Tokamak. Introducción a la fusión nuclear

A continuación encontrarás un extenso artículo que busca explicar, de manera amena y para un nivel aproximado de 16 años, qué es un Tokamak. El contenido está pensado para ser lo suficientemente detallado como para abarcar diversos aspectos de interés, pero también claro y entretenido para su lectura.

1. Introducción a la fusión nuclear

Antes de adentrarnos en el concepto de Tokamak, resulta útil comprender qué es la fusión nuclear, por qué es tan importante y cómo encaja un Tokamak en el gran objetivo de generar energía mediante este proceso.

1.1. ¿Qué es la fusión nuclear?

La fusión nuclear es el proceso por el cual dos núcleos atómicos ligeros (generalmente isótopos de hidrógeno, como el deuterio y el tritio) se unen para formar un núcleo más pesado, liberando una enorme cantidad de energía en el proceso. Este fenómeno es el que tiene lugar de manera natural en el Sol y en otras estrellas del universo. De manera muy simplificada, es como juntar dos “bolitas” de material y, al unirse, se libera mucha más energía de la que inicialmente se invirtió, siempre y cuando las condiciones sean las adecuadas (principalmente temperatura y presión muy altas).

1.2. ¿Por qué la fusión nuclear es tan deseada?

La razón principal por la que los científicos e ingenieros de todo el mundo persiguen la fusión como fuente de energía es su promesa de ser:

1. Limpia: No genera residuos radiactivos de larga vida como la fisión nuclear (la que ocurre en los reactores nucleares comerciales actuales).
   
2. Abundante: Los combustibles necesarios (deuterio y tritio) se pueden obtener con relativa facilidad. El deuterio se extrae del agua del mar, mientras que el tritio se puede producir a partir de litio, elemento que existe en grandes cantidades en la corteza terrestre.
   
3. Segura: A diferencia de la fisión, la reacción de fusión no puede descontrolarse en una explosión nuclear porque, si fallan las condiciones (por ejemplo, si baja la temperatura), el plasma simplemente se enfría y cesa la reacción.

En otras palabras, si logramos dominar la fusión nuclear como fuente de energía, podríamos satisfacer de forma casi ilimitada nuestras necesidades energéticas, reduciendo en gran medida los problemas medioambientales que enfrentamos hoy.

Bibliografía consultada:

2. Breve repaso histórico de la búsqueda de la fusión controlada

2.1. Los primeros pasos teóricos

El interés por la energía de fusión data de la primera mitad del siglo XX, cuando los físicos comenzaron a entender la estructura interna de las estrellas y la forma en que generaban su energía. En las décadas de 1930 y 1940, grandes científicos como Hans Bethe y otros describieron las reacciones nucleares que alimentan al Sol. Este entendimiento llevó a la idea de que, si pudiéramos reproducir esas condiciones en la Tierra, generaríamos energía de forma similar.

2.2. Competencia e investigación en la Guerra Fría

La carrera para comprender y dominar la fusión se intensificó durante la Guerra Fría (entre la Unión Soviética y Estados Unidos, principalmente). La primera aproximación fue en realidad la creación de bombas de hidrógeno (bombas termonucleares), que demostraron que, efectivamente, la fusión libera enormes cantidades de energía, aunque de manera descontrolada. El gran reto, sin embargo, era lograr una fusión controlada y estable, lo bastante manejable como para usarla en generación de electricidad.

A mediados de la década de 1950 y principios de la de 1960, se desarrollaron varios dispositivos en diferentes partes del mundo. Algunos de los primeros experimentos utilizaron máquinas denominadas “pinch” para confinar y calentar el plasma (el cuarto estado de la materia, que se compone de partículas cargadas eléctricamente). Sin embargo, surgieron muchos problemas de inestabilidad y pérdidas de calor.

2.3. El surgimiento del Tokamak

Durante este período de intensa investigación aparecieron ideas muy variadas, pero fue en la Unión Soviética donde científicos como Igor Tamm y Andréi Sájarov propusieron un dispositivo diferente: el Tokamak. Su nombre proviene, en ruso, de “TOroidal’naya KAmera s MAgnitnymi Katúshkami”, que traducido al español vendría a ser algo así como “cámara toroidal con bobinas magnéticas”. El diseño del Tokamak sobresalió rápidamente por su capacidad para confinar el plasma de manera más eficiente y estable que otros dispositivos de la época.

Hacia finales de la década de 1960, los resultados obtenidos en el Tokamak T-3 en la Unión Soviética asombraron a la comunidad científica: se alcanzaron temperaturas de 10 millones de grados, un logro muy superior al de otras máquinas del momento. A partir de ahí, el Tokamak se convirtió en el “caballo de batalla” para el desarrollo de la fusión por confinamiento magnético en todo el mundo.

2.4. La expansión internacional

En la década de 1970 y las siguientes, diversas naciones y grupos de investigación decidieron construir sus propios Tokamaks, con el fin de avanzar en la comprensión del plasma y buscar el ansiado objetivo de obtener un reactor que produjera más energía de la que consumía. Ejemplos notables incluyen el JET (Joint European Torus) en el Reino Unido, el JT-60 en Japón y el DIII-D en Estados Unidos. Cada uno de estos dispositivos fue incrementando el conocimiento sobre el comportamiento del plasma, cómo calentarlo y cómo mantenerlo estable.

En la actualidad, la gran colaboración internacional se centra en la construcción de ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ubicado en el sur de Francia. Este gigantesco Tokamak espera superar las barreras técnicas y demostrar la viabilidad de la fusión nuclear a gran escala, abriendo la puerta a futuros reactores comerciales.

3. ¿Qué es exactamente un Tokamak?

La palabra Tokamak se utiliza para referirse a un tipo de reactor experimental de fusión nuclear que confina el plasma en una forma toroidal (similar a una rosquilla). En estas máquinas, se usan potentes campos magnéticos para “encerrar” el plasma caliente en su interior, evitando que éste toque las paredes del reactor y pierda energía. El objetivo principal es mantener las partículas cargadas (electrones e iones) en una trayectoria controlada el tiempo suficiente para que puedan fusionarse y liberar energía.

...