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Fusión en plasma en un tokamak como fuente de energía limpia

Alejandro Miguel Angel Huaman Velasque
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Estudiante de Ingeniería Ambiental

19 mayo 2020

En la actualidad es clara la necesidad de energía limpia como opción para reemplazar a las fuentes de  energías actuales que además de ser contaminante son no renovables, una alternativa teórica que hasta nuestros días se mantiene vigente es la fusión nuclear(núcleos ligeros) como una fuente de energía limpia. En este artículo se dará una descripción sobre qué es el estado plasmático como se manipula y algunos alcances recientes para estar más próximos a lograr  una fuente de energía práctica en un futuro cercano.

El estado plasmático o plasma es una forma de manifestación de la materia que se da en la naturaleza bajo ciertas condiciones como es el caso del sol y de otras estrellas que debido a sus altas temperaturas están constituidas por materia en estado plasmático.

En dicho estado lo que se tiene es gas a elevadas temperaturas altamente ionizado, debido a que los electrones de los atomos y moleculas  que conforman el gas quedan libres, estos electrones libres le confieren al plasma un estado energético muy elevado, en el caso que se llegue alcanzar una temperatura entre los 1500 a 2500 millones de grados ocurre la desionización total de los núcleos del gas, quedando dichos núcleos libres y desplazándose a gran velocidad; sin embargo, aún se mantiene una fuerza de atracción entre los electrones libres y los núcleos de los átomos que han quedado con una carga neta positiva y sobre todo la fuerza de  repulsión de los núcleos a dichas fuerzas se les conoce como barrera electrostática- térmica funcional, es necesario superarla para que se dé inicio a la fusión de los núcleos, en la naturaleza esto ocurre de manera espontánea, las estrellas como nuestro sol en un proceso denominado confinamiento gravitatorio se da gracias al potente campo gravitatorio existente en la estrella que se ocasiona al superar la atracción entre de sus núcleos y electrones, y de repulsión entre los núcleos, de esta forma es como se da la fusión de los átomos de hidrógeno que liberan una gran cantidad de energía, la cual llega hasta nuestro planeta y se estima que es suficiente como para satisfacer nuestras necesidades energéticas.

 

Si dispusieramos de medios adecuados para almacenarlos, dicha energía sería ciento por ciento limpia y libre de residuos  a diferencia del núcleo del sol, donde la fuerza de la gravedad es inmensa en la superficie de la tierra es despreciable para ese fin. Por ello, se recurre a otra opción. Se sabe que al ser el plasma una nube de electrones en movimiento caótico, poseen carga y -valga la redundancia- movimiento.Dos características  que le confieren un campo magnético a dicho cuerpo plasmático, una de las características principales de un campo magnético es que son de curvas cerradas gracias a la naturaleza dipolar de este, eso permite que al interactuar el plasma con un campo magnético intenso adecuado, conocido como botella magnética por la forma cerrada y una parte más angosta que la otra que adquiere el campo magnético, está confinado al plasma y además de mantenerlo moviéndose en trayectorias cerradas en un espacio reducido para que las moléculas se aproximen para chocar con suficiente energía y se supere la barrera electrostática- térmica funcional, con el cual es posible que se dé la fusión de núcleos ligeros, la botella magnética es el único medio en el cual se puede mantener al plasma ya que por su elevada temperatura funde cualquier material sólido, a este proceso de encerrar el plasma en un campo magnético se la conoce como confinamiento magnético.  

Es claro que para lograr dichos campos magnéticos intensos se requiere de una cantidad apreciable de energía eléctrica fluctuante; no obstante, la energía que se libera al fusionarse dos núcleos ligeros que proviene de superar la fuerza nuclear fuerte es más intensa que la utilizada en la generación del campo magnético, teniendo así una energía neta, de manera similar al núcleo del sol que desprende una energía extra producto de las constantes fusiones de los núcleos de hidrógeno que se van dando, la fuente que genera el campo magnético junto con el recipiente que contiene el campo, es conocido como tokamak.

 

Aparte del campo magnético también se genera una presión baja dentro del tokamak permitiendo que el plasma también se encuentre a presiones bajas, esto último para que los choques  de los núcleos se den de manera controlada y se logre la fusión de estos, para dicho vacio es necesario que aparte de los imanes que están acoplados en forma toroidal se encuentre también una bomba de vacio que expulsa la mayor cantidad de aire del interior de la cámara del tokamak. También, otro elemento importante en el tokamak es el sistema de refrigeración que mantiene a bajas temperaturas los imanes el material principal para la refrigeración es el nitrógeno líquido

 Figura 1: Imagen de un tokamak actual, esta fue ideado en el año de 1950 por los físicos soviéticos Igor Tam y Andrei Sajarov.

Fuente:  Palermo (2014)

El plasma que circula dentro del tokamak está formado específicamente de 50% deuterio y 50% tritio, que son los dos isótopos del átomo de hidrógeno más pesados, los que constituyen  el agua, con dos y tres neutrones respectivamente. Al fusionarse estos dos núcleos cuando colisionan, se genera el núcleo de helio (He) con dos protones y dos neutrones, el neutrón sobrante  se desplaza a gran velocidad en el plasma, estos neutrones van formando parte del plasma enriqueciéndose de la misma forma como se formo el material plasmático, con una desionización de átomos de deuterio y tritio y aceleraciones constantes de estos por un campo magnético oscilante, generado a su vez por una corriente en las bobinas de los imanes oscilantes hasta alcanzar velocidades muy elevadas.Y, por ende, un mayor incremento de la temperatura, esto después de muchos ciclos de dar vueltas por la trayectoria de confinamiento, además de ello es ayudado por una constante inyección de átomos neutros muy energéticos y de radiofrecuencias todo esto para alcanzar la velocidad adecuada.

En el caso que se desee parar el proceso de fusión simplemente se debe de dejar de inyectar combustible que no es más que los mismos átomos de deuterio y tritio, esto genera que cada vez y de manera rápida haya más y más átomos de helio que son pesados y neutros provocando que el flujo plasmático pare. Es por su forma rápida de controlar, no genera residuos ni necesita combustible contaminante que es considerada una energía limpia.

El reto hoy en día es poder generar una cantidad de material plasmático apreciable a nivel industrial y además de confinarlo adecuadamente para poder utilizarlo como fuente de energía, los estudios ahora se orientan a mejorar los procesos de generar plasma y de manejarlo para así poderlo hacer a mayores escalas y tener una gran fuente de energía.

 

Al estar confinado el plasma tiene cierta analogía con un fluido dentro de una tubería pero también tiene diferencias la más destacadas es la diferencia de temperatura radial,que decrece en dicha dirección a partir del centro del fluido, aproximando la forma del fluido al toroide del tokamak. Entonces podemos hablar de zonas de mayor y menor densidad y cada zona posee un plano de asimetría  esto de acorde con los modelos físicos del estudio del plasma como fluido, así la densidad del plano medio de asimetría del plasma resulta un parámetro muy importante para el tokamak, para determinar las posiciones de dicha zona de densidad media se hace uso en la recopilación de  datos un dispersor de Thompson de alta resolución, dichos datos se analizan con la ayuda del programa especializado SOLEDGE2D(S2D), este código de transporte bidimensional(2D) resuelve ecuaciones  diferenciales de fluidos, otro parámetro utilizado es la separación. Estos parámetros están relacionados con una mayor eficiencia del funcionamiento del tokamak de la matriz del plasma. El comprender este parámetro del plano de asimetria puede ayudar a mejorar el confinamiento en el tokamak y tener una mayor eficiencia al momento de generar la fusión en plasma en el sentido de tiempo y energía gastada.

Referencias:

  •  Q. Zang y col.2017. Nucl. Fusión 56, 106003. [2] A. Leonard y col., Nucl. Fusión , 57, 086033.

  • Mckraken,p.Sottot (2005).Fusion the energy of the universe.ISBN:0-12-481851-x.

  • Sociedad nuclear española (14-08-2016) criterios de lawson.

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