Plasma en condiciones de quemado

En el núcleo de nuestro Sol, las temperaturas extremas y la inmensa presión generada por las enormes fuerzas gravitatorias crean unas condiciones ideales para la fusión nuclear.

Ahora bien, recrear esto en la Tierra, que carece de las fuerzas gravitatorias extremas de una estrella, y hacerlo mediante un reactor de fusión plantea numerosos desafíos técnicos. El mayor de todos consiste en conservar a más de 100 millones de grados Celsius el plasma calentado de la fusión (ese gas dotado de carga y compuesto por iones y electrones libres en el que tiene lugar la reacción), confinando sus partículas en un campo magnético y manteniéndolas unidas durante un lapso lo suficientemente prolongado para que tengan lugar reacciones y estas produzcan energía.

Comprender y validar las hipótesis actuales sobre cómo se comporta este plasma caliente de la fusión son algunas de las cuestiones fundamentales de las que se han de ocupar los científicos e ingenieros especializados en fusión para más adelante generar electricidad a partir de la fusión.

Las opciones de combustible para la fusión son limitadas. En la Tierra, el combustible de máximo rendimiento posible está formado por una mezcla de iones de deuterio y tritio: dos formas más pesadas de hidrógeno. Cuando estas colisionan a temperaturas extremas, se fusionan y generan partículas cargadas compuestas por dos protones y dos neutrones (denominadas partículas alfa), así como neutrones libres. Mientras que los neutrones escapan del campo magnético y no interactúan con el plasma, las partículas alfa quedan confinadas por el campo magnético y calientan aún más el plasma circundante. “Para aprovechar la energía de fusión es fundamental controlar ese calentamiento”, dice Matthew Hole, Profesor de la Universidad Nacional de Australia.

Una energía de fusión segura y sostenible se basa en estas partículas alfa cargadas y en su energía para mantener el plasma a una temperatura constante, lo que, a su vez, permite que las reacciones sean autosuficientes. Lograr esto es esencial para el funcionamiento de un reactor de fusión.

En la década de 1990 los reactores experimentales de fusión producían hasta 16 megavatios (MW) de energía durante algo menos de un segundo. En esos experimentos, las partículas alfa suministraban solo un 10 %, aproximadamente, del calor abastecido de manera externa. Comprender qué ocurre cuando las partículas alfa proporcionan una parte mayor del calor es una cuestión que se explorará por medio de iniciativas como el ITER: un experimento internacional a escala de reactor que se está construyendo en Francia.

“El ITER nos brindará la oportunidad de estudiar los ‘plasmas en condiciones de quemado’, en los que al menos el 66 % del calentamiento total provendrá de las partículas alfa de la fusión. Si se dan estas condiciones, el ITER producirá 500 MW de energía de fusión durante un máximo de 500 segundos”, declara Alberto Loarte, Jefe de la División de Ciencias de la Organización ITER. Según afirma, los experimentos de su organización proporcionarán respuestas muy necesarias a preguntas clave dentro de la física del plasma en condiciones de quemado, por ejemplo: cómo crear un plasma que se autosostenga a partir del calentamiento interno proveniente de sus partículas alfa, y cómo encontrar unas condiciones de funcionamiento óptimas para un alto rendimiento de fusión que sean compatibles con la capacidad de la pared del reactor de soportar la energía.

Un indicador importante del rendimiento de un reactor de fusión es su “ganancia de potencia de fusión”, que está determinada por la temperatura del plasma, su densidad y el tiempo de confinamiento de la energía, un parámetro de medición de la eficacia con que el campo magnético mantiene la energía del plasma a lo largo del tiempo. Para crear una reacción automantenida han de cumplirse tres requisitos: una temperatura en torno a los 100 millones de grados Celsius, una densidad 1 millón de veces inferior a la del aire, y un tiempo de confinamiento de la energía de apenas unos pocos segundos.

Aunque esos requisitos se entienden bien, la manera de satisfacerlos todos a un mismo tiempo lejos está de ser evidente. Por ejemplo, incrementar la densidad del plasma es, en principio, ventajoso, puesto que así es más probable que se produzcan reacciones de fusión. Sin embargo, tal y como se?ala Richard Hawryluk, Director Adjunto - Fusión del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton, en los Estados Unidos de América, muchos experimentos muestran que, conforme la densidad se acerca a su máximo, el confinamiento del plasma se degrada más de lo previsto.

Para que el experimento del ITER tenga éxito han de encontrarse soluciones a estos problemas, y gran parte de la investigación necesaria para tal fin requiere cooperación internacional. Por intermedio de su serie de reuniones técnicas sobre física de partículas con carga energética, control del plasma y obtención, validación y análisis de datos de fusión, el OIEA proporciona una plataforma para el intercambio de resultados científicos y técnicos y está ayudando a desarrollar instrumentos de modelización que se puedan utilizar para prever el comportamiento del plasma de fusión en el ITER y en los futuros reactores de fusión.

Uno de los mayores desafíos es encontrar unas condiciones de funcionamiento óptimas con un nivel máximo de energía de fusión y de control del plasma, que permitan un alto rendimiento sin infringir los límites operacionales durante períodos prolongados. Quebrantarlos resulta problemático, pues podría dar pie a inestabilidades que acabaran con el plasma debido a un fenómeno conocido como disrupción del plasma.

“En un reactor del tipo tokamak y de forma toroidal, como el ITER, una disrupción podría acabar rápidamente con el plasma en escasos milisegundos y generar una importante tensión térmica y mecánica en los componentes del reactor —dice Michael Lehnen, Coordinador Científico de la Sección de Estabilidad y Control de la Organización ITER—. El OIEA está ayudando a evitar este escenario fomentando el intercambio de información relativa a las labores experimentales, teóricas y de modelización en esta esfera, y en los próximos a?os se centrará particularmente en crear una base sólida para el dise?o del sistema del ITER para la mitigación de las disrupciones”.

Los experimentos recientes y las labores de modelización que incorporan métodos basados en la inteligencia artificial están arrojando luz sobre los requisitos para un control eficaz del plasma, lo cual contribuye a allanar el camino para que las futuras centrales de fusión tengan un dise?o y un funcionamiento seguros. “La poderosa estadística avanzada y los enfoques de aprendizaje automático aplicados a la investigación sobre disrupción pueden ayudar a detectar patrones significativos y revelar información oculta en los datos experimentales acumulados durante a?os”, se?ala Cristina Rea, Investigadora del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Está surgiendo una sinergia productiva entre físicos especializados en control, expertos en modelización y en desarrollo de escenarios e ingenieros de datos, en la que se están dise?ando nuevas soluciones para eludir esas barreras disruptivas. Según la Sra. Rea, se ha de seguir trabajando para evaluar la aplicabilidad de esas metodologías basadas en datos respecto de proyectos como el ITER, pero por ahora los resultados son alentadores.