Un modelo predice escenarios para la generación de energía mediante fusión nuclear

AGÊNCIA FAPESP/DICYT - La generación controlada y regular de energía mediante la fusión nuclear para la conversión de hidrógeno en helio, que reproduce en la Tierra –y a pequeña escala– lo que sucede en el Sol y en otras estrellas, es una de las grandes promesas tecnológicas con la mira puesta en las próximas décadas.

Mucho más allá de los resultados que se han venido obteniendo desde hace tiempo en distintos laboratorios, un prototipo de reactor llamado ITER –ese nombre significa “el camino” en latín–, capaz de generar 500 megavatios de energía, se encuentra en construcción en el sur de Francia y entrará en actividad en 2025. China, la Unión Europea, la India, Japón, Corea del Sur, Rusia y Estados Unidos participan en este megaproyecto, cuyo costo superará los 20 mil millones de euros.

El ITER no suministrará energía destinada a la red eléctrica sino que será el primer aparato de tipo tokamak –un término formado por el acrónimo de la expresión en ruso correspondiente a “cámara toroidal con bobinas magnéticas”– en el cual la energía generada será mayor que la energía necesaria para ponerlo en marcha. De este modo, este aparato permitirá poner a prueba las múltiples complejidades técnicas inherentes al proceso y servirá de modelo para la construcción de máquinas similares.

Sin embargo, para que todo esto salga bien hay una cuestión que resulta crucial: hay que asegurarse de que el proceso de fusión nuclear se vuelva autosostenible, a los efectos de impedir que la pérdida de energía a través de la radiación electromagnética y del escape de partículas alfa –el núcleo atómico del helio, que está conformado por dos protones y dos neutrones– enfríe el reactor. Los resultados experimentales observados en el transcurso de los últimos 20 años han demostrado que la forma en que se eyectan los iones rápidos (entre ellos las partículas alfa) desde el plasma varía mucho entre los distintos tokamaks. Y nadie entendía cuáles eran las condiciones experimentales que determinaban este comportamiento.

Éste es el problema que ahora ha sido dilucidado por Vinícius Njaim Duarte, un joven científico brasileño que se doctoró recientemente con una beca de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo -- FAPESP, sumada a una Beca de Investigación Científica en el Exterior, y que actualmente lleva adelante un trabajo posdoctoral en el Princeton Plasma Physics Laboratory, en Estados Unidos.

Njaim Duarte fue el autor principal del artículo titulado Theory and observation of the onset of nonlinear structures due to eigenmode destabilization by fast ions in tokamaks, cuya publicación apareció destacada en la revista Physics of Plasmas, perteneciente al American Institute of Physics (AIP).

La repercusión de su trabajo fue tal que, en el tokamak más grande de Estados Unidos, el DIII-D, desarrollado y operado por General Atomics en San Diego, California, se realizaron experimentos con el objetivo de poner a prueba el modelo que propuso el brasileño. Y los resultados experimentales confirmaron las predicciones de su modelo.

“Las ondas electromagnéticas excitadas por partículas rápidas en los tokamaks pueden experimentar una brusca variación de frecuencia, a la que en inglés se le da el nombre de chirping [gorgeo]. No se entendía por qué en algunas de estas máquinas esto aparecía, en tanto que en otras no. Mediante la aplicación de un modelado numérico bastante complejo y el empleo de datos experimentales, Njaim Duarte demostró que la producción o no del chirping –y por ende, el carácter de la pérdida de partículas y de energía– depende del nivel de turbulencia del plasma existente en el interior del tokamak, dentro del cual se producen las reacciones de fusión nuclear. Si el plasma no es demasiado turbulento, se genera el chirping. Pero en caso de que lo sea, éste no surgirá”, dijo el físico Ricardo Magnus Osório Galvão, actual director del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, por sus siglas en portugués) de Brasil, quien fue el director de la tesis doctoral de Njaim Duarte en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IFUSP).

Para entender este descubrimiento, se hacen necesarias previamente algunas explicaciones. Primeramente, es preciso tener claro que el proceso en pauta es el de fusión nuclear y no el de la fisión nuclear. En la fisión, que es lo que sucede en las diversas centrales nucleares existentes en el mundo, los núcleos atómicos de elementos pesados (el uranio 235, por ejemplo) se dividen en núcleos de elementos más livianos (kriptón y bario en ese caso) y liberan energía, radiación electromagnética y neutrones (que le dan proseguimiento al proceso).

En la fusión, el fenómeno es otro. En ésta, los núcleos atómicos de elementos más livianos [tales como el deuterio (un protón y un neutrón) y el tritio (un protón y dos neutrones), que son dos isótopos del hidrógeno] se funden, forman núcleos de elementos más pesados (en este caso, helio, con dos protones y dos neutrones) y generan energía.

“Para que la fusión pueda concretarse, es necesario superar la repulsión electrostática entre los iones positivos. Eso sólo es posible si el gas ionizado [el plasma], constituido por los núcleos de los elementos livianos, se calienta a altísimas temperaturas, de entre decenas y centenas de millones de grados Celsius”, explicó Osório Galvão.

En el ITER, por ejemplo, se calentarán 840 metros cúbicos de plasma a 150 millones de grados Celsius, más de 10 veces la temperatura del núcleo del Sol. “A ese nivel de temperatura, se llega al breakeven, que es cuando la energía que generan las reacciones de fusión logra compensar la energía necesaria para calentar el plasma”, prosiguió el director del Inpe.

Este proceso tiene lugar en el interior del tokamak, el cual, tal como el propio nombre lo indica, es un dispositivo toroidal. Esta máquina, inventada en la década de 1950 por los físicos soviéticos Ígor Tamm y Andréi Sájarov con base en una idea original de Oleg Lavrentiev, tiene un formato similar al de un neumático, pero con un tamaño mucho mayor.

El “paso por paso” es el siguiente: se produce vacío en el interior de la cámara, la cual se rellena posteriormente con el gas. Mediante una descarga eléctrica, se ioniza dicho gas y su temperatura se eleva mediante la inyección de campos de radiofrecuencia.

Un campo eléctrico, inducido en la dirección del toroide, hace pasar una corriente de altísima intensidad (en el DIII-D, la corriente es del orden del millón de amperios) por el gas. Esta corriente calienta el gas por efecto Joule, y se inyecta más energía aún mediante el aporte de ondas electromagnéticas. De este modo se alcanza la temperatura necesaria como para desencadenar el régimen de fusión nuclear. Incluso en un tokamak pequeño como el que existe en la Universidad de São Paulo se llega a temperaturas del orden de los 100 millones de grados.

“A esa temperatura elevadísima, la vibración de los iones hace que se choquen entre sí, venciendo la repulsión electrostática. Un poderoso campo magnético confina el flujo del plasma, impidiendo que el mismo entre en contacto con las paredes del aparato. Las partículas alfa [núcleos de helio] formadas, altamente energizadas, colisionan con otras partículas del plasma y lo mantienen caliente, de manera tal que la reacción de fusión se vuelva autosostenible”, dijo Osório Galvão.

El director de tesis doctoral de Njaim Duarte formula una analogía para ayudar a entender este proceso. Es como una hoguera hecha con leña un tanto húmeda. De entrada, se hace difícil encender el fuego. Pero si se logra llegar a un cierto nivel de temperatura, la propia quema de la leña producirá la energía suficiente como para vencer la humedad y mantener el régimen de combustión estable. En el caso del plasma, se dice que el mismo llega al punto de ignición cuando las partículas alfa pasan a realimentar el proceso en forma consistente.

El control de la turbulencia

Entre las diversas ventajas de la fusión con relación a la fisión, una de ellas consiste en que la fusión está dotada de un mecanismo autoconsistente de control. Una vez que se alcanza el punto de ignición, si ese nivel de temperatura se sobrepasa en demasía, es decir, si el plasma se calienta demasiado, la tasa de reacción decrece automáticamente. De este modo, queda descartada la posibilidad de sobrecalentamiento del reactor, que es una de las más peligrosas consecuencias de los accidentes en las centrales nucleares.

El problema –y así volvemos a la investigación de Njaim Duarte– reside en que la interacción resonante entre las partículas alfa y las ondas presentes en el plasma puede hacer que se exciten oscilaciones electromagnéticas, o incluso que se eyecten partículas alfa. Esto lleva a la pérdida de energía, al enfriamiento del plasma y a la eventual interrupción del régimen de fusión nuclear. La comprensión de los motivos que provocan este desenlace y los motivos que lo impiden resulta fundamental para asegurar la sostenibilidad del proceso y la utilización de la fusión nuclear como una fuente viable para la producción de electricidad.

Njaim Duarte constató que este desenlace ocurre en forma autoorganizada y con producción de chirping cuando el plasma no es demasiado turbulento. No así cuando es muy turbulento”, dijo Osório Galvão.

El quid de la cuestión, tal como lo explicó Osório Galvão, consiste en que en un fluido demasiado turbulento deja de existir una dirección preferencial. Y también con relación a esto, el director del Inpe echó mano de una analogía.

“Cuando calentamos agua paulatinamente, se crea en el recipiente una célula convectiva. El agua caliente sube y el agua fría baja. Esto se mantiene así hasta que el líquido alcance en su totalidad el punto de ebullición. Entonces el medio se vuelve turbulento: la célula convectiva se desintegra y la energía se distribuye indiferenciadamente en todas las direcciones. En el plasma, confinado magnéticamente, también sucede esto. Y el hecho de que así ocurra inviabiliza la existencia de un sistema autoorganizado que permita el sostenimiento de una indeseable onda electromagnética asociada. No existe la coherencia suficiente como para que se generen ondas. Por eso cesa la pérdida de energía que le pondría coto al proceso de fusión”, dijo.

“Njaim Duarte había publicado anteriormente un trabajo sobre este modelo, durante su doctorado. Pero nadie había realizado aún un experimento tendiente a controlar el nivel de turbulencia y verificar si el modelo se aplicaba o no. Ahora, General Atomics realizó dicho experimento en el DIII-D, específicamente con la finalidad de poner a prueba el modelo. Y el resultado lo comprobó”, dijo Osório Galvão.

Los físicos experimentales sabían inducir empíricamente una mayor o menor turbulencia, pero no sabían que eso tendría efectos sobre la alteración de la naturaleza espectral de las ondas asociadas a estructuras de partículas. El aporte de Njaim Duarte consistió en identificar el mecanismo clave de control y explicar el porqué. En términos de aplicación tecnológica, se trata de establecer un “optimum” de turbulencia: la suficiente como para impedir la pérdida de partículas y energía en forma autoorganizada, pero no tanta como para que pueda generar otros efectos indeseables para el confinamiento del plasma como un todo.

Hasta el momento, los tokamaks han sido utilizados a escala de laboratorio. El ITER será el primer prototipo de una máquina capaz de generar electricidad mediante fusión en forma eficiente. El empleo de la fusión nuclear controlada no está exento de controversias. Pero sus proponentes apuntan hacia la perspectiva de una generación segura y prácticamente ilimitada de energía, sin la contrapartida de la producción de basura radiactiva, tal como sucede en los reactores de fisión.

	Referencia bibliográfica
	Theory and observation of the onset of nonlinear structures due to eigenmode destabilization by fast ions in tokamaks, de V. N. Duarte, H. L. Berk, N. N. Gorelenkov, W. W. Heidbrink, G. J. Kramer, R. Nazikian, D. C. Pace, M. Podestà y M. A. Van Zeeland (doi: https://doi.org/10.1063/1.5007811), se encuentra publicado en el siguiente enlace: http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5007811.