Es sabido que el uso de la fusión nuclear, el proceso que alimenta las estrellas, para producir electricidad en la Tierra ha estado a 30 años de distancia durante más de 70 años. Pero ahora, un experimento innovador realizado en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D en San Diego puede finalmente hacer que las plantas de energía de fusión nuclear estén a unos 29 años de distancia.
Techo de fusión nuclear
La instalación DIII-D está dirigida por General Atomics para el Departamento de Energía. Incluye un tokamak experimental, un dispositivo de fusión nuclear con forma de rosquilla que funciona atrapando plasma sorprendentemente caliente en campos magnéticos toroidales muy fuertes. Los Tokamaks, en comparación con otros diseños de reactores de fusión como los stellarators, son los que están más avanzados en su desarrollo; ITER, el primer dispositivo de fusión del mundo del tamaño de una central eléctrica que se está construyendo actualmente en Francia, realizará sus primeras pruebas con plasma en diciembre de 2025.
Pero los tokamaks siempre han tenido algunos problemas. En 1988, Martin Greenwald, un experto en física del plasma del Instituto Tecnológico de Massachusetts, propuso una ecuación que describía un límite aparente de la densidad del plasma en los tokamaks. Sostuvo que la densidad máxima alcanzable está dictada por el radio menor de un tokamak y la corriente inducida en el plasma para mantener la estabilidad magnética. Se suponía que ir más allá de ese límite haría que los imanes fueran incapaces de mantener el plasma calentado a más de 150 millones de grados Celsius lejos de las paredes de la máquina.
Dado que la producción de energía de un tokamak era proporcional al cuadrado de la densidad del combustible, este límite no auguraba nada bueno para las plantas de energía de fusión. Un reactor comercial tendría que ser enorme o generar corrientes de plasma absurdamente altas. Lo primero significaba que su construcción sería catastróficamente costosa, y lo segundo que su funcionamiento sería costoso.
Pero ha habido esperanza. Desde entonces, muchos equipos de investigación que trabajan en diferentes instalaciones de tokamak, incluido el Joint European Torus (JET) en Gran Bretaña o ASDEX Upgrade en Alemania, lograron densidades de plasma que excedieron el límite de Greenwald. En respuesta, el propio Martin Greenwald revisó un poco su afirmación, diciendo que el límite no se aplicaba a la línea de densidad promediada del plasma en todo el reactor, sino sólo a la porción del plasma que ocupaba menos del 10 por ciento del radio cerca de la pared del reactor.
Si bien las cifras de densidad reales se modificaron un poco, el principio de funcionamiento detrás del límite de Greenwald aún se mantenía: cuando la densidad del plasma subía por encima de la línea de Greenwald, la calidad del confinamiento disminuía. «El principal fenómeno que la gente descubrió en los experimentos de alta densidad fue la reducción del confinamiento de energía cuando se aumentó la densidad del plasma», dijo Siye Ding, investigador de General Atomics que trabaja en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D.
Para utilizar la fusión para la producción de energía, necesitamos alta densidad y alto confinamiento. «Por primera vez hemos demostrado experimentalmente cómo resolver este problema», afirmó Ding.
Rompecabezas autoorganizado
«Cuando se produce plasma en un reactor, hay toda una combinación de parámetros», explicó Andrea Garofalo, director científico de General Atomics que trabajó en el experimento en DIII-D. “¿Qué es la corriente de plasma, qué es el campo toroidal, qué es el calentamiento externo versus el tiempo? Las combinaciones de estos parámetros pueden variar en los tokamaks: puede tener una corriente de plasma mayor o menor, puede iniciar el calentamiento temprano o puede comenzar más tarde. Todo esto constituye lo que llamamos un escenario”.
«Estamos hablando de optimizar las formas de onda de energía, combustible, etc. para lograr la configuración correcta», añadió.
La configuración que él y sus colegas lograron (llamada escenario beta alto-poloidal) funcionó a las mil maravillas.
Las personas que trabajan en la fusión nuclear utilizan varias métricas que integran múltiples parámetros en números simples para facilitar la comparación del rendimiento de diferentes experimentos de fusión. La métrica H98Y rastrea la calidad del confinamiento. El modo de alto confinamiento que se utilizará en ITER tiene H98Y igual a 1. La densidad del plasma a menudo se denomina FGR (la fracción de Greenwald), que describe hasta qué punto puede llegar por debajo o por encima del límite de Greenwald. FGR igual a 1 significa densidad exactamente en el límite de Greenwald.