Hace ya casi tres años, en junio de 2021, celebramos la llegada a las instalaciones de ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), el reactor experimental de fusión nuclear que un consorcio internacional liderado por Europa está construyendo en Cadarache (Francia), del solenoide central. Este componente es el corazón del complejo motor magnético del reactor, y no es otra cosa que un potentísimo imán superconductor con unas dimensiones colosales.
Mide 18 metros de altura, tiene un diámetro de 4 metros y pesa 1.000 toneladas. Va colocado en el orificio central de la cámara de vacío con el propósito de inducir en el plasma una enorme corriente eléctrica. Además, este potentísimo imán se utiliza para optimizar la forma del plasma, estabilizarlo, y también ayuda a calentarlo gracias a un mecanismo conocido como Efecto Joule, contribuyendo a elevar su temperatura a más de 150 millones de grados Celsius.
No obstante, el solenoide central no es en absoluto el único imán de ITER. Los imanes superconductores colocados en la parte exterior de la cámara de vacío tienen la responsabilidad de generar el campo magnético necesario para confinar el plasma en su interior. También se encargan de controlarlo y estabilizarlo. Pesan 10.000 toneladas y están fabricados en una aleación de niobio y estaño, o niobio y titanio, que adquiere la superconductividad cuando se enfría con helio supercrítico hasta alcanzar una temperatura de -269 ºC.
Hay vida más allá de los imanes superconductores
Como acabamos de comprobar, los imanes superconductores son en conjunto un componente fundamental no solo de ITER, sino de todos los reactores experimentales de fusión nuclear, como el JET británico o el JT-60SA japonés. El problema es que fabricarlos es muy costoso, por lo que tienen un impacto muy grande en el coste final del reactor. Afortunadamente un equipo de investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de la Universidad de Princeton, en Nueva Jersey (EEUU), parece estar a punto de cambiar radicalmente el panorama.
Su propósito es proponer una nueva estrategia de construcción de reactores 'stellarator' optimizados que utilizan imanes permanentes y bobinas planas
Y es que estos científicos han publicado un interesantísimo artículo en la revista 'Journal of Plasma Physics' en el que abordan el diseño y la construcción de MUSE, el primer reactor experimental de fusión nuclear de tipo stellarator que utiliza imanes permanentes y no dispositivos superconductores. Su propósito es proponer una nueva estrategia de construcción de reactores stellarator optimizados que utilizan imanes permanentes y bobinas planas, dos componentes perfectamente conocidos que son mucho más baratos que los imanes superconductores, y también mucho más fáciles de administrar.
Los reactores de tipo stellarator representan una alternativa muy sólida a los tokamak, como ITER o JET. Y no son precisamente el resultado de una investigación reciente. De hecho, ambos diseños fueron ideados durante la década de los 50 del siglo pasado. El stellarator fue diseñado por el físico estadounidense Lyman Spitzer y ejerció como los cimientos sobre los que se construyó, precisamente, el Laboratorio de Física del Plasma de la Universidad de Princeton en el que investigan los autores del artículo en el que estamos indagando.
Si observamos la geometría de ambos diseños nos daremos cuenta de que los reactores tokamak tienen forma de dónut, mientras que los stellarator adquieren una estructura más compleja que los asemeja a una rosquilla retorcida sobre sí misma. La diferencia fundamental entre ambos diseños consiste en que en el tokamak necesitas generar los campos magnéticos por un lado con bobinas, y por otro lado lo induce el propio plasma. La ventaja de esta estrategia es que el reactor no es tan sensible a los defectos de construcción porque el propio plasma es capaz de 'acomodarse'.
La mayor complejidad inherente del diseño 'stellarator' ha provocado que plantee más desafíos que el confinamiento magnético del plasma en los 'tokamak'
Sin embargo, en los reactores de tipo stellarator todo se hace mediante ingeniería. Todo se hace con bobinas. No hay corriente dentro del plasma. Si te equivocas y lo construyes mal, el plasma no se confina. La mayor complejidad inherente del diseño stellarator ha provocado que plantee más desafíos que el confinamiento magnético del plasma en el interior de la cámara de vacío de un reactor tokamak.
Si el proyecto MUSE sale bien la construcción de un reactor stellarator podría ser más sencilla y barata, lo que a medio plazo podría acelerar la investigación en fusión nuclear. Y, quien sabe, quizá en el futuro también puedan beneficiarse de esta tecnología los reactores tokamak, como ITER. Crucemos los dedos.
Imagen | PPPL