Por qué el Instituto Max Planck quería cocinar plasma en su reactor de fusión

No hay nada como un reactor de fusión para generar entusiasmo. Después de nueve años de construcción y 1.000 millones de euros, los científicos del Instituto Max Planck de Física de Plasmas iniciaron la primera prueba en caliente del dispositivo de fusión Wendelstein 7-X el 10 de diciembre y generaron un plasma de helio que duró una décima de segundo. Y alcanzó un millón de grados centígrados. Pero no te exageres demasiado todavía. Esto fue solo un paso hacia la preparación del dispositivo para su verdadero propósito: estudiar la fusión nuclear con gas de hidrógeno.

Está bien, ahora estás bombeado.

La fusión ha sido durante mucho tiempo el becerro de oro de la investigación sobre energía nuclear, mostrando fisión nuclear en todas las categorías, excepto en la factibilidad. La fusión produce una cantidad colosal de energía: es, después de todo, el mismo proceso que alimenta al sol. Pero su mismo poder lo hace un dolor en el culo para tratar. Cada reactor de fusión construido hasta ahora consumía más energía de la que producía. El récord de potencia de fusión se estableció en 1997: 16 megavatios producidos con una potencia de entrada de 24 megavatios. Pero si alguien logra cambiar esa ecuación … ¿Se puede decir que la energía es barata y libre de carbono?

A diferencia de su primo menos sofisticado, la fusión no produce residuos radioactivos. El ciclo de suministro de hidrógeno es menos problemático que el ciclo de suministro de uranio. Para ser justos, las fuentes más comunes de hidrógeno hoy en día son el carbón y el gas natural, pero el hidrógeno podría ser producido por electrólisis.

La fisión y la fusión son iguales en dos aspectos. Ambos explotan la conversión de los átomos de un elemento a los átomos de otro elemento, y ambos fueron utilizados primero como armas. Fat Man y Little Boy, las bombas de fisión lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki en 1945, en 1952 dieron paso a dispositivos de fusión como Ivy Mike. (Aunque Ivy Mike no fue construida como una bomba, pronto fue seguida por ojivas termonucleares de muchos megatones en rendimiento, todo entregable por misiles intercontinentales).

La bomba de fusión era conocida como una bomba H por una razón: la liberación de energía sin precedentes provino de la fusión de los átomos de hidrógeno. Los investigadores de fusión buscan aprovechar este efecto para la generación de energía civil. Resulta que esto es un reto. La fusión de hidrógeno en la superficie de la Tierra requeriría temperaturas superiores a un millón de grados centígrados. A estas temperaturas, el hidrógeno y el helio se convierten en plasma, la cuarta forma de materia.

Pero ¿qué diablos es un plasma, de todos modos?

En resumen, un plasma es un gas ionizado. En un plasma, todos los enlaces moleculares se disuelven y los electrones abandonan sus átomos anfitriones. Los plasmas son altamente conductores porque tienen una alta densidad de portador de carga, es decir, los electrones y los iones son libres de moverse independientemente unos de otros en respuesta a un campo eléctrico.

Aunque todo esto suena exótico, los plasmas aparecen regularmente en nuestras vidas. La luz de los rayos y las señales de neón proviene de los electrones que se combinan con iones y se hunden para bajar los estados cuánticos, un proceso conocido como emisión espontánea. Algunas llamas son lo suficientemente calientes como para ionizar los gases de escape, y las antorchas de plasma, las pantallas de plasma y los soldadores de arco utilizan plasmas.

Pero todos los que no tienen nada en el plasma en un reactor de fusión. A un millón de grados centígrados, los átomos en la sopa de fusión son extremadamente energéticos. Si no están contenidos, saldrán disparados, dañarán el aparato y no se fusionarán entre sí. Sin contención, probablemente nunca alcanzarías un millón de grados en primer lugar.

La contención es la Gran reto en la investigación de fusión. El plasma debe mantenerse en un espacio confinado y no debe tocar las paredes del recipiente de fusión. No hace falta decir que el recipiente debe mantenerse a alto vacío. Wendelstein 7-X usa 65 bombas de vacío para mantener la presión en 0,000000001 milibares. (Eso es 0.000001 Pascales para ustedes, amantes de SI). El único medio realista para confinar un gas ionizado a temperaturas infernales es mantenerlo en un campo magnético. Y aquí es donde las cosas se ponen realmente difíciles.

Durante años, el diseño de reactor de fusión más popular fue el tokamak. En años antes de que las supercomputadoras jugaran al ajedrez, destruyeran humanos en Jeopardy y plegaran proteínas, los científicos idearon formas inteligentes de producir el campo magnético con la forma correcta. En un tokamak, una corriente eléctrica que corre a través de los pares de plasma con electroimanes externos para crear el campo magnético necesario.

No es así en Wendelstein 7-X. Aquí, el campo de contención proviene completamente de electroimanes superconductores externos. El equipo de investigación utilizó una supercomputadora para optimizar la forma de estos imanes y eliminar la necesidad de una corriente de plasma. Este estilo de reactor de fusión es conocido como un stellarator.

Hasta ahora, nadie ha construido un reactor de fusión que genere más energía de la que consume. Incluso Wendelstein 7-X, el reactor de tipo estelarador más grande del mundo, se construyó con fines de investigación, no para generar energía. Pero si desea invertir sus esperanzas en un proyecto de fusión, Wendelstein 7-X es un buen lugar para comenzar. Asegúrate de mantener un ojo en el ITER, también configurado para ser el tokamak más grande del mundo.