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Cuando indagamos en los retos que aún tiene por delante la fusión nuclear para dar respuesta a nuestras necesidades energéticas solemos dar vueltas a las mismas ideas. Los investigadores están elaborando estrategias cada vez más sofisticadas que les ayuden a estabilizar el plasma. Y, además, el proyecto IFMIF-DONES persigue encontrar los materiales idóneos para lidiar con los neutrones de alta energía liberados en la reacción de fusión.
No cabe duda de que estos son dos de los mayores desafíos a los que se enfrenta la energía de fusión actualmente, pero no son los únicos. Los científicos también están enfrascados en la búsqueda de soluciones a otros retos que apenas tienen visibilidad en los medios de comunicación, pero que también son vitales para llevar a buen puerto esta tecnología que persigue ayudarnos a generar grandes cantidades de electricidad.
Precisamente, uno de estos «pequeños grandes desafíos» consiste en encontrar la forma de mantener el plasma libre de impurezas. En energía de fusión se conoce como impureza a toda aquella partícula que no está involucrada directamente en la reacción entre los núcleos de deuterio y tritio, pero que tiene la capacidad de diluir estos dos isótopos que conforman el combustible. E, incluso, de enfriar el plasma debido a su capacidad de emitir radiación visible, ultravioleta y rayos X.
Las simulaciones de JET dibujan un horizonte positivo en dinámica del plasma
Lo que acabamos de ver nos invita a hacernos una pregunta: ¿de dónde salen las impurezas que acaban mezcladas con los núcleos de deuterio y tritio que intervienen en la reacción de fusión? Curiosamente proceden de las paredes de la cámara de vacío. El elemento del reactor que tiene la capacidad de aportar más impurezas es el divertor, que está fabricado en acero inoxidable revestido por unos escudos de tungsteno. De alguna forma es, para entendernos, el tubo de escape del reactor.
El tungsteno es el metal que tiene el punto de fusión más alto: nada menos que 3.422 °C
Se ha elegido el tungsteno para poner a punto los escudos expuestos al plasma porque este es el metal que tiene el punto de fusión más alto: nada menos que 3.422 °C. En cualquier caso, como acabamos de ver, el propósito del divertor es purificar el plasma, permitiendo la extracción de las cenizas y las impurezas resultantes de su interacción con la capa más expuesta del manto.
De hecho, precisamente, la principal fuente de contaminación del plasma son los átomos de tungsteno que se liberan como resultado de la interacción de los escudos de este material y los flujos de plasma más intensos, que tienen lugar justo en la región de la cámara de vacío en la que se encuentra el divertor. Según los cálculos de los científicos en ITER será necesario mantener las impurezas de tungsteno por debajo del 0,005% de la cantidad total de plasma.
Para lograrlo es necesario que el divertor cumpla su función y consiga extraer con eficacia fuera de la cámara de vacío la mayor parte de las impurezas que acaban mezcladas con el plasma, y que, como hemos visto, tienen la capacidad de degradarlo. No es fácil conseguirlo, pero los científicos han optado por una estrategia que consiste en utilizar los campos magnéticos que confinan el plasma para derivar las impurezas hacia el «tubo de escape» del reactor.
JET ya está entregando resultados que invitan a los científicos a afrontar el desafío que implica la eliminación de las impurezas con optimismo
La cámara de vacío de ITER está siendo ensamblada en estos momentos, y aún faltan varios años para que comiencen las pruebas con plasma que permitirán a los técnicos evaluar el comportamiento del combustible. Pero, afortunadamente, no es necesario que este reactor experimental entre en operación para estudiar la dinámica de las impurezas del plasma. JET, el reactor de fusión experimental alojado en Oxford (Inglaterra), ya está entregando resultados teóricos que invitan a los científicos a afrontar el desafío que implica la eliminación de las impurezas con optimismo.
Esta recreación ilustra cómo varía la densidad de átomos de tungsteno entre dos perturbaciones consecutivas que afectan a la periferia del plasma (a), y también justo después de una de estas inestabilidades (b).
La dinámica de los átomos de tungsteno en el interior de los reactores tokamak se está estudiando con intensidad desde hace más de una década, pero los investigadores de JET han dado un paso hacia delante importante al simular con precisión la interacción entre las impurezas y el plasma que se producirá en ITER. Su conclusión es esperanzadora: la estrategia de control de impurezas en la que están trabajando funciona.
Y lo hace debido a que los campos magnéticos del reactor consiguen transportar con eficacia los átomos de tungsteno que permanecen en las capas más externas del plasma hacia el divertor, que, como hemos visto, es el elemento por el que son desechados. Este resultado es inédito, y los principios físicos sobre los que se sostiene son sólidos, por lo que ahora nos queda confiar en que las pruebas experimentales lo corroboren. Crucemos los dedos.
Imágenes: ITER
Más información: ITER
