas, creándose helio y desprendiéndose energía en forma de neutrones muy energéticos.

Requerimientos de un reactor de fusión:

Sin embargo, para fabricar un reactor de fusión practico; es decir, uno que cree más energía de la que consume para calentar el combustible de deuterio-tritio, son insuficientes unas cuantas reacciones de fusión ocasionales. El combustible debe alcanzar una temperatura de, al menos, cien millones de grados centígrados, una temperatura catorce veces superior a la existente en el centro del Sol.

Además, para que la probabilidad de colisión sea máxima, los núcleos que se mueven al azar a alta velocidad deben confinarse muy cerca unos de otros durante un periodo de tiempo mínimo y a una densidad suficiente. Dependiendo de esta densidad, necesitaremos un valor u otro del tiempo de confinamiento.

En unas condiciones típicas de cien millones de grados centígrados y con una densidad que oscile entre 10¹⁰ a 10¹⁴ partículas por centímetro cubico, los núcleos a altas velocidades deberán estar confinados durante un tiempo aproximado de un segundo. Esta condición es conocida como el criterio de Lawson, que luego será explicado en detalle. Si el combustible estuviera formado por partículas a mayor densidad, el tiempo de confinamiento podría ser menor. Si el combustible tuviera menor densidad, el plasma tendría que mantenerse durante aún más tiempo.

El Plasma:

Cuando se calienta un gas hasta una temperatura alta, los átomos del gas quedan "ionizados". Los electrones, que habitualmente se encuentran en órbita alrededor de los núcleo de los átomos, se escapan, y se forma una mezcla de "iones" nucleares cargados positivamente, y de electrones cargados negativamente. A esta mezcla se la llama plasma, y sus propiedades son muy diferentes a las de un gas en ocasiones, se dice del plasma que es el cuarto estado de la materia.

El plasma, por ejemplo, es un excelente conductor eléctrico. Al estar formados por partículas cargadas, puede verse afectado y ser controlado mediante campos magnéticos.

Cuando el combustible de fusión deuterio-tritio se calienta hasta altas temperaturas, forma un plasma que puede confinarse durante el tiempo suficiente como para permitir que ocurran abundantes reacciones de fusión.

Plasma Ionizado (copia de Diagrama del Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton.)

figura 5

Fuente: "Fusión, de Robin Herman."

El confinamiento del plasma:

Cuando se aplica un campo magnético a un plasma, cada partícula cargada del plasma se ve forzada a moverse en círculos en torno a las líneas magnéticas de fuerza.

figura 6

Fuente: "Fusión, de Robin Herman."

Dispositivos de fusión

Dispositivos de confinamiento magnético:

Se pueden señalar varias direcciones de investigaciones principales:

a)   Método de autoconstricción, en el que el campo magnético confinador esta producido por corrientes eléctricas en el interior del plasma. (Autoconstricción lineal y toroidal)

b)   Método del Stellarator, en el que el plasma esta confinado en un tubo infinito por medio de campos magnéticos axiales externos.

c)    Método de los espejos magnéticos, en el que el plasma esta confinado en un tubo recto por medio de campos magnéticos axiales externos, más internos en los bordes que en el centro.

d)   Método del Tokamak.

e)   Calentamiento a Láser.

a) Efectos de Autoconstricción

Principio del método:

Las maquinas de Autoconstricción están basadas en la interacción de una corriente eléctrica en un gas con el campo magnético creado por la propia corriente.

Considerando una masa de gas encerrada en un recipiente, por ejemplo, un tubo recto de vidrio, a la que se aplica repentinamente una tensión eléctrica axial (fig. 7). El gas se ioniza rápidamente y forma un plasma de conductividad eléctrica muy elevada. En la superficie exterior del plasma se produce una capa muy fina de corriente eléctrica. Esta corriente crea un campo magnético que la rodea ejerciendo una presión magnética que tiende a contraer la columna de plasma hacia el centro del tubo, esto es, se produce la Autoconstricción, que va acompañada de un fuerte calentamiento del gas, debido al efecto Joule, a compresión no adiabática y al choque de la pared magnética que empuja los electrones y iones hacia el centro del tubo.

En el calentamiento óhmico, la energía se transfiere directamente a los electrones que, por colisión, ceden una parte a los iones. Como la conductividad eléctrica del plasma a temperaturas muy elevadas es muy grande, este efecto solo tiene importancia hasta temperaturas del orden del millón de grados.

Por el contrario, la compresión afecta por igual a iones y electrones. En el calentamiento por choque, como las partículas al rebotar contra la pared vuelven hacia el centro del tubo con velocidad doble, es mayor el calentamiento de los iones.

Se comprende fácilmente que para alcanzar temperaturas termonucleares que necesitaran corrientes muy intensas, del orden del millón de amperios. En consecuencia, el funcionamiento de estas maquinas en régimen continuo seria muy difícil, por lo que todas ellas trabajan por impulsos, esto es, intermitentemente.

Estabilización del confinamiento:

Aunque se han construido algunas maquinas de este tipo tan sencillo, presentan, sin embargo, un grave inconveniente: la constricción no es estable. Cualquier deformación que aparezca origina fuerzas que tienden a aumentarla hasta que la constricción termina por romperse (figura 8).

Para evitar esta dificultad, sin renunciar al método, habría dos posibilidades: aumentar la temperatura y densidad del plasma lo más rápidamente posible, para alcanzar temperaturas termonucleares antes de que aparezcan inestabilidades, o tratar de estabilizar la constricción.

El primer método, aunque posible en principio, exigiría corrientes del orden de 10⁹ A y campos de 10⁶ V/cm. Por otra parte, el desprendimiento de energía termonuclear seria explosivo, equivalente a una tonelada, aproximadamente, de TNT por centímetro de longitud de la constricción.

El segundo método (estabilización de la constricción) parece ofrecer más posibilidades. Aunque se han propuesto muchos procedimientos, el más usual consiste en emplear campos magnéticos longitudinales.

Los campos longitudinales se pueden aplicar de dos modos: campos atrapados por el plasma y recipientes con paredes conductoras, y campos con distribución más o menos uniforme en toda la cámara, esto es, dentro y fuera del plasma. Ambos procedimientos se han estudiado teórica y experimentalmente. Se puede demostrar por calculo que si el campo longitudinal exterior a la constricción es pequeño y el radio de esta no es muy pequeño respecto del conductor externo, es posible alcanzar una estabilización completa.

Con campos de estabilización interiores y exteriores a la constricción, se puede conseguir una estabilización completa, en una longitud limitada, si la corriente solo pasa por una delgada capa del plasma. Si la corriente esta uniformemente distribuida por toda la sección de la columna, no se estabilizan todos los tipos de perturbación.

Otro tipo usual de estabilización consiste en dar forma helicoidal al conductor que rodea al tubo de descarga y que sirve de conductor de vuelta. En este sistema no hay campo estabilizador antes de la descarga; esta se produce cuando pasa la corriente, y, a causa de la ionización del gas, este queda atrapado cerca de la superficie exterior del plasma. Por este sistema se estabilizan las perturbaciones de estrangulación, que son las más rápidas y, por consiguiente, las más peligrosas. La ruptura de la constricción se debe entonces a inestabilidades de curvatura.

Calentamiento del plasma por interdifusión de campos:

Con campos estabilizadores axiales, la constricción es mucho menor y la eficacia del calentamiento por choque, limitada. Sin embargo, en estas condiciones interviene un nuevo proceso de calentamiento, debido que la estabilización de la constricción no se mantiene indefinidamente. El campo axial se extiende y se mezcla con el acimutal que rodea a la constricción y, en esta dilatación, pierde energía que cede al plasma.

Se ha demostrado por calculo que si las únicas perdidas de energía del plasma son las debidas a Bremsstrahlung, por este procedimiento se pueden alcanzar temperaturas termonucleares. Sin embargo, es necesario que la velocidad de interdifusión de campos no sea demasiado grande para que la estabilidad de la constricción se mantenga hasta que se alcance un grado considerable de quema del combustible nuclear. En la practica, todos los sistemas de autoconstricción son lineales o toroidales.

Autoconstricciones lineales

En la autoconstricción lineal, el plasma se enfría al entrar en contacto con los electrodos. Esto obliga a efectuar descargas muy rápidas para que la temperatura prevista pueda alcanzarse antes de que se produzca este enfriamiento que impediría el calentamiento. Las posibilidades de almacenamiento de la energía, que en un tiempo muy breve se ha de descargar en el plasma, quedan así muy limitadas. El método usualmente empleado consiste en utilizar bancos de condensadores de gran capacidad, cargados a un potencial relativamente elevado que, en el instante deseado, se descargan en el sistema a través de un interruptor. Como el periodo de la descarga viene dado por:

T = 2p �LC

siendo C la capacidad y L la inductancia del sistema, hay que reducir en lo posible ambos factores. La capacidad no puede limitarse excesivamente, ya que interesa comunicar una cantidad considerable de energía al sistema. Como la energía E almacenada es:

E = � C V²

es evidente que será ventajoso emplear altas tensiones. Sin embargo, esto introduce dificultades practicas: aislamiento, interruptores para alta tensión y corrientes muy elevadas, etc. Por esta razón las tensiones usuales son de decenas de kilovoltios.

La inductancia se puede reducir notablemente cuidando la construcción de los condensadores e interruptores y el sistema de conexión. Con estas precauciones se han alcanzado periodos de 1 ms. También ha de reducirse al máximo la resistencia del circuito, ya que, con las elevadas corrientes utilizadas, la disipación de energía por efecto óhmico puede ser considerable.

En la figura 8 está representado un sistema de autoconstricción lineal, el Columbus T₂. Consiste en un tubo de pared metálica (hoja de acero ondulada), de 90 cm de diámetro y 3,6 metros de longitud, conectado eléctricamente a dos tubos cilíndricos huecos de 30 cm de diámetro, que forman los electrodos. Por tanto, el tubo exterior conduce en paralelo con la descarga, lo que da una distribución uniforme de potencial. El ánodo está unido por tiras de cobre a barras aisladas de acero que forman los conductores de retorno. La energía se almacena en un banco de condensadores de 3 kV y 300 kJ. El campo estabilizador axial es de 500 gauss. Con esta máquina se alcanzan corrientes de 600.000 A.

Autoconstrictores toroidales

El efecto de enfriamiento del plasma en los electrodos se evita empleando tubos sin electrodos, esto es, tubos toroidales. En estos no es preciso que la descarga sea tan rápida, por lo que la tolerancia en el valor de las inductancias es mayor; incluso, en ocasiones, el arrollamiento primario lleva núcleo de hierro.

En la figura 10 esta representado el ZETA. El esquema de principio se representa en la figura 11: un banco de condensadores se descarga, a través de un interruptor, en el primario de un transformador con núcleo de hierro. El secundario esta formado por el gas ionizado. Consiste en un toro metálico de 107 cm de diámetro de tubo, hecho en dos mitades aisladas eléctricamente por juntas de baquelita y politeno. Interiormente el tubo esta recubierto por tubos cortos de material aislante. El transformador tiene dos arrollamientos; uno sirve para una polarización fija de 400 A (campo de 15.000 gauss), suministrada por un rectificador, y otro, para el impulso procedente del banco de condensadores. De 25kV, esto es, capaz de almacenar una energía de 500.000 J.

El arrollamiento para el campo estabilizador (de unos 150 gauss) va sobre el propio toro metálico y esta alimentado por una corriente continua de 200 A, o bien por impulsos de hasta 1.000 A y 1 s de duración.

En el ZETA las descargas son de una duración de 3 ms y se repiten cíclicamente cada 10 s. Las temperaturas alcanzadas son del orden de 7 x 10⁶ �K.

b) El Stellarator

Confinamiento del plasma

La idea fundamental del método consiste en confinar un plasma en un tubo infinito, por medio de campos magnéticos externos.

Consideremos el sistema más sencillo: un toro con un arrollamiento externo que proporciona un campo axial (fig. 12). Las líneas magnéticas se cierran sobre si mismás después de una revolución. Ahora bien, la intensidad del campo magnético no es constante en la sección del tubo del toro, puesto que dos espiras consecutivas están más próximás por el borde interior que por el exterior; el campo decrecerá hacia el exterior. A consecuencia de esta heterogeneidad, las partículas no describirán hélices en torno a las líneas magnéticas, sino que, además, sufrirán desplazamientos en sentidos contrarios según sus signos. Como consecuencia de la separación de cargas, aparecen campos eléctricos que tienden a neutralizar el efecto del campo magnético confinador.

Figura 12

Fuente: "Era Atómica, tomo III, "La Energía Atómica"

Para evitar esta dificultad, Spitzer sugirió substituir el toro por un ocho (fig. 13a). Como las curvaturas son opuestas en los dos extremos curvados del ocho, los desplazamientos de las partículas también lo serán, con lo que, aunque no se compensen exactamente, habrá una reducción notable de este efecto.

Por otra parte, la figura en ocho presenta otra ventaja, ya que las líneas de fuerza no se cierran sobre si mismas como en el toro, sino que en cada giro la intersección de una línea de fuerza con un plano normal al tubo del ocho se desplaza algo respecto a la posición anterior. Después de un gran numero de vueltas, las sucesivas intersecciones con dicho plano estarían sobre una curva como la indicada por la línea de puntos de la fig. 13b. Prácticamente, esto equivale a decir que la línea de flujo del toro esta substituida en el ocho por un tubo de flujo. Como las partículas cargadas pueden moverse sin dificultad a lo largo de las líneas de flujo, cuando se inicie una separación de cargas, se neutralizara por corrientes a lo largo de este tubo de flujo.

Figura 13

Fuente: "Era Atómica, tomo III, "La Energía Atómica"

Sin embargo, en esta maquina aparece un nuevo tipo de inestabilidad, debido a que, en algunas regiones, las líneas de fuerza presentan cierta concavidad hacia el plasma (fig. 14). Intuitivamente, dichas líneas se pueden asimilar a bandas elásticas, que tienden a acortarse. Por otra parte, el plasma ejerce una presión y tiende a aumentar de volumen. En consecuencia, en la configuración indicada, las líneas de fuerza y el plasma tienden a intercambiar sus posiciones, con lo que desaparecería el confinamiento.

Figura 14

Fuente: "Era Atómica, tomo III, "La Energía Atómica"

Esta inestabilidad, llamada de intercambio, se puede eliminar añadiendo al arrollamiento que produce el campo axial, otro helicoidal. Este arrollamiento tiene otra ventaja: produce un giro de las líneas de fuerza, que hace innecesario el empleo de la figura en ocho. Con este arrollamiento helicoidal, las líneas de fuerza del toro ya no se cierran sobre si mismas y desaparece el inconveniente de separación de cargas. Esto permite adoptar la configuración llamada "pista de carreras", indicada en la figura 15.

Aunque la idea del Stellarator es que sea una maquina de funcionamiento continuo, el consumo de potencia que esto exigiría ha aconsejado que, mientras estas maquinas estén dedicadas a estudios sobre física del plasma, funcionen en forma pulsaste. El campo confinador se produce, como en los sistemas de autoconstricción, por descarga de un banco de condensadores.

Figura 15

Fuente: "Era Atómica, tomo III, "La Energía Atómica"

Calentamiento

Para la producción de las elevadas temperaturas que se pretenden alcanzar con este tipo de maquinas, hay varios métodos de calentamiento. Supondremos que el plasma esta parcialmente ionizado.

1.  Calentamiento óhmico.

Consiste en inducir una corriente axial en el plasma, que actúa como secundario de un transformador. Esta corriente no produce efecto de autoconstricción porque el campo acimutal creado por ella es mucho menor que el campo confinador. Hay una limitación de la corriente máxima en el plasma, debida al efecto siguiente: el campo eléctrico axial acelera preferentemente los electrones que chocan con los iones cediéndoles energía. La probabilidad de choque disminuye mucho al aumentar la temperatura, por lo que la transferencia de energía a los iones disminuye. En consecuencia, la temperatura de los electrones aumenta mucho más rápidamente que la de los iones, que son los que intervienen en las reacciones de fusión. Por otra parte, al aumentar la temperatura del plasma, su conductividad aumenta rápidamente, y a temperaturas muy elevadas el calentamiento óhmico se hace despreciable. El limite de temperatura que se puede alcanzar por este método es del orden del millón de grados.

2.  Calentamiento por bombeo magnético.

Si, en lugar de un campo eléctrico paralelo, pretendemos aplicar uno perpendicular a las líneas de fuerza, el propio plasma actúa como blindaje contra el campo electrostático externo. Sin embargo, se pueden inducir campos eléctricos por pulsación del campo magnético condensador. Las líneas magnéticas se mueven entonces hacia adentro y hacia fuera produciendo compresiones y expansiones del plasma; de esto proviene el nombre del método. Si no intervienen procesos simultáneos que conduzcan a perdidas a las paredes, se pueden alcanzar temperaturas muy altas.

Se ha establecido teóricamente que el calentamiento de iones positivos es más eficaz si el periodo de pulsación del campo magnético es próximo a uno de los dos periodos naturales de los iones: tiempo necesario para que un ion positivo recorra la sección de calentamiento. Este procedimiento, aunque relativamente lento, permitiría alcanzar temperaturas termonucleares si se mantuvieran muy bajas las perdidas de energía.

3.  Calentamiento por resonancia a la frecuencia de ciclotrón de los iones.

Si el periodo del campo eléctrico oscilante coincide con el de giro de los iones positivos del plasma, se puede conseguir un calentamiento rápido de plasmas de baja densidad. Sin embargo, en este procedimiento se produce comparación de cargas, por lo que, en plasmas de densidad despreciable, los campos electrostáticos originados impiden el calentamiento. Esta dificultad se podría evitar empleando dos secciones adyacentes de calentamiento con el mismo periodo, pero desfasadas 180�.

En resumen, el Stellarator consiste en conductores eléctricos helicoidales en torno a una cámara de vacío que crean un campo magnético oscilante que atrapa a las partículas del plasma. El Stellarator depende exclusivamente de los campos creados externamente. Las versiones posteriores fueron circulares y añadieron circuitos eléctricos toroidales generadores de campo.

Todos estos sistemas están aun en fase experimental, más o menos avanzada. Experimentos con aparatos Stellarator de diversos tamaños permiten adquirir conocimientos cada vez más profundos, tanto sobre los fenómenos que perturban el confinamiento, como sobre los resultados de los métodos de calentamiento. El claro objetivo final es una máquina de funcionamiento continuo.

c)  Método de los espejos magnéticos

Principio del método

Como ya hemos dicho, cuando una partícula cargada se mueve en un campo magnético cuya intensidad aumenta en dirección paralela a la local de las líneas del campo, la componente de la velocidad en esta dirección va haciéndose cada vez menor y puede llegar a invertirse el sentido del movimiento.

Figura 17

Fuente: "Era Atómica, tomo III, "La Energía Atómica"

Supongamos un tubo recto, como el indicado en la figura 17, con un campo magnético axial más intenso en los extremos, e imaginemos que se ha inyectado en su interior un haz de partículas muy energéticas. Aquellas cuya velocidad forme un ángulo suficientemente grande con la dirección de las líneas de fuerza, se reflejaran al alcanzar la zona de campo intenso. La condición para que la partícula quede atrapada no depende de su carga, masa, energía o posición espacial, ni de la intensidad absoluta o de la configuración del campo. Esto permitirá mantener confinadas partículas de distintos tipos, cargas y energías.

Aunque el efecto de confinamiento por espejos magnéticos se puede conseguir con campos que no tengan simetría axial, esta simetría presenta varias ventajas. La principal de ellas consiste en lo siguiente en los sistemas de espejos magnéticos hay siempre gradientes o curvaturas de las líneas, que originan desplazamientos de las partículas a través de las líneas de campo. Además, estos desplazamientos son de signo contrario para iones y electrones, por lo que se produce separación de cargas y, por consiguiente, se originan campos eléctricos que pueden conducir a un desplazamiento general del plasma hacia las paredes, a través de las líneas de fuerza. Si el campo tiene simetría axial, también la tendrán los desplazamientos, esto es, habrá un solo desplazamiento rotaciones de las partículas en torno al eje de simetría. Este desplazamiento será de sentido contrario para iones y electrones, pero no dará lugar a una separación de cargas, puesto que el flujo se cierra sobre si mismo.

Es fácil comprender que el confinamiento del plasma por espejos magnéticos no se mantiene indefinidamente. En primer lugar, las colisiones entre partículas irán aumentando la energía axial a expensas de la normal, por lo que aumentara el numero de partículas que entran en el cono de escape. Por otra parte, esta el problema de las inestabilidades. En los espejos magnéticos, hay zonas en que las líneas de campo presentan su concavidad hacia el plasma y, por consiguiente, habrá una tendencia al intercambio de posiciones entre las líneas de fuerza y el plasma, destruyéndose el confinamiento.

En resumen, el método de los espejos magnéticos consiste en un dispositivo, habitualmente de forma lineal. Las líneas de campo magnético son más intensas en sus extremos, de forma que puedan "reflejar" hacia taras a las partículas del plasma, volviéndose estas al dispositivo; a pesar de todo, sigue existiendo una perdida de partículas, pues alguna se escapan por los extremos.

Figura 18

Fuente: "Fusión, de Robin Herman."

Calentamiento del plasma

Las maquinas de espejo funcionando e manera algo diferente a otros tipos de maquinas. En estos se parte de una cámara que contiene un gas neutro que ioniza, calienta y confina. Por el contrario, en las maquinas de espejo se parte de cámaras evacuadas en las que se inyecta un plasma relativamente energético que se calienta. Hay métodos de inyección y calentamiento.

Método de calentamiento

El método de calentamiento más usado en estos sistemas es el de compresión. Se puede aplicar de estas dos formas:

1.    Compresión radical. Se consigue aplicar una compresión radical y adiabática del plasma aumentando uniformemente la intensidad del campo confinador.

2.    Compresión axial. Se produce una compresión axial y adiabática del plasma aproximando los espejos.

Método de inyección

Se han ensayado diversos métodos de inyección del plasma. Los más usados consisten en inyectar un plasma de baja energía en dirección axial al campo magnético confinador y aumentar rápidamente este para que el plasma quede atrapado.

Otro procedimiento consiste en inyectar, a través de la cámara, dos haces de plasma dirigidos hacia el eje de la misma. Aumentando el campo confinador con una rapidez conveniente, se puede conseguir atrapar gran parte del plasma cuando ambos haces chocan en el centro de la maquina.

La inyección de iones de alta energía, que seria conveniente para alcanzar temperaturas termonucleares, por ulterior compresión, es difícil, puesto que los iones inyectados en un campo magnético vuelven a salir, a menos que mientras permanecen dentro del campo se pueda cambiar su órbita.

Figura 19

Fuente: "Superconductividad...", de J. L. Mayo.

Un modo de conseguirla consiste en inyectar iones moleculares e intentar disociarlos antes de que salgan del campo magnético. Como la masa del ion atómico es la mitad del molecular, el radio de curvatura se reduce a la mitad y el ion puede quedar atrapado por el campo.

Esta disociación se puede producir por choque de los iones con los átomos y moléculas del gas residual o con iones del plasma ramificado antes producido en la cámara.

En Oak Ridge el sistema de disociación consiste en hacer atravesar los iones, inyectados normalmente al campo, a través de u n arco de carbón.

EL DCX

Una de las experiencias más interesantes de maquinas de espejo es el DCX de Oak Ridge. Su esquema de principio se representa en la figura 20.

Figura 20

Fuente: "Era Atómica, tomo III, "La Energía Atómica"

Los iones moleculares precedentes de un generador de 1 mA se enfocan en un acelerador de 600 keV, en el que esta prevista la interrupción del haz por medio de placas desviados. Después de acelerado, el haz se desvía unos 10� por medio de un campo magnético. Esta desviación tiene por objeto eliminar impurezas y dirigir el haz hacia el arco de carbón. El haz molecular choca con el arco en un punto muy próximo al eje magnético, y los iones disociados describen circunferencias concéntricas con el eje magnético. La corriente del arco es normalmente de 200-300 A, y la tensión, de 150 V.

Figura 17

Fuente: "Era Atómica, tomo III, "La Energía Atómica"

Se han alcanzado eficiencias de disociación de hasta un 40%.

EL OGRA

Los rusos han construido una maquina de tamaño mayor, con la que esperan alcanzar corrientes de inyección de décimas de amperio. Emplean una cámara de 1,4 metros de diámetro y 12 metros de distancia entre los espejos. La intensidad del campo es de 5.000 gauss. Para producir el haz de iones moleculares emplean una fuente con un arco magnético transversal. Los iones se aceleran a 200 keV y se inyectan en la parte central de la maquina por acción de campos eléctricos y magnéticos combinados.

Con esta maquina se esperan alcanzar, dentro del campo confinador, concentraciones de iones D⁺ del orden de 10^-12 ,mucho más elevadas que las alcanzadas en este tipo de maquinas.

d)Método del Tokamak

El Tokamak fue desarrollado inicialmente en la ex - Union Soviética. Consiste en un sistema de confinamiento de plasma en un tubo toroidal, es decir, cerrado. El campo magnético azimutal de intensidad H_j (fig. 22)obliga a las partículas a moverse en órbitas helicoidales a lo largo de líneas de fuerza circulares (fig. 22). La rosca de plasma en el recipiente toroidal constituye también el secundario de un transformador que cumple dos funciones; primero: un fuerte golpe de corriente en el arrollamiento primario ioniza el gas y genera una corriente secundaria I en el plasma, la cual calienta el plasma induciendo una débil turbulencia disipadora; segundo: la corriente I produce un nuevo campo magnético longitudinal o "poloide" H_q . Los dos campos combinados, "entrecruzados como las telas de la envoltura básica de un neumático", constituyen la "estructura" confinante (2).

Figura 22

Fuente: "Introducción a la Tecnología Nuclear", de R. H. Pasqués

El calentamiento por resistividad en un tokamak es aun insuficiente, pero se confía en lograr la temperatura necesaria para la fusión por compresión magnética, o por un sistema de aceleración similar al de un ciclotrón, o bien generando campos electromagnéticos de alta frecuencia.

La extracción del calor que se genera por reacción termonuclear se efectúa mediante circulación de litio fundido por una camisa que rodea a la rosca toroidal; el litio completa luego el recorrido del tramo externo del "circuito primario". La figura XI-3 muestra la complejidad de estructura transversal de los dispositivos electromagnéticos termonucleares (3).

Figura 23

Fuente: "Introducción a la Tecnología Nuclear", de R. H. Pasqués

Existen grandes tokamaks en el Instituto Kurchatov, de Moscú, en la Universidad de Princeton y en el Laboratorio Nacional Holifield, de Oak Ridge, USA.

Figura 24

Fuente: "Superconductividad...",

de J. L. Mayo.

En resumen, el método del Tokamak consiste en que el plasma se mantiene confinado lejos de las paredes de la cámara de vacío, mediante un complejo sistema de campos magnéticos. En el JET, el principal componente del campo magnético, el llamado campo toroidal es originado por treinta y dos cables con forma de D que rodean la cámara de vacío. Este campo se combina con el campo autoinducido que se produce gracias a otra corriente diferente que circula a través del plasma. Todos estos campos magnéticos interactúan produciendo un campo helicoidal y oscilante capaz de confinar el plasma.

Figura 25

Fuente: "Fusión, de Robin Herman."

Figura 26

Fuente: "Enciclopedia Salvat"

Tomo IX

Vista superior de

un tokamak,

instalado en

Fontenay-aux-Roses

para la investigación

sobre el confinamiento

del plasma.

Figura 27

Fuente: "Fusión, de Robin Herman."

e) Método de calentamiento a Láser

El proyecto de reactor a láser (1) depende de la inyección de gotitas de mezcla congelada de tritio y deuterio dentro del vórtice que se forma en litio fundido que gira a gran velocidad dentro de un tanque esférico (ver fig. 28). Cuando una gota cae dentro de ese vórtice, es calentada y volatilizada en el acto por pulsos coincidentes de rayo láser infrarrojo de elevadísima potencia, no inferior a 10¹² ergios (es decir, 23,9 kcal) durante 10_-10 segundos.

En la gota, convertida en plasma, ocurre la reacción de fusión, con liberación de energía y neutrones. El calor es extraído por el litio fundido, y los neutrones regeneran tritio según la reacción.

⁶Li + n � ³H + a

El tritio es extraído fuera del reactor, para usar como combustible. Las gotas de 2H - 3H se inyectan cada 10 segundos a lo largo de un tubo de acceso con estructura interior "dentada" para romper la onda explosiva que se produce al reaccionar cada gota. En el fondo del recipiente esférico se inyectan burbujas de helio a presión para que sirvan de colchón absorbente de la onda explosiva dentro del recipiente.

Se estima que un reactor de este tipo, que podría estar construido en croloy (un acero con cromo y molibdeno) o en niobio con 1% de circonio, seria capaz de producir quizás 150 megavatios térmicos. Una batería de reactores en paralelo podría proveer mucha mayor potencia. El calor se aprovecharía por intermedio de generadores de vapor, como en un reactor de fisión.

Figura 28

Fuente: "Introducción a la Tecnología Nuclear", de R. H. Pasqués

En 1980, en su búsqueda de esquemas energéticos alternativos que pudieran servir de escudo contra los decrecientes suministros de petróleo, la Compañia Petrolífera Phillips realizo una incursión de tanteo en la fusión. La Gulf Oil Company, propietaria de la General Atomic de San Diego, estaba buscando un socio que colaborara en el mantenimiento de una investigación que realizaban en un dispositivo compacto y circular de sujeción, diseñado por Tihiro Ohkawa. Este lo había denominado Experimento Toroidal Calentado Ohmicamente, es decir, OHTE. La división de investigación y desarrollo de la Phillips se mostró interesada en el dispositivo al considerar que tenia una aplicación potencial mucho mayor para un uso comercial que los grandes y complejos Tokamaks. La Phillips se convirtió en un socio a partes iguales en el OHTE poco después. Pero justo cuando la Phillips y la Gulf estaban a punto de comprometerse en la construcción de una versión mejorada del OHTE, que iba a costar ciento cincuenta millones de dólares, las dos compañías petrolíferas vieron como se estremecían sus cimientos económicos. La Phillips se vio debilitada por deudas, mientras que la Gulf fue absorbida por otra empresa. En consiguiente, la versión mejorada del OHTE no llego nunca a construirse.

La Fusión, fuente inagotable de Energía:

Los combustibles que podemos utilizar en la fusión existen en cantidades elevadas en nuestro planeta. El deuterio se encuentra en el agua en la proporción de 1 átomo por cada 6500 átomos de hidrogeno, es decir 0,02 gramos por litro de agua. Si se pudiera controlar la fusión en procesos industrialmente rentables, podríamos obtener por cada litro de agua el equivalente energético de 300 litros de petróleo.

El tritio, elemento radioactivo con un periodo medio de semidesintegracion de 12,6 años, no existe en estado natural; puede obtenerse a partir del litio. Las reservas de litio disponibles que se hallan en las rocas o en el agua son suficientes para 200 años según unos, o para 2000 años según otros. Esto depende evidentemente del aumento del consumo de energía.

En cualquier caso, las reservas necesarias para el funcionamiento de los reactores nucleares de deuterio - tritio son realmente considerables. Los científicos creen que, una vez que se consiga construir un dispositivo practico de fusión controlada, el proceso de fusión suministrara una fuente casi inagotable de energía.

Ventajas de la Fusión

Las ventajas que la energía termonuclear tiene sobra otras fuentes de energía son numerosas. Citaremos algunas de ellas.

En primer lugar, en la selección de los elementos que se podrían utilizar como combustibles figura, como uno de los principales, el deuterio, cuyas reservas mundiales son prácticamente inagotables; con el deuterio contenido en los océanos se podría mantener una producción de energía durante millones de años.

En segundo lugar, aunque el costo de producción del deuterio es relativamente elevado, se puede prever una considerable reducción del mismo cuando se realice a gran escala, reducción que no parece verosímil para combustibles ordinarios; por el contrario, el precio de producción de estos seguirá, con toda probabilidad, creciendo progresivamente. Por otra parte, si bien para el deuterio el precio por unidad de peso es actualmente superior al de los combustibles ordinarios, no ocurre lo mismo si se comparan precios por unidad de energía producida. Basta decir que un gramo de deuterio equivale a más de 10.000 kg. de carbón, por lo que el precio por unidad de energía obtenida es para este producto de un orden 100 veces superior.

Otra característica atractiva de la obtención de energía por fusión es la posibilidad de idear métodos de extracción directa de la energía, en forma de energía eléctrica. Esto tendría, por una parte, la ventaja de eliminar las enormes perdidas inevitables en el ciclo térmico intermedio y, además, simplificaría notablemente las instalaciones de las centrales eléctricas.

La búsqueda de la Energía Eterna,

Historia de la fusión...

El invento del doctor Spitzer

Spitzer y John Wheeler, un físico de Princeton reclutado por aquel, planeaban desarrollar un proyecto secreto en la Universidad con el objeto de estudiar la física de la bomba de Hidrogeno. Los profesores de Princeton llamaron a su programa el Proyecto Matterhorn. Como otros físicos, Spitzer tenia firmes dudas sobre la liberación de la energía de hidrogeno. Pero Spitzer tenia la información perfecta para afrontar el reto. Como experto en el comportamiento de gases calientes, Spitzer disponía y conocía el postulado de Hans A. Bethe, en el que se explicaba la producción de energía del Sol a partir del hidrogeno.

El corazón de los átomos; es decir, sus núcleos, se repelen de forma natural unos a otros. Pero dentro del Sol, los núcleos de hidrogeno, de poco peso, están tan calientes y se mueven a unas velocidades tan fantásticas que, al colisionar, se unen. Esta unión forma un núcleo de helio más pesado. EL resultado es una liberación de energía, que reduce la masa combinada del nuevo núcleo de helio. La energía se desprende en forma de calor, luz visible y otras radiaciones. En la reacción se produce también una nueva partícula más ligera, un neutrón de alta velocidad. Tal y como Einstein había dicho, la masa se podía convertir en energía. Spitzer tendría que aprender como podía llevarse a cabo esto en la Tierra, y para ello, realizo una serie de experimentos, para calcular la temperatura necesaria, densidad del plasma, etc..

Poco después, Spitzer abandono su entusiasmo en el proyecto bélico Matterhorn. En lugar de bombas quería construir un reactor de fusión o termonuclear, es decir, prefería usar pequeñas cantidades de combustible y almacenar la energía resultante, en vez de liberarla en una enorme explosión que durara una fracción de segundo. Un mes después, Spitzer se presentaba en Washington ante la recién formada Comisión de Energía Atómica, con un proyecto sobre un equipo tubular de fusión, de doce pies de longitud, recubierto en su exterior por dispositivos electromagnéticos diseñados en forma de tiras en espiral, como un bastón de caramelo. Spitzer logro que incluyeran dentro del Proyecto Matterhorn el estudio del control de la fusión, al menos durante un año. Al comprobar la nula utilidad militar que tenían las técnicas de fusión controlada, Spitzer presiono a la AEC para que su parte del proyecto Matterhorn no tuviera que permanecer oculta. Para el, el secreto y la apertura de un nuevo camino científico eran incompatibles. El gobierno de Estados Unidos le otorgo un firme no en respuesta a su petición.

No había nada elegante ni futurista en la apariencia de este dispositivo secreto, el precursor de los dispositivos de fusión, construido artesanalmente por Lyman Spitzer y su equipo. Consistía en un tubo de cristal, un equipo de vacío para extraer aire de el, una fuente de calor y un generador electromagnético, todos ellos alimentados por un vulgar enchufe de 220 voltios adosado a la pared. El tubo de cristal tenia cinco centímetros de anchura y unos tres metros y medio de tamaño total, si llamamos así a l longitud de su anillo. Se mantenía suspendido sobre una mesa de madera mediante unos gancho y alambres similares a los utilizados para tender la ropa. El calor y los campos magnéticos provenían de cables e hilos de cobre enrollados manualmente en torno al cristal. Un tubo de vacío asomaba a través de un agujero abierto en la mesa. La bomba de vacío estaba debajo, sobre una estantería.

A pesar de su modestia, el dispositivo de Spitzer estaba diseñado de tal forma que fuera capaz de reproducir en miniatura la reacción que tiene lugar en el Sol y en las Estrellas. Por eso, es que recibió el nombre de Stellarator.

El plan de Spitzer era obtener directamente el objetivo practico de la fusión controlada. Su plan se desarrollaría paso a paso, y el primero de ellos iba a ser crear un plasma dentro del Stellarator. Aunque su prototipo teórico era el Sol, resultaba imposible en la practica copiarlo. Se trataba de una cuestión de escala. El horno solar de fusión es enorme y prodigioso. Convierte la masa ene energía a una asombrosa velocidad de cinco millones de toneladas por segundo. El Sol es tan grande que crea una fuerza gravitacional abrumadora. Esta fuerza mantiene unida la masa del plasma con una densidad diez veces mayor a la del plomo, con lo que se garantizan abundantes colisiones entre las partículas. Esta enorme densidad permite al Sol mantener una temperatura aproximada de diez millones de grados, que podemos considerar "fría".

Alta temperatura. Alta densidad. Largo tiempo de confinamiento. Estos son los tres pilares sobre los que se basa el éxito de una reacción de fusión. Así, poco tiempo después, el Stellarator, llamado modelo A, estuvo preparado para poder empezar a experimentar con el en otoño de 1952. Los científicos que con el trabajaron, mediante una experiencia, estimaron que el Stellarator había llegado a producir plasmas de quizás medio millón de grados centígrados. A pesar de que esto fue desalentador en cuanto a método para realizar fusión, resultó lo bastante prometedor como para que se justificara la construcción de una maquina aun mayor, con la que Spitzer esperaba resolver el problema.

El Stellarator, modelo B, era una versión mejorada del Modelo A (campo magnéticos más fuertes, mejor sistema calefactor, y un vacío mayor, con menor numero de impurezas). El Modelo B empezó a funcionar en 1954 y consiguió fabricar plasmas de un millón de grados centígrados, tal y como esperaba Spitzer. Igualmente no se podía considerar un éxito, pues el plasma no podía ser sujetado por más de una milésima de segundo. Los científicos habían fabricado plasma, pero no durante el tiempo suficiente como para realizar una reacción de fusión.

Durante esos primeros años, la fusión fue evolucionando rápidamente hasta convertirse en un problema científico mucho más complicado que lo que aseguraba cualquier predicción. Surgieron nuevas teorías. Al mismo tiempo que se desarrollaban dispositivos experimentales de fusión en Princeton, otros pequeños programas de fusión controlada estaban funcionando en un puñado de laboratorios gubernamentales, tales como Livermore, en el norte de California, Los Alamos en Nuevo Méjico y Oak Ridge en Tennessee.

En 1954, Edward Teller, en una reunión de la comunidad de fusión mantenida en Princeton, presento su teoría de inestabilidades crónicas. Intentar confinar el plasma con líneas de campo magnético, explico, era como sujetar una bola de gelatina con tiras de goma. Gracias a la teoría de Teller, Spitzer tiempo después ideo como rehacer los campo magnéticos del Stellarator. Añadirían una segunda serie de dispositivos electromagnéticos, en una configuración diferente, con el objeto de crear líneas de campo más estrechas. Fue un pequeño paso hacia adelante. A pesar de los problemas surgidos con el Stellarator Modelo C, la AEC aprobó que el equipo de diseño pudiera trabajar en la concepción de un Modelo C.

Detrás de puertas cerradas

Lyman Spitzer y Edward Teller no eran los únicos que querían liberar a la fusión de su encierro en vallados laboratorios y conducirla al campo abierto del intercambio internacional. Igor Kurchatov, físico ruso, dirigía el programa armamentismo nuclear de la Union Soviética. Como este científico, eran muchos los que investigaban la fusión en secreto en sus piases.

Cabe decir, que en 1919, en el Laboratorio Cavendich de Cambridge, Sir Ernest Rutherford llevo a cabo un experimento crucial para la comprensión de la energía de fusión y para todo el futuro de la física nuclear. Demostró por primera vez que se podían producir elementos más pesados a partir de la colisión de elementos ligeros, en un proceso que más tarde seria conocido como fusión.

En 1957 los plasmas eran algo ya común, pero el mantenimiento de una reacción de fusión se consideraba todavía un sueño lejano. Por eso, la desaparición del secreto permitió a los americanos publicar y discutir prácticamente todas sus ideas.

Hacia 1958, los métodos utilizados en las investigaciones eran tan rudimentarios, y el deseo de triunfar era tan grande, que la fatal combinación de factores podía haber tenido lugar lo mismo en Princeton que en Livermore, o incluso en el Instituto de Kurchatov. En realidad, ocurrió en el Laboratorio de Investigación Atómica de Harwell, en Inglaterra, donde los científicos habían construido un dispositivo circular de "sujeción" que denominaba n "Ensamblaje Termonuclear de Energía Cero". El 25 de enero de 1958, se anuncio en Inglaterra y en todo el mundo, que este país dominaba ya la fusión controlada. Pero el triunfo británico en el campo de la fusión demostró ser breve. Tras unos pocos meses más de experimentos y cálculos, en mayo, John Cockroft, director de Harwell, envío un lacónico comunicado. Este manifestaba que los neutrones producidos por el ZETA no estaban originado por verdaderas reacciones de fusión, sino que eran resultado de una reacción secundaria producida por el calentamiento del plasma. El plasma no había alcanzado la temperatura necesaria para una reacción de fusión.

Igualmente, el Zeta demostró durante los diez años siguientes ser un dispositivo muy útil en la investigación sobre fusión. Sin embargo siempre seria recordado como una debacle británica, una de las promesas incumplidas que ensuciaría el camino del desarrollo de la fusión.

Amigos y rivales

La primera reunión de investigadores de fusión celebrada a nivel mundial fue un entrenamiento para esa emancipación que tan cuidadosamente había sido preparada, a orillas del lago Ginebra. La Conferencia Atómica por la Paz, de 1958, promovida por las Naciones Unidas, fue el mayor encuentro internacional de todos los tiempos encaminado al estudio de los usos pacíficos potenciales de la energía de fusión. En el segundo ida de la Conferencia, los mejores científicos de cada país iban a presentar en sus conferencias las primeras grandes revelaciones sobre los resultados obtenidos en el estudio de la fusión.

Después de la Conferencia, en la que se intercambiaron numerosas ideas y planes junto con teorías, se contribuyo a mejorar las relaciones y el intercambio internacional en el tema de la fusión nuclear. En noviembre de 1958, los científicos británicos fueron invitados por los rusos a conocer sus instalaciones. Y así, todas las potencias conocieron las instalaciones de las demás, ya sea de Estados Unidos, Inglaterra o Rusia. En 1961, la Union Soviética y Gran Bretaña firmaron un pacto en el que se comprometían a cooperar en la búsqueda de energía de fusión durante los cinco años siguientes.

Así fue como las filas de la fusión engordaron después de haber desaparecido el secreteo. La fusión era una idea poderosa y seductora, y los científicos que eran capaces de imaginar un futuro en el que existiera la energía de fusión, la tomaban como una religión. Ginebra les había proporcionado libertad para predicar su mensaje. Fortalecidos en numero, quizás ahora pudieran superar los obstáculos que los separaban de un reactor de fusión.

Buscando respuestas

Los investigadores en fusión habían comenzado su búsqueda con gran confianza, pero en la década que siguió a la Conferencia de Ginebra se evoluciono hasta llegar a una situación de incertidumbre y vacilación que parecía no tener fin. Aparecían problemás por todas partes. Los reactores de pruebas de fusión otorgaban resultados confusos, y la temperatura del plasma era muy difícil de medir.

A finales de 1961, la recién nacida Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA) de la Naciones Unidas, organizo su primera conferencia sobre fusión nuclear. El tema que dio lugar a un gran debate fue el de un nuevo tipo de dispositivo de reacción de fusión, un reactor alternativo denominado dispositivo de espejos magnéticos. El gigantesco OGRA era un ejemplo de dispositivos de este tipo. El concepto era bastante simple. Consistía en una sección recta de un tubo, en torno al cual se enrollaban varios cables que producían campos magnéticos variables en su interior. Para evitar que las partículas de plasma aceleradas salieran disparadas hacia ele exterior del tubo, los cables estaban dispuestos de tal modo que el campo magnético, en el centro, era menor que el existente en los extremos. Se suponía que, de esta forma, la intensidad del campo en los bordes podía repeler o reflejar el plasma de forma que volviera sobre su camino. De ahí el nombre de "espejo". Los físicos de Livermore experimentaron con toda una serie de dispositivos de espejo, al igual que el equipo de Princeton construyo varias series de Stellarator, Los Alamos y Gran Bretaña investigaron en dispositivos de "sujeción" y los rusos trabajaron en los de sujeción, espejo y en el tokamak. No se logor ningún progreso decisivo. En cuanto al Stellarator Modelo C, de tamaño superior a los anteriores, seguía teniendo el mismo problema que aquellos: no podía mantener la fusión. El plasma se escurría entre las líneas de campo magnético en grado proporcional a la temperatura. Cuanto más alta era esta, más rápidamente se escapaba el plasma. La temperatura alta era crucial para que se produjera la reacción, así que el equipo del Stellarator - C se sintió frustrado.

Al menos, para ese tiempo, era el final de una época. Las promesas presentadas por la fusión en 1951 no habían podido ser alcanzadas y ya no quedaban esperanzas de poder cumplirlas en un plazo de tiempo cercano. El Stellarator había fallado. Los dispositivos de sujeción y los tokamak eran inestables. Los dispositivos de espejo hacían agua. Si lo consideramos en termino de la historia global de la fusión, los científicos de esta primera década no eran sino una cultura primitiva que se dedicaba a soltar globos hacia la Luna.

El amanecer del Tokamak

Para sobrevivir, la fusión necesitaba desesperadamente un descubrimiento excepcional, no las falsas esperanzas creadas por el Zeta, ni la euforia excepcional de Ginebra, sino un verdadero punto de inflexión científico. En 1968 los rusos lo consiguieron gracias al armatoste llamado tokamak. De todos los dispositivos creadores de plasma que se encontraban en los laboratorios de fusión de todo el mundo, después de tantos años de investigación abierta, únicamente uno de ellos permanecía en un solo país. Se trataba del tokamak. El tokamak parecía una rosquilla de acero, gorda y llena de cables. El principio en el que se basaba era en el de sujeción utilizado en Gran Bretaña. Cuando una corriente eléctrica atraviesa una nube de plasma, se crea un campo magnético en torno a este plasma. Este campo "comprime" al plasma en una invisible botella magnética propia. El tokamak contaba, además, con varios cables magnéticos enrollados verticalmente en torno al exterior de la cámara, que añadían un segundo campo estabilizador. Todos estos rollos de cable convertían al tokamak en un dispositivo complicado e incomodo, desde un punto de vista tecnológico. Sin embargo, había ciertos problemas.

Era demasiado complicado estudiar separadamente las propiedades térmicas y confinadoras de plasma, pues ambas propiedades surgían a partir de la misma corriente eléctrica intensa que atravesaba el plasma a gran velocidad. Los científicos no podían elevar la temperatura sin que el confinamiento magnético se viera afectado. Y existía aun otro problema. La corriente requerida para que un plasma se sujetara a si mismo necesitaba tal cantidad de energía que ningún sistema eléctrico podía mantenerla indefinidamente.

Fue en 1968, cuando Artsimovich anuncio que había llegado la era del Tokamak. Los rusos proporcionaron datos fiables, con los que demostraban que el tokamak podía crear las condiciones requeridas para la fusión; es decir, un plasma caliente y más estable.

El tokamak T3 y el tokamak TM3, ultimas versiones, habían conseguido temperaturas electrónicas de más de diez millones de grados centígrados y las habían mantenido en el plasma durante un termino medio de diez milésimas de segundo. La clave del éxito del tokamak era su forma ancha y gorda. Para un mismo volumen de gas, obtenía plasmas mucho más anchos y viajes más cortos en torno del dispositivo que los del Stellarator, con forma de pista de atletismo,. El confinamiento era entonces más fuerte y tenia una mayor simetría. Los miembros de la AEC, que tenían tendencia a creer en las declaraciones soviéticas, habían estado presionando a Princeton para que convirtiera el Stellarator-C en un tokamak. De esta forma, después de un tiempo, Princeton se volvió hacia los tokamaks. En agosto de 1969, una delegación americana verifico los resultados del T3 esperados durante tanto tiempo. Las medidas anunciadas por los rusos tiempo antes habían sido correctas. El tokamak T3 se había comportado de forma soberbia, confeccionando plasmas de 10 millones de grados centígrados y sin señal alguna de que existieran electrones en huida. El tiempo de confinamiento era excelente, hasta veinte milésimas de segundo, tal y como habían dicho los rusos.

Las medidas británicas en el tokamak T3 marcaron el comienzo de la era moderna en la investigación de fusión. Supusieron un salto de gigante, desde temperaturas de unos pocos millones de grados en los viejos dispositivos hasta los de diez millones de grados del tokamak. Era un nuevo escalón desde el cual uno podía imaginar un segundo salto final hasta el régimen de cien millones de grados centígrados necesario para el plasma de un reactor de fusión. Además, se había conseguido otro avance importante. Los científicos tenían las herramientas necesarias para hacer medidas del plasma en las que se pudiera confiar. El sueño de un futuro con fusión se había restablecido.

Construyendo la Gran Ciencia

En un año, Washington aprobó la construcción de cinco tokamaks en los Estados Unidos. En 1972 existían ya diecisiete tokamaks, bien en construcción o bien terminados ya, fuera de la Union Soviética, incluyendo dos en Francia, dos en el Laboratorio ingles de Culham, y tres en Japón. Princeton estaba construyendo el mayor con diferencia - el llamado Gran Toroide de Princeton (PLT).

Tiempo después, Oak Ridge propuso construir un tokamak equipado con imanes más avanzados y poderosos existentes hasta entonces. Iban a ser imanes líquidos semiconductores. El tokamak, de por si ya era enorme, y sus dimensiones y capacidades magnéticas se aproximaban a las de un reactor. Este seria el dispositivo adecuado para alcanzar el "punto critico" y para saltar directamente hasta un plasma que pudiera automantenerse; es decir, hasta un plasma en "ignición", que podría llegar a conseguir un exceso de energía. Harold Furth propuso un diseño para competir con el resto que tenia todos los números ganadores, gracias a su combinación de factores políticos, económicos y físicos. El diseño de Furth era mucho más conservador en tamaño y características que el de Oak Ridge. Seguía además las dos espartanas virtudes de costar menos y arriesgar menos. Llamo a su diseño el "incinerado de madera húmeda". Tan pronto como se le acerca un tronco de madera húmeda es capaz de llegar a arder. La antorcha, en este caso, era un sistema calefactor relativamente nuevo llamado rayos neutros, que estaba siendo probado en el PLT. Después de que el plasma alimentado con tritio fuera calentado inicialmente por una corriente eléctrica que lo atravesara, se inyectaría en el dispositivo un haz de partículas de deuterio, eléctricamente neutras, a alta velocidad, desde unos "acumuladores eléctricos de rayos", en el exterior del tokamak. Estas partículas veloces de deuterio se fusionarían directamente con el plasma de tritio tan pronto como chocaran con el y transferirían su energía a la nube de plasma. Utilizando rayos neutros como fuente externa de calor, los físicos no necesitarían niveles tan altos de confinamiento para conseguir el "punto de igualación".

Hirsch tenia ante el dos diseños; en realidad, dos extremos. Oak Ridge había presentado un "peso pesado" mientras que Princeton le ofrecía un "producto llamativo", más barato. En el verano de 1974, la Comisión de Energía Atómica aprobó la asignación de un tokamak nuevo y mayor a Princeton. Se llamaría el Reactor de Fusión de Prueba Tokamak (TFTR).

Formando la Gran Liga

Frente a este proyecto de Princeton, se planteo la idea de construir un Toroide Común Europeo. La idea de un tokamak europeo puede parecer demasiado buena, demasiado prometedora, tentadora. Pero tan pronto como se produjeran las aprobaciones científicas pertinentes, comenzaron las discusiones. Ya sea en cuanto al nombre del proyecto, o el lugar de instalación. Se convirtió así en el JET, y el lugar escogido fue Culham, y se empezó a construir en 1973, siendo director del equipo de diseño Paul-Henri Rebut, quien trabajaba en un Laboratorio de Fusión en Francia. Tiempo después, los ministros europeos, siguiendo direcciones políticas, detuvieron la construcción del mismo. Se comenzó a discutir, de nuevo, el lugar de emplazamiento del JET. Se genero una competencia entre multitud de piases que ofrecían lugares para instalar el JET. Afortunadamente, al llegar el verano de 1977, la competición se había restringido a Culham, en Inglaterra y Garching, en Baviera. Debido a un acontecimiento excepcional, a finales de 1977, se eligió el 25 de octubre a Culham como sede del Toroide Común Europeo. Tardo 7 años en ser construido, y en abril de 1984, se inauguro.

El plasma político

En 1975 se habían comenzado con los trabajos en el PLT de Princeton. Este iba a tener más de treinta detectores diferentes capaces de controlar las características del plasma. Cada uno de estos detectores tenia que ser diseñado, construido, instalado, controlado, y los datos recogidos analizados. Aunque los experimentos en el PLT comenzaron en 1975, transcurrieron varios años más hasta que se pudieron utilizar los rayos neutros. Los científicos describían la presión que ejercía Washington sobre el Laboratorio de Princeton como la peor que había experimentado cualquiera de ellos.

Mientras el PLT seguía a ala espera de sus rayos neutros, los dispositivos de otros laboratorios se habían sumado a la carrera numérica de fusión. En el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, el pequeño tokamak Ormak había utilizado una "antorcha" de rayos neutros para crear temperaturas ionices de veinte millones de grados centígrados, tres veces mayor que la producida por Artsimovich en el T3. Por otra parte, el pequeño tokamak Alcator del MIT, gracias al uso de imanes extremadamente potentes y compactos, estaba consiguiendo mejorar en un pequeño plasma las cifras de confinamiento y de densidad a bajas temperaturas.

Figura 33

Fuente: "Fusión", de R. Herman

En 1978 estuvieron lisos, por fin, los cuatro haces neutros del PLT y llego la hora de la verdad para el nuevo esquema calefactor que se quería implantar en el gran tokamak. Al ponerse en marcha el mecanismo de funcionamiento, la reacción del plasma al advertir la presencia de los rayos neutros no fue precisamente de tranquilidad, pero sus sacudidas y oscilaciones no fueron de una magnitud tal como para no poder ser controladas. En los meses de julio y agosto de 1978, el equipo del PLT consiguió extraer más de dos millones de watios de energía a los rayos neutros y fue incrementando la temperatura del plasma hasta alcanzar, según uno de los detectores más fiables, la asombrosa temperatura de cinco millones de grados centígrados.

Princeton y el Departamento de Energía de los Estados Unidos habían acordado marcarse como plazo para que el TFTR empezara a funcionar y creara su "primer plasma" en las Navidad de 1982. Si todo iba bien, el coloso americano seria el primero de los cuatro tokamaks gigantes en conseguir un plasma. El JET estaba todavía en construcción al igual que el tokamak japonés. El proyecto ruso seguía aun en fase de planificación. A pesar de su tamaño, con más de nueve metros de alto y más de setecientas toneladas de peso, el TFTR se asemejaba a una enorme chatarra fabricada precipitadamente en un garaje exageradamente grande. Pegado a una cámara central de acero, se veía un conglomerado de tubos y cables, con los que el dispositivo se hinchaba hasta alcanzar el tamaño de una iglesia. Eran las cinco de la tarde del ida 24 de diciembre, cuando un pequeño incidente amenazo con no cumplir lo prometido. El problema igualmente fue solucionado horas más tarde. A las dos menos cinco del ida 24 de diciembre de 1982, el mayor dispositivo de fusión del mundo había funcionado durante un momento. Ahora podía haber esperanzas para todos los tokamaks del mundo.

Figura 23

Fuente: "Fusión", de R. Herman

El laboratorio moderno de fusión

Existían varias opciones para manipular el plasma del TFTR. Se podía cambian, tanto horizontal como verticalmente, la cámara en forma de rosquilla. Estaban los interesados en el método térmico óhmico, del cual ya se habían realizado pruebas con éxito, y que consistía en hacer circular corrientes eléctricas a través del propio anillo del plasma. También había interesados en el métodos de "compresión", en las que las líneas del campo magnético se estrechaban y apretaban aun más el plasma, con lo que este se calentaba, pues la energía que contiene se quedaba con menos espacio por el que moverse. También había interesados en los rayos neutros.

Solo 6 meses más tarde del "primer plasma" del TFTR, el laboratorio JET logro también su primer plasma. Este laboratorio era mucho más prolijo, aseado y pulcro que el TFTR. Siempre se mantenía ordenado, haciéndose inspecciones periódicamente.

Sin embargo, hablando científicamente, los dos laboratorios rivales, el de Princeton y el JET, tenían que vérselas con los mismos problemas. Combatir las averías en el sistema eléctrico, escapes en el sistema de vacío, compilaciones en el funcionamiento de los ordenadores, etc...

Cabe decir que mientras todavía estaban construyéndose los tokamaks gigantes, fueron dispositivos menores, dentro del arsenal mundial, los que robaron a aquellos parte del impacto. En 1981, un equipo de científicos alemanes del Laboratorio Garching, cerca de Munich, consiguió crear ciertas condiciones bajo las cuales la descarga de un rayo neutro calefactor, exhibía tiempos superiores de confinamiento del plasma y su energía. Los alemanes denominaron a esta mejora del confinamiento "modo alto" o "modo H". Un descubrimiento muy significativo relacionado con el confinamiento del plasma demostró que los laboratorios menores, con sus compactos dispositivos, no tenían por que ser dejados, sistemáticamente, a un lado. En el Instituto Tecnológico de Mássachusetts, un grupo de científicos experimentaban con una versión pequeña de tokamak, llamada Alcator-C. La cámara de vacío que poseía podía ser cubierta con los brazos. El Alcator-C, con sus plasmás densos y de larga vida habían colocado al MIT en la cima, o más bien junto al resto de las maquinas de fusión. El momento crucial del Alcator C llego en 1983, unos idas antes de la reunión anual de la Sociedad Americana de Fusión. Por primera vez, el pequeño dispositivo logro simultáneamente el nivel mínimo de densidad y el tiempo de confinamiento necesario para lograr el punto critico. La clave del éxito estaba en la instalación de los imanes del Alcator, compacta, potente, y muy difícil de copiar y cara, para un dispositivo mayor.

Las Olimpiadas del Plasma

La convención realizada en 1984 en Londres, se convirtió pronto en un clásico, pues supuso ;a plataforma de presentación idónea para los primeros resultados de los dos tokamaks gigantes existentes en el mundo: el JET europeo y el TFTR de Princeton. En este congreso, hablaron, entre los más importantes, Yevgeny Velikhov, por Rusia y un pequeño Tokamak; Paul-Henr Rebut quien informo sobre los primeros y modestos avances del JET; Phil Efthimion, con las cifras alcanzadas por el TFTR; y Martin Greenwald, del MIT, quien hablo sobre los últimos intentos con el Alcator-C.

Direcciones diferentes

A comienzos de los años setenta, se inicio en Livermore, un proyecto menor de fusión láser en el que se plantearon las mismas altas expectativas e idéntico secreto que los habían rodeado al Proyecto Matterhorn y a Spitzer. Hacia 1980, en Livermore, se desarrollaba un proyecto de ciento setenta y seis millones de dólares con el fin de construir el láser más poderoso del mundo, el Nova.

Al menos superficialmente, el atractivo de la fusión láser es evidente. Su característica más descabale es el potente disparo del láser, su concentración de energía en tiempo y espacio. En los primeros tiempos, los científicos buscaban lo que ellos denominaban fusión de "impacto directo", en la que varios rayos láser se dirigían directamente hacia una diminuta esfera de plástico, que contenía en su interior deuterio y tritio gaseosos. El intenso calor era absorbido por la superficie de la esfera, con lo que esta entraba en ebullición y salía disparada con su contenido, creándose así un plasma caliente y denso, con las condiciones necesarias para producirse la fusión. El láser podía golpear a la esfera de plástico hasta con mil trillones de watios, en un impacto que duraba menos de una milésima de segundo. La explosión resultante era pequeña, por culpa de la diminuta cantidad de combustible que intervenía en el experimento. En lugar de los pocos gramos de isótopos del hidrogeno que se utilizan en las bombas nucleares, los físicos trabajaban con ínfimás cantidades de deuterio y tritio, unas veinte millonésima de gramo. Pero las investigaciones sobre el impacto directo acabaron en un balance negativo. La energía láser necesaria para disparar la reacción era realmente extraordinaria y no se producía tanta fusión como se había predicho. Para que se pudiera producir un exceso de energía, había que comprimir la esfera con el combustible hasta que alcanzara un tamaño unas treinta o cuarenta veces menor que el inicial, sin que se rompiera su simetría, ni se estropeara el proceso. Para esto, se requería una esfera de plástico muy blanda (por supuesto, blanda hasta que la superficie llegara a nivel atómico); era una perspectiva realmente problemática. Así que los haces de rayos láser debían ejercer presiones enormes de forma absolutamente uniforme, sin diferencias mayores a un pequeño tanto por ciento. Había que enfocar perfectamente entre 60 y 100 haces independientes entre si. Con los equipos de aquella época, cualquier esperanza de conseguir tal hazaña era realmente irreal.

A finales de 1988, el Departamento Americano de Energía relajo la censura lo suficiente como para que se dejara pasar algo de luz sobre las conexiones que tenia el programa de láser con el programa nuclear.

El laboratorio de Livermore albergaba también otro esquema con el que se intentaban mejorar los reactores de fusión, un esquema que no encajaba demásiado bien con la imagen de pureza de la comunidad. En realidad, la comunidad de fusión del exterior de las verjas, rara vez hablaba del reactor híbrido fusión - fisión, también llamado reactor reproductor mediante fusión. En el esquema híbrido, una capa de uranio-238, o bien de torio, absorbería los neutrones que surgieran en grandes cantidades de una reacción central de fusión, convirtiéndose así en plutonio o en uranio-233, materiales apropiados para servir de combustible a la fisión. Teóricamente se había visto que este mecanismo híbrido de fusión podía alimentar entre cinco y treinta reactores de fisión, dependiendo del tamaño del reactor.

Reacción de Fusión

Al contrario de lo que ocurre en la fisión, una reacción de fusión es inofensiva, en tanto en cuanto no produce por si misma subproductos radiactivos. El material radioactivo se encuentra únicamente en el combustible, y más concretamente en la adición de tritio a la mezcla de combustible. El tritio es un combustible más eficaz para la fusión que el hidrogeno, porque en su núcleo hay dos neutrones más. Al haber así un numero mayor de neutrones en el combustible, se incrementan las posibilidades de que las partículas que se mueven a gran velocidad en el plasma supercalienrte colisionen y fusionen.

Mientras que tanto el deuterio como el hidrogeno se pueden encontrar en el agua de mar, el tritio es un elemento raro. Sin embargo, puede ser fácilmente fabricado bombardeando litio con neutrones. Sin embargo, el litio tiene también sus propios peligros. Es un elemento altamente volátil que explota en contacto con el aire o con el agua. La diseñar las condiciones de seguridad de un reactor se debería proteger cuidadosamente la sabana de litio, aislándola del sistema de refrigeración del reactor.

El tema de la radioactividad en la fusión había sido objeto de varias investigaciones. Las posibilidades de que se produjera un escape de gas radiactivo en una central de fusión eran mucho menores que en un reactor de fisión.

Japón

El 8 de abril de 1985, Japón había entrado en la carrera por alcanzar el punto critico, al poner en ignición su "primer plasma". Empezada a construir en 1978 los científicos del plasma del Instituto Japonés de Investigación de Energía Atómica tardaron siete años construir el JT-60.

A la vista del punto critico

Los plasmas de Princeton subieron poco a poco a trescientos millones de grados centígrados en 1988, pero la energía que conseguían era escasa comparada con los valores apropiados para un reactor. Estos plasmas tan calientes no eran muy densos y no duraban más de cinco décimas de segundo. Si consideramos lo que significa el punto critico (el punto en que la energía obtenida iguala la energía utilizada), el plasma obtenía, como mucho, un tercio de la energía consumida.

Los directores del JET decían estar consiguiendo valores similares para la salida de energía en sus mejores plasmas. Los plasmas del JET normalmente no eran tan calientes como los de Princeton, pero tenían un tiempo de confinamiento más largo, de hasta 1,4 segundos.

El éxito era relativo. Los años seguían deslizándose y los intereses gubernamentales se desvanecían al encontrarse con otras prioridades más importantes

¿Cuales son sus desventajas?

Evidentemente, al lado de estas ventajas se presentan también inconvenientes; el principal de ellos es, quizás, la necesidad de efectuar el control a distancia, a causa de las grandes cantidades de radiación que se producirán durante el proceso. En este aspecto, común a los reactores de fisión, los de fusión presentan la ventaja de que no hay tanta acumulación de productos radioactivos, lo que reduce notablemente los riesgos en caso de explosión y simplifica el problema de disponer de instalaciones que permitan almacenar o eliminar, sin peligro, los residuos radioactivos.

Pasado y Futuro de la Fusión.

Desde la antigua leyenda griega de Icaro hasta la actualidad sabemos que, durante milenios, el hombre ha deseado con todas sus fuerzas volar hasta llegar a descubrir los medios para conseguirlo. Era algo evidente que la Humanidad llegaría a volar algún ida.

A lo largo de su historia, el hombre también ha admirado y ha dependido de otra de las maravillas de la naturaleza: el Sol. Este astro le proporciona energía constante, fiable e ilimitada en forma de luz, soporte de la vida, y calor. Sin embargo, hasta este siglo el hombre no ha podido descifrar como funciona el Sol. Junto a esta comprensión nació la ambición por "fabricar" un Sol. Cada mañana, el ejemplo tentador de una energía eterna saluda al hombre. Parece evidente que algún ida, ese hombre podrá crear en la Tierra su propio Sol.

La fuerza de esta visión, como el deseo de volar, es un instinto casi primitivo, que ha llevado a los individuos y a los gobiernos a paroxismos de excitación cada vez que el objetivo ha parecido estar al alcance. Incluso ahora, después de tantas décadas de desacuerdos, el cuerpo político mundial aun resuena cuando alguien, una vez más, grita: "�Eureka!. La fusión esta en nuestras manos".

Esto es exactamente lo que ocurrió en la primavera de 1989, cuando un extravagante experimento de fusión realizado en la Universidad de Utah convulsiono los estamentos de la física de fusión de una forma que no se veía desde la igualmente extraña declaración de Peron en 1951, cuando dijo que Argentina había construido y puesto en marcha un reactor termonuclear.

Dos químicos poco conocidos convocaron una conferencia de prensa en la Universidad, en donde anunciaron que habían conseguido reacciones de fusión a temperatura ambiente en un recipiente de cristal lleno de agua. Llamaban al método "fusión fría". Aunque los científicos de los principales laboratorios reaccionaron con gran escepticismo ante la noticia, todavía quedaba un resto de excitación contenidas. Los dos químicos, Fleischmann y Pons explicaron que habían conseguido producir energía haciendo pasar una corriente eléctrica entre dos electrodos inmersos en un baño de agua pesada. Contaban con la clave que uno de los electrodos estaba hecho de paladio, un metal que tenia la inusual propiedad de absorber enormes cantidades de gas de hidrogeno. Al enviar una corriente eléctrica a través del dispositivo, acabaron observando que se producía una emisión de energía en forma de calor. Contaban que el 4experimento generaba cuatro watios de energía por cada watio de electricidad utilizado.

El fantástico mecanismo de fusión que se había puesto sobre la mesa, financiado por ambos científicos, era un desafío abierto frente a la forma en que se había investigado la fusión durante más de treinta años. Si la fusión resultaba ser útil, hubiese sido una burla para los proyectos de tokamaks de billones de dólares anteriores. Poco tiempo después, diversos laboratorios aseguraron haber conseguido éxitos parciales en el desarrollo de la fusión fría.

Sin embargo, empezaron a sucederse las criticas. La fusión fría sufrió un duro golpe cuando dos laboratorios americanos que habían ratificado inicialmente los resultados de Fleischmann y Pons tuvieron que retractarse. Varios laboratorios confirmaron errores en sus mediciones de neutrones y energía por fallas en sus propios sistemas, teniendo que retractarse también. El Laboratorio Nacional de Livermore y el Centro de Investigación de Energía Atómica de Harwell, en Gran Bretaña, también fracasaron en sus intentos de alcanzar la fusión fría, de acuerdo con sus meticulosas medidas de calor, neutrones y otras radiaciones. Evidentemente, poco después personal del Laboratorio de Utah, tuvo que afirmar que la fusión fría no tenia valor como fuente de energía. Una vez más en la extraña historia de fusión, científicos respetados habían caído en la trampa de las declaraciones prematuras por culpa del utópico atractivo de la fusión y de todo lo que significaría para la Humanidad.

Los físicos del plasma del mundo no han conseguido hacer funcionar un reactor de fusión, como prometieron; pero parece inevitable que acaben teniendo éxito si se les proporciona la maquinaria adecuada para explorar el plasma. Si se construye un coloso que al principio no sea apropiado para el uso comercial, su refinamiento y reducción en tamaño pueden venir más tarde, después de conseguir que el plasma "doble por fin su rodilla". Sin embargo, construir un dispositivo de este tipo seria económicamente imposible para una sola nación. Así que el imperativo es más político que científico: colaboración internacional. La Comunidad Europea, Estados Unidos, la Ex - URSS y Japón ya han firmado un acuerdo para diseñar un dispositivo así: el ITER. Pero solo se podrá tomar en serio este diseño si los gobiernos también se ponen de acuerdo a ala hora de construir el dispositivo cuando el proceso de diseño este acabado.

Se necesita una demostración valentía y de visión de futuro por parte de los políticos - un compromiso concreto para construir el ITER - ya, ahora, y no cuando el papel en que este dibujado el ITER este ya terminado y cubierto de polvo, mientras el mundo se asfixia por culpa de los gases producidos por el consumo de petróleo.

Mientras tanto, la comunidad de fusión ha envejecido, sus pionero han ido jubilándose uno tras otro, sus entusiastas de mediana edad se están moviendo hacia los encorsetados puestos de dirección, al mismo tiempo que la cosecha de jóvenes reclutas enflaquece por culpa del incierto futuro de la fusión.

Además, la comunidad debe hablar con una sola voz, desde el acomplejado MIT hasta el bronceado Princeton, el pulcro JET o el viejo laboratorio Kurchatov, pasando por el pulido instituto japonés de energía atómica. Esa voz debe decir que actualmente la energía de fusión controlada es un imperativo, y que la forma de llegar a tener un reactor es construir uno ahora mismo. Los hermanos Wright comenzaron su investigación con un avión al que intentaron hacer volar, no con uno que volara teóricamente si se le añadieran alas y combustible. Sin una postura valiente, la fusión seguirá siendo un espejismo, siempre fuera de nuestro alcance, siempre a tan solo veinte años de distancia.

Criterio de Lawson.

Plasma

El físico ingles J. D. Lawson expreso, en 1957, la condición que deben cumplir la densidad de los iones atómicos (n) y el tiempo de confinamiento (t) de las partículas energéticas a una temperatura dada, para que la energía liberada por fusión sea superior a la invertida en su confinamiento: de esta manera el balance energético es positivo.

En la fusión lenta, el tiempo de confinamiento de las partículas se define como el tiempo que dura el enfriamiento cuando se interrumpe el calentamiento; para la fusión rápida, es el tiempo durante el cual permanece comprimida la diana esférica.

Para la reacción deuterio - tritio, si la mezcla deuterio - tritio esta a la temperatura correspondiente a un nivel energético de 10.000 electrón - voltios el criterio de Lawson se expresa así:

n . t > 10¹⁴ cm^-3 . s

En el caso de la reacción deuterio - deuterio, si los deuterones están a un nivel de 30.000 electrón - voltios:

n . t > 5 . 10¹⁵ cm^-3 . s

Estas relaciones expresan las condiciones mínimas para alcanzar la fusión con balance positivo.

Un electrón - voltio ( 1 eV) es la energía que adquiere un electrón cuando es acelerado entre dos puntos que mantienen una tensión eléctrica (diferencia de potencial) de 1 voltio.

Como un sol...

En la fusión lenta, llamada también fusión por confinamiento magnético, los deuterones y los tritones, aislados de la maquinaria de experimentación, pueden ir aumentando el valor de su energía cinética mediante el empleo de diversos sistemas de calentamiento.

Desde este punto de vista, los tokamaks ("maquina de configuración toroidal", del ruso Toroidal Kamera Magnetik) y los espejos magnéticos son los aparatos que presentan un mayor interés. En los tokamaks las partículas realizan varias vueltas en el interior de la maquina aumentando progresivamente el valor de su energía cinética y las probabilidades de fusión mediante una adecuada combinación de campos eléctricos y magnéticos.

...o como un relámpago

La fusión rápida consiste, en sus aspectos más generales, en una microexplosión de una diana esférica que contiene deuterio y tritio solidificados a una temperatura de 3,6�K (unos 269,52�C bajo cero). La diana (que presenta un diámetro del orden de 0,1 mm) esta sometida a la acción intensa y concentrada de un haz de rayos láser. Debe situarse en una cámara de combustión lo suficientemente resistente para poder contener la onda expansiva producida, equivalente a la explosión de varios kilos de TNT.

En una primera etapa, la diana sufre una compresión que le provoca una aumento de densidad de 4,5 x 10²² a 5 x 10²⁶ átomos /cm³. Como la descarga energética producida por el láser es muy corta -inferior a la milmillonesima de segundo-. Esta compresión permitirá situarnos en las condiciones validas para el criterio de fusión termonuclear (criterio de Lawson).

Avanzar en las sucesivas etapas de esta tecnología requiere superar un inconveniente muy grave: el bajo rendimiento de los láseres, que oscila entre un 1 y un 10%. No podemos asegurar con el nivel tecnológico actual que la fusión nuclear mediante láser pueda ser, a pesar de los ensayos experimentales a pequeña escala, un modelo válido para los reactores nucleares...

Los recientes descubrimientos sobre haces de partículas de elevada energía (en particular, electrones relativistas -con velocidades próximas a la de la luz- y iones pesados) permiten abrigar esperanzas en cuanto a su empleo en la fusión rápida, todo a expensas de un mayor tamaño de la diana y de la potencia de la microexplosión.

Glosario

Términos utilizados al hablar de la fusión

Alcator. Familia de dispositivos Tokamak de confinamiento magnético desarrollados y construidos en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Caracterizados por diámetros relativamente pequeños y altos campos magnéticos. Los plasmas creados en estos dispositivos poseen corrientes eléctricas y densidades de partículas relativamente altas.

Amperio - Kiloamperio - Megamperio. Unidad convencional de medida de corriente eléctrica. Representa el paso de una carga eléctrica de un culombio en cada segundo. Un kiloamperio = 1.000 amperios; un megamperio = 1.000.000 amperios.

Átomo. La menor unidad de un elemento que retiene las características propias de ese elemento. En el centro del átomo hay un núcleo formado por neutrones y protones, en torno al cual se encuentran en órbita los electrones.

Átomo de deuterio. Isótopo del hidrogeno con un protón y un neutrón en su núcleo y un solo electrón en órbita alrededor de el.

Bomba de hidrogeno - Bomba H. Tipo de bomba atómica extremadamente potente, basada en la fusión nuclear. Los átomos de los isótopos pesados del hidrogeno (el deuterio y el tritio) se ven inmersos en una reacción de fusión, al ser sometidos a un calor y a una presión inmensos generados por la explosión de una unidad de fisión nuclear en el interior de la bomba.

Botella magnética. Campo magnético utilizado para confinar un plasma en experimentos de fusión controlada.

Calentamiento óhmico. Calentamiento producido como consecuencia de la resistencia que ofrece cualquier medio al paso de la corriente eléctrica. En un plasma sometido a un calentamiento óhmico, los iones se calientan casi por completo a partir de la transferencia de energía procedente de los electrones más calientes.

Dispositivo de dispersión - Láser. Conocido formalmente como Dispositivo de Dispersión Thomson. Dispositivo de diagnostico que se utiliza para medir la temperatura electrónica de un plasma dirigiendo luz láser en el interior del plasma. Los fotones del láser intercalan con los electrones desviándose de manera proporcional a la temperatura electrónica.

Dispositivos magnéticos de espejo. En general, dispositivos lineales de fusión en los que los campos magnéticos de hacen más intensos cerca de los extremos, provocando que las partículas que se escapan se reflejen y vuelvan al campo principal del plasma.

Divertor. Componente de un dispositivo de fusión toroidal que desvía las partículas cargadas hacia la parte exterior del plasma, en donde quedan neutralizadas. Así, impide que estas partículas choquen contra las paredes de la cámara y extraigan partículas secundarias que pudieran enfriar el plasma.

Efecto de Sujeción. Confinamiento de un plasma que transporta una alta corriente eléctrica, a causa de la interacción de esa corriente en el propio campo magnético que la rodea.

Electrón. Partícula elemental con carga negativa. Los electrones giran formando una órbita en torno al núcleo del átomo, que esta cargado positivamente.

Electron-Voltio (EV). Unidad de energía equivalente a la energía adquirida por un electrón que atraviesa una diferencia de potencial de un voltio. El electron-voltio se emplea también para expresar la temperatura del plasma. Se utilizan las medidas keV y MeV. La primera constituye el kilo Electron-Voltio, tal que 1 keV = 1.000 EV; la segunda constituye el mega electrón - voltio, tal que 1 MeV = 1.000.000 EV.

Fisión. División del núcleo de átomos pesados, como el uranio o el plutonio en dos partes aproximadamente iguales, a al que acompaña la liberación de una cantidad de energía relativamente grande y generalmente uno o más neutrones.

Fusión. Combinación de dos núcleos atómicos ligeros para formar un núcleo más pesado, ocasionando además una perdida de masa. A la fusión le acompaña, en general, una liberación de energía. Véase también Fusión termonuclear controlada.

Fusión fría. Método de producción de fusión a temperatura ambiente aun sin demostrar, haciendo pasar una corriente eléctrica entre dos electrodos, uno de ellos hecho de paladio, e inmersos ambos en un baño de agua saturada de deuterio. Se ha postulado que los núcleos de deuterio, al juntarse en la estructura cristalina del paladio, pueden estar lo suficientemente cerca para fusionarse.

Fusión láser. Esquema de fusión nuclear en el que se utiliza una corta emisión de luz láser localizada para comprimir y calentar una pequeña muestra de combustible.

Fusión magnética. Uso de campos magnéticos para contener un plasma en el que se están desarrollando reacciones de fusión.

Fusión termonuclear. Fusión a alta temperatura en la que se libera una cantidad considerable de energía.

Fusión termonuclear controlada. Proceso en el que núcleos muy ligeros que han alcanzado grandes temperaturas y han sido confinados en una región determinada sufren reacciones de fusión bajo condiciones controladas, con la consiguiente liberación de energía, energía que puede utilizarse en diversos objetivos.

Híbrido fusión - fisión. tipo ideal de reactor nuclear basado conjuntamente en reacciones de fisión y de fusión. Una cámara central de fusión produciría neutrones que provocarían la fisión en una sábana que lo rodeara, formada por material apropiado para la fisión. La fuente de neutrones también podría utilizarse para convertir otros materiales en combustibles adicionales apropiados para la fisión.

Hidrógeno. El elemento más ligero de todos, compuesto por un protón y un electrón. Sus isótopos son el deuterio, que tiene un neutrón adicional, y el tritio, que tiene otros dos neutrones.

Ignición. punto en el que el plasma produce tanta energía a partir de las reacciones de fusión que no necesita ya ninguna fuente externa de energía para mantener su temperatura.

Inestabilidad. Estado del plasma en el que cualquier pequeña perturbación se amplifica hasta alterar considerablemente el equilibrio del sistema, llevando hasta una interrupción.

Interrupción. Gran inestabilidad que origina una abrupta caída de temperatura y el final del plasma.

Ion. Átomo que ha quedado cargado como consecuencia de haber ganado o perdido uno o más de los electrones que giraban en torno a su núcleo. Un átomo completamente ionizado es aquel que se ha visto privado de todos sus electrones.

Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor). Reactor Termonuclear Internacional Experimental. Reactor de fusión que esta siendo planificado por Estados Unidos, la ex - Union Soviética, Japón y Europa.

Inyección de rayos neutros. Método para producir átomos neutros de alta energía e inyectarlos en un plasma confinado magnéticamente en donde se ionizan rápidamente. Los iones de alta energía transfieren entonces parte de su energía a las partículas del plasma en colisiones sucesivas incrementando así la temperatura del plasma.

Jet (Joint European Torus). Toroide Común Europeo. Un gran tokamak enclavado en Oxfordshire, Inglaterra, propiedad de la Comunidad Europea.

Láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Siglas inglesas de Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación. Dispositivo óptico que amplifica y concentra las ondas de luz, emitiéndolas en forma de luz estrecha e intensa.

Litio. Metal blando de color blanco plateado, el más ligero de todos los metales. Es liquido a 355 grados Fahrenheit y se usa como generador de titulo y como refrigerante en ciertos métodos de reactor de fusión.

Modo alto - Modo H (high mode). régimen de funcionamiento alcanzado durante el calentamiento adicional de los plasmas presentes en el interior del tokamak divertor, cuando la energía inyectada es suficientemente alta. Una repentina mejora en el confinamiento de las partículas conlleva una elevación de la densidad y de la temperatura, diferenciándose así el habitual "modo bajo".

Modo bajo - Modo L (low mode). comportamiento habitual del plasma cuando se encuentra bajo los efectos de un calentamiento óhmico; es decir conforme aumenta la temperatura del plasma, el confinamiento del plasma se deteriora.

Plasma. Gases ionizados; es decir, un gas descompuesto en iones positivos y electrones que se mueven libremente en un numero eléctricamente equivalente. El Sol, por ejemplo, es un plasma.

PLT (Princeton Large Torus). Gran Toroide de Princeton. Gran dispositivo toroidal de la gama tokamak, emplazado en el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton.

Protón. Partícula elemental que se encuentra en el núcleo de los átomos. Lleva una unidad de carga eléctrica positiva.

Proyecto Matterhorn. nombre en clave del primer proyecto secreto estadounidense de fusión controlada iniciado por Lyman Spitzer en la Universidad de Princeton en 1951.

Punto Crítico. punto en el que la energía de fusión producida por un plasma en reacción iguala la energía necesaria para mantener el plasma a alta temperatura. Para que se produzca energía neta en una reacción de fusión según el "criterio de Lawson" , un plasma de unos setenta millones de grados centígrados, con una densidad de 10¹⁰ - 10¹⁴ partículas por centímetro cúbico, debe mantenerse al menos durante un segundo.

Reactor de fisión. dispositivo que puede iniciar y controlar una serie de reacciones de fusión nuclear automantenidas, y convertir la energía liberada en energía eléctrica.

Reactor de fusión. modelo ideal de reactor nuclear en el que una serie de reacciones de fusión nuclear automantenidas producirán energía que pudiera convertirse en energía eléctrica.

Reactor híbrido. véase híbrido fusión - fisión

Sabana. región que rodea el núcleo de un reactor de fusión en el interior de la cual los neutrones se desacelerarían, el calor se transfiere a un refrigerador primario y se consigue tritio a partir del litio. En aplicaciones híbridas, en las sábana, se localizan materiales fértiles (como el Uranio-238 o el Thorio-232) que pueden convertirse en materiales apropiados para la fisión.

Sistema toroidal. Nombre genérico dado al tipo de dispositivos magnéticos con forma de rosquilla en los que las líneas magnéticas de fuerza se cierran sobre si mismas. Los Stellarator y los tokamaks son buenos ejemplos de estos dispositivos.

Stellarator. Dispositivo intentado por Lyman Spitzer para mantener un plasma dentro de un tubo con forma de pista de atletismo. El plasma se mantiene gracias a un campo magnético creado por cables enrollados helicoidalmente en torno al tubo.

T3. Tokamak soviético localizados en el Instituto Kurchatov de Moscú y que demostró por vez primera que se podría producir un plasma con una temperatura de diez millones de grados centígrados.

T10. Tokamak soviético posterior emplazado también en el Instituto Kurchatov, idéntico al PLT de Princeton, pero sin rayos neutros.

T15. Tokamak soviético con imanes superconductores actualmente en construcción

T20. Gran tokamak soviético que tenia que haber funcionado ya en la mismas condiciones que un reactor, pero cuyo proyecto fue abandonado por razones económicas.

TFTR (Tokamak Fusión Test Reactor). Reactor de fusión de prueba Tokamak. El mayor tokamak de los EUA localizado en el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton. Capaz de inyectar rayos neutros en un plasma de deuterio - tritio bajo condiciones similares a las de un reactor.

Tiempo de confinamiento. Período de tiempo en el que el plasma sigue sujeto por los campos magnéticos antes de que escape su energía.

Tokamak. Basado en un diseño original soviético, es un dispositivo en el que se pueden mantener plasmas en el interior de una cámara toroidal, combinando dos campos magnéticos - uno creado por circuitos eléctricos en torno al toroide, y el otro, creado por una intensa corriente eléctrica que atraviesa el propio plasma y que sirve además para calentarlo -.

Tritio. Isótopo radioactivo del hidrogeno, con un protón y dos neutrones en su núcleo, y un electrón en órbita en torno a ellos. Es un combustible de fusión más eficiente que el hidrogeno, debido a sus dos neutrones originales.

Zeta (Zero Energy Thermonuclear Assembly). Ensamblaje Termonuclear de Energía Cero. Dispositivo británico de fusión en el que varios científicos efectuaron observaciones erróneas de reacciones termonucleares de fusión en 1958.

Glosario de Nombres:

Artsimovich, Lev. Director del Programa de Fusión Controlada de la Unión Soviética desde 1950 hasta 1973

Esthinion, Phil. Físico del plasma de Princeton.

Fowler, Ken. �Director del Programa de Fusión Magnética del Laboratorio Livermore desde 1970 hasta 1987.

Furth, Harold. Director del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton desde 1981. Previamente director experimental.

Goldston, Rob. Físico del Plasma de Princeton.

Hirsch, Robert. Director del Programa de Fusión estadounidense desde 1972 hasta 1976.

Kurcahtov, Igor. Director delas Investigaciones en materia atómica de la Union Soviética desde 1938 hasta 1960, incluyendo el desarrollo de la bomba atómica.

Pease , Sebastien. �Director del Laboratorio Británico de Culham entre 1967 y 1987.

Rebut, Paul-Henri. Diseñador del JET y director del mismo desde 1985.

Spitzer, Lyman. Inventor del Stellarator. Fundador del Programa estadounidense de fusión controlada y director del Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton entre 1961 y 1966.

Teller, Edward. Físico nuclear nacido en Hungría. Dirigió el desarrollo en E.U.A. de la primera bomba de hidrógeno del mundo y fue uno de los primeros defensores de la Investigación pacífica en materia de fusión.

Bibliografía utilizada:

•      Atlas de la Ciencia Explicada, editado por Clarín, Bs. As. 1996.

•      Diccionario Enciclopédico Sopena, tomos II y IV, ed. R. Sopena, España 1970.

•      Dual Sopena Ilustrado, ed. R. Sopena, Barcelona 1992.

•      El núcleo atómico: sus transformaciones, fascículos 6 y7, de Ricardo C. Pasquali, otorgados por la Comisión Nacional de Energía Atómica.

•      El punto Omega, de John Gribbin, ed. Alianza.

•      El Sol brilla luminoso, de Isaac Asimov, ed. Plaza y Janés, España, 1986.

•      Enciclopedia Salvat, tomos VII, VIII y IX, ed. Salvat, Barcelona 1976.

•      Energía Nuclear, de Nigel Hawkes, ed. Plaza y Janes, España, 1980.

•      Era Atómica, tomo III: "La energía nuclear", ed. Salvat, Barcelona 1964.

•      Estado de las investigaciones sobre fusión nuclear controlada, de A. B. Rodrigo, CNEA Informe 438, Bs. As., 1978.

•      Física 2, de Oscar Perazzo y otros, ed. Troquel, Bs.As., 1981.

•      Física en la Ciencia y en la industria, de Cromer.

•      Fusión, la búsqueda de la energía eterna, de Robin Herman, ed. McGraw-Hill / Interamericana, Barcelona 1993.

•      Gran Diccionario Salvat, tomo II, ed. La Nación, Barcelona. 1992.

•      Historia del tiempo, Stephen W. Hawking, ed. Critica, Barcelona 1991.

•      Introducción a la tecnología nuclear, de Rafael H. Rodríguez Pasqués, ed. Eudeba, Argentina 1978.

•      Perspectivas de la Energía Termonuclear, de T. F. Johns, ed. Timún Mas, Barcelona, 1963.

•      Química Nuclear, de Whitten.

•      Superconductividad, el umbral de una nueva tecnología, de Jonathan L. Mayo, ed. McGraw-Hill, España 1991.

Apartado:

Resumen del reporte (febrero 1996) presentado por el prof. de Física Nuclear de la Universidad de Manchester, Reino Unido, Dr. J.C. Willmott. (extraído de Internet, dirección electrónica www.fusion.org.uk, y traducido del inglés por Jonás Mosse).

El siguiente reporte, escrito por el profesor Willmott, manifiesta su visión sobre la Fusión Atómica. Fue publicado en primer lugar en "European Brief", en febrero de 1996. Aquí es reproducido bajo permiso de sus publicadores.

¿La Fusión Atómica tiene futuro?

Por el Dr. J. C. Willmott.

La Tierra es el único planeta en el sistema solar que posee formas de vida no primitivas. Entre las muchas razones existentes que justifican este enunciado, una es, de hecho, que el Sol mantiene grandes superficies de la Tierra a la exacta temperatura que permite el desarrollo de complejas formas de vida. La Tierra, a 150 millones de km. de distancia al Sol, intercepta menos de una parte en un billón de la energía total del Sol, lo que sugiere que el Sol es una Gran fuente de energía; dicho astro ha mantenido la emisión de energía sin ningún insignificante cambio durante mas de un billón de años. El Sol consiste en 90% de hidrógeno y 10% de helio, y pequeñas cantidades de otros elementos.

Su energía es creada por una reacción de fusión: la conversión de hidrógeno en helio. Como la energía envuelta en reacciones nucleares es típicamente un millón de veces mas grande que la envuelta en reacciones atómicas o moleculares, grandes cantidades de energía pueden ser obtenidas a través de pequeñas cantidades de material. Un sencillo ejemplo mostrará la diferencia. Cualquier ama de casa que utilice gas natural puede, al observar su cuenta de gas, descubrir que un metro cúbico de gas provee 12 kw/h (Kilo Watts hora) de energía. Un metro cúbico de los componentes necesarios para que se lleve a cabo la fusión nuclear, proveería 10 millones de kw/h. Argumentos similares puede, obviamente, ser hechos para reacciones nucleares convencionales, como la fisión nuclear, pero el hecho es que la fusión no tiene problemas con residuos radiactivos que "opacan" tanto la historia de la fisión. Además, al elegir los materiales adecuados para la construcción de un dispositivo de fusión, es posible asegurar que las especies radioactivas creadas por los neutrones rápidos (un resultado experimental de la reacción de fusión) posean un periodo de vida muy breve, borrándose de esta manera la posibilidad "de que generaciones futuras arreglen nuestros líos". La ausencia de productos radioactivos significa que un accidente no significa una amenaza a la población circundante, en relación con otros tipos de reacciones nucleares. Es decir, la fusión nuclear no tiene ningún impacto ambiental, es decir, no modifica en absoluto el clima del planeta.

EL PROBLEMA REAL: La fusión que tiene lugar en el centro del Sol se da a temperaturas de quince millones de grados centígrados (15.000.000 �C), y con una densidad mil veces mayor a la del hidrógeno líquido. La reacción que se lleva a cabo para producir energía es en realidad lenta. En la Tierra, no hay dudas acerca de contener esa energía durante mas de unos segundos, por lo que tendríamos que realizar reacciones mas rápidas. La reacción mas indicada, y la mas considerada hasta el momento, es la reacción que se da entre los isótopos del hidrógeno: deuterio y tritio. Al colisionar, se fusionan y "transforman" en un neutrón y un núcleo de helio, produciendo gran cantidad de energía. El neutrón, al no tener carga, es absorbido por una gruesa sabana en donde "entrega" su energía. La energía del núcleo de helio es también finalmente enviada a la sabana, pero indirectamente. En la realidad, no hay problemas en cuanto a los elementos necesarios; el deuterio siempre esta presente siempre y cuando haya hidrogeno, en una proporción de uno en siete mil (1/7000), y hay suficiente hidrogeno en mares y océanos, y teniendo en cuanta nuestro consumo anual, continuara habiendo durante mas de 100 billones de años, mayor al tiempo en que existe el Universo. El tritio, siendo radiactivo y con una vida media de 12,5 años, debe ser producido artificialmente. Para producirlo, se incluyen cantidades del metal Litio en la sabana, ya que un neutrón rápido convierte al átomo de litio en un átomo de helio y uno de tritio. El litio se encuentra en la Tierra en relación al 10% la cantidad de carbón, a pesar de lo cual hay suficiente como para durar millones de años. El proceso debe ser realizado a altas temperaturas, ya que el núcleo, que posee una carga, requiere una gran cantidad de energía para vencer la fuerza de atracción entre las cargas. En un laboratorio, las temperaturas rondan los cien millones de grados Celsius. A esta temperaturas todos los electrones son "separados" de sus núcleos para producir lo que hoy se denomina PLASMA. El plasma posee una alta temperatura como para ser confinado por cualquier tipo de material, por lo que deberemos buscar otros métodos. En realidad, hay dos métodos básicos: el confinamiento magnético, en el que el plasma es mantenido en fuertes campos magnéticos, y confinamiento inercial, que en realidad, no es una técnica de confinamiento. En general, se tienen en cuenta dos factores: la densidad del plasma y el tiempo de confinamiento de la energía. Diferentes combinaciones de estas relaciones constituyen los dos métodos de confinamiento del plasma.

CONFINAMIENTO INERCIAL: en el confinamiento inercial una pequeña celda sólida conteniendo tritio y deuterio es rodeada por una cápsula la cual es bombardeada ya sea por iones altamente energéticos, o por una red de láseres muy poderosos. Esto hace la cápsula se comprima a velocidades asombrosas, haciendo que la presión de la reacción comprima a la mezcla de deuterio y tritio a mas de mil veces su densidad real siendo líquidos, y, al mismo tiempo, elevar la temperatura al rango deseado. Con esta densidad y temperatura, la mezcla reacciona tan rápido que todo termina en milésimas de segundo. La operación es llevada a cabo en el vacío, para que no existan ondas de choque, y la energía es absorbida por una sabana que la rodea. Todo parece muy simple hasta que uno se da cuenta de que la energía de 10 megajoule ( 3 kw/h), es requerida para comprimir la esfera, y de que debe ser despedida en el tiempo de 10 nanosegundos (hay un billón de nanosegundos en un segundo). �Cuando uno realiza los cálculos, al sumar la energía requerida para operar todo el dispositivo, la eficiencia del rayo láser hacia la esfera (extremadamente pequeña), la eficiencia termodinámica de la central eléctrica y otros factores, la eficiencia promedio es de entre 5% y 10% como mucho. Esto significa que cada explosión necesita producir 500 megajoules o más para lograr una ganancia razonable. Esto sería equivalente a explotar mas de 100 litros de nafta en una pequeña fracción de segundo. Todavía no se sabe a ciencia cierta si será posible designar y construir un dispositivo capaz de producir la alta intensidad necesaria junto al frecuencia de repetición. Se ha realizado mucho menos trabajo e investigaciones en confinamiento inercial que en el magnético, por lo que el confinamiento inercial posee muchos interrogantes aun no solucionados. Igualmente, hay una razonable cantidad de material teórico de investigación y fuentes que nos dan una mejor impresión que la que poseíamos hace diez años.

CONFINAMIENTO MAGNETICO: esta técnica ha sido seriamente investigada durante mas de 40 años. La mayoría de la formas de confinamiento magnéticos consiste en un plasma contenido en un toroide por un campo magnético que es proveído por una corriente externa, por una interna junto al plasma, o ambas. La densidad del plasma es acerca de un miligramo por metro cubico y el tiempo de confinamiento ideal es de unos pocos segundos. Una patente fue sacada acerca de sistemas de confinamiento toroidal magnético, por los G. P. Thomson y M. Blackman del "Imperial College", Londres, en 1946. En el principio de la década de 1950, comenzaron programas de fusión en Estados Unidos, Europa y Rusia. El trabajo de Rusia, en particular, llevo al concepto del tokamak, que es ahora el concepto mas aceptado. Otra posible configuración, que todavía tiene sus entusiastas, es el Stellarator. Éste constituye un invento norteamericano. Su ventaja es que opera continuamente con y no sufre las interrupciones que afectarían la reacción, como en el tokamak. Al momento, hay ciertas desventajas con respecto al Stellarator, pero no se sabe a ciencia cierta a que altura son inherentes. Los Japoneses en este momento se encuentran construyendo un dispositivo como éste, y hay una propuesta alemán para construir un gran Stellarator en Greifswald. Igualmente, el tokamak sigue siendo el tipo de dispositivo mas aceptado y popular. Hay cerca de 12 tokamaks de tamaño razonable en el mundo, siendo el mas grande el Joint European Torus (JET), o Toroide Común Europeo, localizado en Culham, Oxfordshire, Inglaterra. Mientras que el tamaño parece ser lo esencial para obtener la ignición (energía liberada = energía gastada), los problemas específicos son generalmente resueltos por maquinas de menor tamaño, siempre y cuando estén bien instrumentadas; a menor volumen, mas bajas corrientes y mas débiles corrientes y campos eléctricos, hay menor daño estructural si algo va mal. Las características del tokamak son un muy poderoso campo toroidal magnético, cerca de 100.000 veces el de la Tierra, y una gran corriente de muchos millones de amperios. Esta corriente produce su propio campo magnético, que a pesar de ser pequeño, es muy sustancial.

El parámetro esencial en confinamiento magnético es el tiempo de confinamiento, o confinamiento de energía (energy confinement time, TE). Hay tres medios por los cuales se pierde energía del plasma:

•Radiación: Los elementos pesados irradian mucho mas fuerte que los elementos livianos, así que las impurezas, en su mayoría de la pared principal, no deben entrar en contacto con el plasma.

•Transporte anómalo de energía: El mecanismo de transporte de energía en un plasma todavía hoy no esta bien comprendido, pero resulta claro que distintas densidades y temperaturas llevan a distintos resultados. Un gran paso que se llevo a cabo fue que si el borde del plasma era limitado al rodear el campo magnético apropiadamente, el tiempo de confinamiento se podía duplicar.

•Inestabilidades del plasma: Este medio puede llevar a reducir el tiempo de confinamiento o a grandes interrupciones que no pueden ser permitidas ser llevadas a cabo en grandes maquinas debido al gran daño que conllevaría. Estas inestabilidades parecen ser controladas a través de distintos mecanismos. Significantes cantidades de energía han sido producidas en el JET y el TFTR (Tokamak Fusión Test Reactor, o Reactor de Fusión Tokamak de Prueba) en Princeton, en Estados Unidos, indicando que las dificultades pueden ser sobrellevadas. Estas cantidades de energía fueron producidas durante cortos periodos de tiempo y todavía no han sido dominadas del todo. Igualmente los resultados han sido prometedores. Se sabe desde hace mucho tiempo que la forma del plasma le provee un efecto considerable en su conducta. El ratio entre el diámetro mayor del toroide y el ancho del plasma dentro del toroide se conoce como "el aspecto del ratio". Hasta hace poco todos los Tokamaks tuvieron un "aspecto de ratio" mayor a 2,5. Hace 10 (diez) años se sugirió que un Tokamak con un pequeño "aspecto de ratio" podía conllevar ciertas ventajas. Un dispositivo como este se asemeja a una rosquilla con un pequeño agujero central. Para probar estas ideas el laboratorio de Investigación de Fusión UKAEA

en Culham construyo un dispositivo como este denominado START (Small Tight Aspect Ratio Tokamak). Fue muy exitoso. Hasta ahora en casi 5 (cinco) años de operación no tuvo grandes interrupciones y produjo un valor para Tiempo de Confinamiento 2 veces mayor al esperado. Ninguno de estos fueron sus méritos originales sino que estos fueron su naturaleza compacta, y el hecho de que el tamaño unitario seria mucho menor, por lo que una falla temporal no obligaría a cerrar toda una central eléctrica. El START es muy pequeño y es claro que un dispositivo similar pero mayor necesita ser probado. Este dispositivo se encuentra en construcción en Culham y su performance será seguido con mucho interés.

PROSPECTOS: La mayoría de la gente que trabaja en el campo de la fusión no tiene dudas que será posible generar energía a través de la fusión nuclear; la pregunta es: ¿ a que costos, y cuan confiable será ? La producción de energía a través de la fusión esta tan lejana en el futuro que el costo es difícil de asegurar. Nosotros no sabemos de que manera los precios del combustible variaran. Hace 20 (veinte) años la gente hablaba de suministros de petróleo acabándose en 25 años. Hoy en día cierta gente afirma que siempre habrá 25 años mas de petróleo, pero llegara un momento en que los precios del mismo ascenderán y será allí cuando la energía de fusión se torne competitiva. Yo creo que debería prestarse mayor atención a la simplicidad de operación y a la ingeniería. Yo no creo en la viabilidad de calderas que requieren 50 PhDs. (Doctores en Física) que las mantengan funcionando. Mas aun: el tamaño unitario hoy en día parece ser demasiado grande. Del propuesto International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) se espera obtener 1.5 Gigawatts de energía de fusión. Esto implica que una planta eléctrica tendría 1, o como mucho 2 unidades de un tipo similar de diseño. Mayores investigaciones deberán llevarse a cabo en Tokamaks avanzados, como el JET, o en Tokamaks esféricos similares al START. Se ha iniciado la construcción de un sucesor mayor al START denominado MAST que entrara en funcionamiento dentro de unos pocos años. Nosotros no conocemos la capacidad de un Stellarator hasta que los alemanes y japoneses pongan sus dispositivos en funcionamiento. Yo creo que el ITER es prematuro en este momento. La mayor parte del presente trabajo en el diseño del ITER es para uso general y para ser hecho en cualquier parte, pero nosotros no debemos apurarnos en tomar una temprana decisión acerca del tipo exacto de dispositivo requerido. En este momento hay mucho trabajo por hacer en el JET, en el MAST y en los nuevos modelos de Stellarators que quizás proveerán prometedoras alternativas a los convencionales tokamaks.

ANEXO

El día miércoles 8 de agosto fuimos invitados los integrantes del grupo a una Conferencia sobre Fusión Atómica, organizada por la Comisión de Energía Atómica, específicamente por el Dr. A. B. Rodrigo, Jefe del Departamento de Fusión de la CNEA. La misma, tuvo cerca de 2 � horas de duración. Al finalizar la Conferencia, tuvimos el privilegio de poder quedarnos a discutir sobre el tema con el Dr. Rodrigo, quién nos solucionó las dudas que teníamos al momento, y nos explicó en detalle los temas planteados. A través de transparencias, fotocopias, gráficos y otros tipos de materiales, debemos decir que la Conferencia tuvo un éxito rotundo, y nos ayudó profundamente a comprender el tema de este trabajo. Cabe aclarar que la mayor parte de la conferencia fue grabada en un mini cassette, en un minigrabador. El cassette se encuentra en proceso, debido a que ciertas partes no pudieron ser grabadas en su totalidad, pero a la brevedad se dispondrá del material sonoro, para uso del profesor de la materia u otros.

Le estamos profundamente agradecidos al Dr. Adolfo Rodrigo, al igual que al personal en general del Centro Atómico Constituyentes, por su gran colaboración y por habernos ofrecido la gratificante oportunidad de recorrer las instalaciones del lugar, incluyendo la Biblioteca del Edificio Tandar y parte del Laboratorio Cero.

A continuación se encuentra un trabajo realizado por el conferenciante y entrevistado, que consideramos de particular interés, por lo que debe ser exhibido como un original, sin ser transcripto. Cabe aclarar que la mayoría de los temas allí tratados ya se encuentran manifestados con anterioridad en el presente trabajo.

La obra del Dr. Rodrigo se encuentra adjunto a continuación, titulado como Anexo 3.

Indice de Contenidos

Introducción página 2

La Energía Nuclear 3

División del átomo 3

Fisión Atómica 4

Regeneración 5

Residuos Nucleares 5

Máquinas Nucleares 5

Energía de fusión 6

Física básica de la fusión 7

La reacción de fusión 7

Requerimientos de un reactor de fusión 7

El Plasma 7

El confinamiento del plasma 8

Dispositivos de fusión 9

Efectos de autoconstricción 9

Principio del método 9

Estabilización del confinamiento 10

Calentamiento del plasma por interdifusión de campos 11

Autoconstricciones lineales 11

Autoconstrictores toroidales 12

El Stellarator 13

Confinamiento del plasma 13

Calentamiento 15

Calentamiento óhmico 15

Calentamiento por bombeo magnético 16

" por resonancia a la frecuencia de ciclotrón de los iones 16

Método de los espejos magnéticos 17

Principio del método 17

Calentamiento del plasma 18

El DCX 19

El OGRA 20

El método del Tokamak 20

Método de Calentamiento a Láser 24

Ventajas de la fusión 26

La búsqueda de la energía eterna, Historia de la fusión... 27

El invento del Dr. Spitzer 27

Detrás de puertas cerradas 29

Amigos y rivales 29

Buscando respuestas 30

El amanecer del Tokamak 30

Construyendo la Gran Ciencia 31

Formando la Gran Liga 32

El Plasma político 33

El Laboratorio moderno de fusión 35

Las Olimpíadas del plasma 36

Direcciones diferentes 36

Reacción de fusión 37

Japón 38

A la vista del punto critico 38

¿Cuales son sus desventajas? 38

Criterio de Lawson 41

Como un sol... o como un relámpago 42

GLOSARIO DE TÉRMINOS 43

GLOSARIO DE NOMBRES 47

BIBLIOGRAFíA 49

APARTADO 51

ANEXO 55

íNDICE 56