En el camino hacia la fusión nuclear mediante confinamiento magnético hay vida más allá de los reactores de tipo tokamak. ITER es uno de ellos, de ahí que sean el centro de atención desde hace muchos años, pero no son en absoluto la única opción en la que trabajan los investigadores para continuar desarrollando esta tecnología.
Los reactores de tipo stellarator representan una alternativa muy sólida a los tokamak. 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 el laboratorio de física del plasma de la Universidad de Princeton.
El diseño tokamak, sin embargo, fue ideado por los físicos soviéticos Ígor Yevguénievich Tamm y Andréi Dmítrievich Sájarov a partir de las ideas propuestas pocos años antes por su colega Oleg Lavrentiev. Ambos reactores fueron concebidos con el propósito de confinar en su interior plasma a altísima temperatura, y, curiosamente, durante los años 50 y 60 el diseño stellarator recibió un gran respaldo por parte de la comunidad científica en Occidente debido a su enorme potencial.
Sin embargo, cuando los científicos soviéticos y estadounidenses publicaron sus resultados y los compararon se dieron cuenta de que el rendimiento del diseño tokamak era uno o dos órdenes de magnitud mejor que el del stellarator. A partir de ese momento este último diseño quedó en gran medida marginado. La diferencia más evidente entre uno y otro reside en su geometría, pero basta indagar un poco en ambos para darse cuenta de que los reactores stellarator aún tienen mucho que decir.
El futuro de la fusión magnética a largo plazo pasará por el 'stellarator'
No lo decimos nosotros. Lo cree firmemente Carlos Alejaldre, una autoridad en fusión nuclear muy respetada internacionalmente. A mediados del pasado mes de abril tuve la oportunidad de hablar largo y tendido con este físico español en su despacho del CIEMAT (en aquel momento ejercía como director general de esta institución), y, precisamente, uno de los temas que abordamos tuvo como protagonistas a los reactores de tipo stellarator.
Carlos Alejaldre los conoce muy bien. De hecho, durante la elaboración de su tesis doctoral en Estados Unidos indagó en el confinamiento inercial y amplió sus conocimientos acerca del diseño stellarator. Llegó a conocer este tipo de reactores tan bien que cuando regresó a España lideró el grupo de trabajo del CIEMAT responsable del diseño y la construcción del reactor de fusión nuclear de tipo stellarator TJ-II.
Esta máquina llevó a cabo las primeras pruebas con plasma en 1997, y aún hoy sigue en funcionamiento en las instalaciones del Laboratorio Nacional de Fusión, en Madrid. Y se mantiene en plena forma. He tenido la oportunidad de ver en acción este reactor experimental, y es una experiencia que cualquier persona interesada en esta disciplina científica no olvida fácilmente. Podemos verlo, precisamente, en la imagen de portada de este artículo.
Como he mencionado unas líneas más arriba, Carlos Alejaldre es un experto en la geometría stellarator, por lo que merece la pena que recuperemos algunas de las ideas que compartió conmigo durante nuestra conversación para entender un poco mejor qué aporta este diseño frente al más popular tokamak. Para ir abriendo boca y darnos un poco de contexto Carlos nos explica en qué circunstancias nacieron los diseños tokamak y stellarator, y en qué posición se encuentra este último actualmente:
Estas dos concepciones surgieron prácticamente al mismo tiempo (el tokamak en la Unión Soviética y el stellarator en Estados Unidos), y cuando se probó que la fusión nuclear por confinamiento magnético no tiene ninguna relación con las aplicaciones militares de la energía nuclear todo el mundo publicó sus resultados.
En ese momento se comprobó que los resultados del tokamak del Instituto Kurchátov eran uno o dos órdenes de magnitud mejores que los del stellarator de la Universidad de Princeton. A partir de ese momento todo el mundo se volcó en los reactores tokamak, y el stellarator quedó un poco marginado. Solamente hay un esfuerzo residual en Estados Unidos, Alemania sigue trabajando en él, Japón lo mantiene y Rusia hasta cierto punto también trabaja un poco en él.
La geometría de un reactor 'tokamak' es esencialmente idéntica a la de un dónut. Este es el interior del reactor experimental DIII-D administrado por General Atomics en San Diego (Estados Unidos).
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. No obstante, esta no es en absoluto la única diferencia relevante entre ambos reactores. Carlos pone el foco en lo realmente importante:
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’.
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 construyes mal, tu plasma no se confina.
En esta recreación de la geometría del reactor alemán de tipo 'stellarator' Wendelstein 7-X podemos ver la forma que tienen las bobinas (en color azul) que se responsabilizan del confinamiento del plasma (en color amarillo).
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. Esta es la razón por la que durante las últimas décadas, como nos ha explicado Carlos, los stellarator han quedado marginados. Sin embargo, este diseño continúa siendo extraordinariamente prometedor:
Sinceramente, yo creo que el futuro de la fusión magnética a largo plazo pasará por el stellarator, y no por el tokamak, porque resuelve con eficacia la disrupción que se produce cuando se desequilibran los campos magnéticos en este último.
Imágenes: CIEMAT | Rswilcox | Instituto Max Planck
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