La ciencia cotidiana de la fusión Understand article

Author(s): Karl Tischler, Gieljan de Vries
Translator(s): Rafael Martínez-Oña

Conozca la ciencia cotidiana que hay detrás de la búsqueda de la energía de fusión -la energía que impulsa a las estrellas- de forma segura aquí en la Tierra.

La búsqueda de la energía de fusión, una fuente de energía potencialmente sostenible y abundante, ha sido un viaje difícil debido a la intrincada tecnología necesaria para aprovechar la energía de las estrellas. Sin embargo, algunos de los conceptos básicos de la fusión son análogos a cosas familiares que vemos en nuestras casas, en la calle y en la naturaleza.

La energía de fusión es una forma de energía que se genera fusionando átomos. Es el mismo proceso que tiene lugar en el sol y en otras estrellas.

La fusión de deuterio (²H) con tritio (³H) crea helio-4 y un neutrón, y libera 17,59 megaelectronvoltios (MeV) como energía cinética de estas partículas. De acuerdo con la ecuación E=mc² (la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado), una determinada cantidad de masa desaparece.
Imagen: Wykis/Wikimedia, Dominio público

Científicos de todo el mundo han estado trabajando para desarrollar una forma de aprovechar esta energía en la Tierra. Uno de los métodos más prometedores para lograrlo es el uso de un dispositivo llamado «tokamak».

Tokamaks

Un tokamak es una máquina en la que una pequeña cantidad de hidrógeno gaseoso puede llegar a calentarse hasta alcanzar una temperatura tan elevada, que los electrones se desprenden de los átomos. Esta mezcla de partículas cargadas se denomina «plasma», que está formado por núcleos de hidrógeno, algunos de los cuales se fusionan para formar helio y liberar una gran cantidad de energía en el proceso. El objetivo del tokamak es crear las condiciones para que esta reacción de fusión se produzca de forma sostenida y genere una cantidad significativa de energía que pueda proveerse a hogares y ciudades en el futuro.

Tokamak, pronunciado tókamak, es un término que puede parecer sacado de una novela de ciencia ficción, pero en realidad es una tecnología del mundo real que los científicos están utilizando para develar la energía de las estrellas y crear una nueva fuente de energía aquí en la Tierra. Un tokamak tiene forma de toro, es decir, es circular con un agujero en el centro. En otras palabras, ¡es un enorme aparato con forma de rosquilla!

Ilustración del tokamak JET utilizado por los investigadores de EUROfusion
*Imagen:* *EUROfusion*, *CC BY 4.0*

Récord de fusión

Una de las máquinas tokamak más conocidas es el Toro Común Europeo (JET por sus siglas en inglés) situado en Culham, Reino Unido, y utilizado exclusivamente para la investigación de EUROfusión. El JET es el mayor tokamak del mundo y ha sido decisivo para avanzar en nuestra comprensión de la energía de fusión. De todos los tokamaks actualmente en funcionamiento, sólo el tokamak JET puede utilizar tanto deuterio (²H) como tritio (³H) como combustible. Este es el combustible previsto para casi todos los futuros diseños de centrales de fusión de primera generación. El deuterio está disponible en grandes cantidades en el agua de mar, mientras que el tritio puede crearse a partir del metal abundante de litio. Con deuterio y tritio, los investigadores de EUROfusion han logrado la mayor energía y potencia de fusión jamás producidas por un tokamak en el JET.

Isótopos

Un isótopo es como un agente secreto entre los átomos. Los átomos están formados por protones, neutrones y electrones. Los isótopos son átomos del mismo elemento (por ejemplo, hidrógeno, carbono) pero con un número diferente de neutrones. Los isótopos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, lo que les confiere las mismas propiedades químicas, pero distinto número de neutrones, otorgándoles propiedades físicas diferentes.

Los tres isótopos naturales del hidrógeno. El hecho de que cada isótopo tenga un protón los convierte en variantes del hidrógeno: la identidad del isótopo viene dada por el número de protones y neutrones. De izquierda a derecha, los isótopos son el protio (¹H) con cero neutrones, el deuterio (²H) con un neutrón y el tritio (³H) con dos neutrones.
Imagen: Dirk Hünniger/Wikimedia, CC BY-SA 3.0

Control del plasma

El tokamak es una máquina compleja, pero muchas de las tecnologías que utiliza se pueden encontrar en la ciencia cotidiana. Por ejemplo, el plasma del tokamak es similar a los relámpagos que se ven durante una tormenta o al gas caliente de un tubo fluorescente.

Una lámpara fluorescente es un ejemplo corriente de plasma. La corriente eléctrica fluye a través del tubo en una descarga de arco de baja presión. Los electrones chocan con los átomos de gas noble y los ionizan en el interior del tubo alrededor del filamento para formar un plasma.
Imagen: Dmitry G/Wikimedia, CC BY-SA 3.0

Los plasmas están formados por electrones cargados negativamente y núcleos cargados positivamente. Estas partículas cargadas pueden mantenerse dentro de la cámara de vacío de un tokamak sin tocar las paredes, gracias a potentes campos magnéticos. En el interior del tokamak, las partículas de plasma se calientan a temperaturas extremadamente altas, de hasta 150 millones de grados Celsius. Esta temperatura es muy superior a la del núcleo del Sol, que se estima en unos 15 millones de grados Celsius.

*Vista interna del tokamak JET superpuesta a una imagen de un plasma tomada con una cámara de vídeo de espectro visible.*
*Imagen cortesía de EUROfusion*

El sistema de confinamiento magnético del tokamak es similar a los principios utilizados en un motor eléctrico. Un motor eléctrico utiliza un campo magnético para crear movimiento y el tokamak utiliza un concepto similar para mantener el plasma en el lugar correcto. Los imanes crean un fuerte campo magnético que rodea el plasma, atrapándolo en el centro del tokamak. Los futuros tokamaks utilizarán imanes superconductores, fabricados con materiales especiales que pueden conducir la electricidad sin perder energía.

*Esquema de un tokamak: las bobinas magnéticas (azul y gris) sirven para controlar el plasma de fusión (rosa)*
*Imagen cortesía de EUROfusion*

Calentamiento del plasma

Una vez capturado el plasma en una jaula magnética, es hora de empezar a calentarlo. Una forma de hacerlo es utilizando microondas similares a las del microondas de la cocina. Sin embargo, las microondas del tokamak tienen una frecuencia y una potencia mucho mayores que las del microondas de la cocina. Ambos utilizan ondas electromagnéticas como las ondas de radio, pero con una frecuencia más alta y una longitud de onda más corta. Una de las propiedades de estas ondas es la capacidad de hacer que las partículas se muevan, y cuando hace que se muevan más rápido y choquen entre sí con más fuerza, se calienta el plasma, haciendo más probable la reacción de fusión. Esto es similar a calentar comida en un microondas de cocina.

Uno de los mayores retos del desarrollo de la energía de fusión es conseguir una reacción de fusión sostenida. Los científicos tienen que asegurarse de que el plasma esté lo suficientemente caliente y el campo magnético sea bastante fuerte para mantener el plasma confinado en el tokamak durante el tiempo suficiente, para generar una cantidad significativa de energía. Los investigadores de EUROfusion en el JET han avanzado mucho en este campo y han logrado reacciones de fusión sostenidas durante varios segundos. Los futuros tokamaks, como el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER por sus siglas en inglés), están diseñados para crear plasmas de alta energía durante quince a sesenta minutos seguidos.

Toro Común Europeo

El JET, Toro Común Europeo, es una máquina antigua pero potente que ha sido clave para avanzar en el conocimiento de la energía de fusión. Pero, como toda tecnología, no es perfecta. JET utiliza imanes que no son superconductores, es decir, que se calientan rápidamente, y con plasmas de alta energía los imanes sólo pueden funcionar durante unos cinco segundos. Pero no hay que preocuparse, los científicos han estado trabajando en versiones nuevas y mejoradas del tokamak y han dado con una solución revolucionaria: los imanes superconductores. Estos imanes especiales pueden conducir la electricidad sin perder energía y, lo que es más importante, sin calentarse. Esto significa que los futuros tokamaks con imanes superconductores no se enfrentarán a las mismas limitaciones que el JET y podrán funcionar durante periodos más largos, acercándonos un paso más a hacer realidad la energía de fusión.

Refrigeración

Otro aspecto importante del tokamak es el sistema de refrigeración. Un tokamak como el JET genera una gran cantidad de calor, que es necesario eliminar para evitar daños en la máquina. El tokamak JET utiliza principalmente refrigeración inercial, pero también cuenta con un sistema limitado de refrigeración por agua para eliminar el calor de su desviador, que es similar a los sistemas de refrigeración utilizados en las centrales eléctricas actuales.

En el futuro, el objetivo es que las centrales de fusión utilicen el calor que producen las reacciones de fusión para hacer funcionar turbinas de vapor y generar electricidad. Transformarán el proceso que proporciona energía a las estrellas de forma que podamos generar electricidad limpia aquí en la Tierra.

La ciencia cotidiana en la tecnología del tokamak

El tokamak es una máquina compleja que utiliza una combinación de tecnologías para confinar y calentar el plasma y crear las condiciones necesarias para que se produzcan las reacciones de fusión. Muchas de las tecnologías utilizadas en el tokamak JET pueden verse reflejadas en la ciencia cotidiana, como el plasma que se ve en los relámpagos de las tormentas eléctricas, en los principios de los motores eléctricos y en las microondas de los hornos microondas de las cocinas. El reto consiste en desarrollar y optimizar todas estas tecnologías y reunirlas para crear un sistema estable, una tarea que requiere una amplia colaboración entre ingenieros y científicos de campos muy diversos. Aunque el objetivo de conseguir reacciones de fusión sostenidas y una fuente práctica de energía sigue siendo un trabajo en curso, la investigación de EUROfusion en tokamaks como el JET nos está acercando a hacer realidad la energía de fusión.

Resources

Encuentre recursos didácticos sobre fusión en la web de EUROfusion.
La web FuseNet contiene material educativo tal como cursos, libros, experimentos, multimedia, reseñas y tesis sobre fusión.
Explore el tokamak del ITER en el sitio web de Fusion for Energy. Haz clic en los componentes para saber más sobre cada uno.
Utiliza los globos de plasma para enseñar un montón de física interesante, de forma entretenida: Yáñez González (2016) Plasma: The fourth state. Science in School 37: 50–55.
Utiliza microondas para hacer experimentos espectaculares en clase: Stanley H (2009) Microwave experiments at school. Science in School 12: 30–33.
Lee sobre el experimento de JET que demostró por primera vez la generación sostenida de alta potencia de fusión: Warrick C (2022) JET sets new fusion energy record. Science in School 57.
Más información sobre el Sol y su fuente de energía: Tiele Westra M (2006) Fusion in the Universe: the power of the Sun. Science in School 3: 60–62.
Descubre cómo se utilizan los drones para reparar dispositivos de fusión: Kidambi M (2017) Fusion drones: robot technicians for nuclear devices. Science in School 40: 8–11.
Más información sobre la diferencia entre fusión y fisión: EUROfusion (2021) Fusion vs fission. Science in School 51.
Más información sobre el helio y por qué debemos conservarlo: Lord M (2021) Elements in focus: helium. Science in School 53.

Institutions

Review

Algunas preguntas de comprensión que pueden utilizarse después de la clase:

¿Qué se entiende por reacción de fusión?
Explique el significado de la palabra toro
¿De dónde se puede obtener el deuterio?
¿Qué se entiende por isótopo?
¿Cuáles son los retos de la producción de energía a partir de reacciones de fusión?
Indique las ventajas de generar energía a partir de reacciones de fusión.