Hay una razón de peso que explica por qué aún no tenemos reactores de fusión nuclear capaces de generar una gran cantidad de electricidad: las condiciones que es necesario sostener en el tiempo para que la reacción de fusión perdure son extremadamente exigentes. De los desafíos a los que se enfrentan los ingenieros que investigan en el ámbito de la energía de fusión hemos hablado en otros artículos, pero en este nos interesa detenernos en un requisito muy importante: el plasma del reactor debe alcanzar una temperatura de al menos 150 millones de grados Celsius.
El plasma confinado en la cámara de vacío de un reactor experimental de fusión nuclear, como ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), la máquina de fusión que está siendo construida en la localidad francesa de Cadarache, es un gas muy caliente que contiene el combustible requerido para desencadenar la reacción de fusión. Y en este ámbito el combustible que presumiblemente utilizarán los reactores comerciales de fusión, y que ya han empleado algunas máquinas experimentales, como JET, en Oxford (Inglaterra), está constituido por núcleos de deuterio y tritio.
El núcleo de estos dos isótopos del hidrógeno tiene carga eléctrica global positiva, de ahí que puedan ser confinados en el interior de un campo magnético. El problema es que para conseguir que un núcleo de deuterio y otro de tritio se fusionen es necesario que adquieran la energía cinética necesaria para vencer su repulsión natural. Y este umbral de energía solo es posible alcanzarlo si el plasma tiene una temperatura de 150 millones de grados Celsius o más. Precisamente, el dispositivo que protagoniza este artículo es el responsable de calentarlo.
Un girotrón es una máquina apasionante
El primer girotrón fue ideado en la década de los años 60 del siglo pasado en la Unión Soviética. Desde entonces su diseño se ha refinado mucho, por lo que los girotrones actuales, aunque mantienen los mismos principios de funcionamiento de las máquinas de las décadas de los 60 y 70, son mucho más avanzados. De hecho, son un ingrediente esencial en la receta de los reactores experimentales de fusión nuclear que recurren al confinamiento magnético, como los tokamaks o los stellarators.
La función principal de los girotrones es calentar el plasma y transportar la corriente eléctrica a través de este gas a altísima temperatura
Como he mencionado unas líneas más arriba, la función principal de los girotrones en el ámbito de la energía de fusión es calentar el plasma, pero también se responsabilizan de transportar la corriente eléctrica a través de este gas a altísima temperatura. Para llevar a cabo esta doble función generan radiación electromagnética en forma de ondas milimétricas, y lo sorprendente es que los girotrones actuales son capaces de alcanzar niveles de potencia de hasta varios megavatios. De hecho, esta característica es la que les permite calentar el plasma a la temperatura extrema que requieren los reactores experimentales de fusión nuclear.
El propósito de este artículo no es desmenuzar estas complejísimas máquinas, pero sí podemos indagar un poco en ellas para formarnos una idea aproximada acerca de su funcionamiento. A grandes rasgos un girotrón es una especie de cañón diseñado para disparar electrones. Estas partículas tienen carga negativa, por lo que se pueden confinar en el interior de un tubo utilizando un campo magnético muy intenso que, además, las obliga a girar a una velocidad muy alta. Y a medida que los electrones giran atraviesan un compartimento diseñado para transformar su energía en ondas electromagnéticas.
No obstante, este no es el único cometido de este compartimento del girotrón: también se encarga de distribuir los electrones en grupos pequeños conocidos como racimos. Esta distribución es importante porque permite a los electrones liberar su energía de una forma mucho más eficiente. Precisamente es esa energía la que se transforma en microondas de alta potencia. El último paso es el más sencillo: las microondas salen del girotrón y se utilizan para calentar el plasma que contiene los núcleos de deuterio y tritio que van a intervenir en la reacción de fusión nuclear. Por muy avanzado que sea este dispositivo resulta estremecedor que consiga calentar algo a una temperatura superior a los 150 millones de grados Celsius.
Imagen | ITER
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