ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) es uno de los proyectos más ambiciosos y complejos a los que se está enfrentando la humanidad. Su propósito es imitar los procesos que permiten obtener energía a las estrellas mediante la fusión de los núcleos de su combustible, que está constituido aproximadamente por un 70% de protio, que es el isótopo del hidrógeno que carece de neutrones, y que, por tanto, tiene solo un protón y un electrón; entre un 24 y un 26% de helio, y entre un 4 y un 6% de elementos químicos más pesados que el helio.
El problema es que imitar los procesos de fusión nuclear que tienen lugar de forma natural en el núcleo de las estrellas no es nada fácil. Y no lo es, entre muchas otras razones, porque no contamos con un aliado muy valioso que se lo pone mucho más fácil a las estrellas: el confinamiento gravitatorio. Y es que su masa es tan enorme que la gravedad consigue comprimir los gases del núcleo estelar lo necesario para recrear de forma natural las condiciones en las que los núcleos de hidrógeno comienzan a fusionarse espontáneamente. Así obtienen su energía las estrellas.
Un reto como este requiere un buen plan, y lo tenemos
En la Tierra no podemos recrear esas mismas condiciones porque no disponemos del conocimiento y la tecnología necesarios para manipular campos gravitatorios. Nada parece indicar que algo así vaya a ser posible en el futuro, y mucho menos que consigamos generar un campo gravitatorio mínimamente cercano al de una estrella.
Por esta razón, para desencadenar la fusión nuclear no nos queda más remedio que calentar el combustible de nuestros reactores hasta que alcance una temperatura de entre 150 y 300 millones de grados centígrados, que, curiosamente, es diez veces superior a la del núcleo del Sol. Solo así los núcleos de deuterio y tritio, que son los isótopos del hidrógeno que utilizamos como combustible, consiguen adquirir la energía cinética necesaria para vencer su repulsión natural y fusionarse.
Este es el objetivo de ITER: producir 500 megavatios durante no menos de 500 s utilizando solo 1 g de tritio como parte del combustible y después de invertir unos 50 megavatios de energía en la ignición del reactor
El reactor de fusión nuclear ITER ha sido diseñado para demostrar que la fusión nuclear a la escala que el hombre puede manejar funciona. Y también que es rentable desde un punto de vista energético debido a que genera más energía de la que es necesario invertir para iniciar el proceso.
Su objetivo es producir alrededor de 500 megavatios de potencia durante no menos de 500 segundos utilizando solo 1 gramo de tritio como parte del combustible y después de invertir unos 50 megavatios de energía en la ignición del reactor de fusión.
Este es el interior del reactor DIII-D, un Tokamak de fusión nuclear experimental administrado por General Atomics en San Diego (Estados Unidos).
La máquina que un consorcio internacional está poniendo a punto en la localidad francesa de Cadarache es extraordinariamente compleja. De hecho, probablemente solo los detectores de partículas del CERN rivalizan por la complejidad de su ingeniería con el reactor de fusión nuclear ITER.
Un proyecto de esta envergadura solo es posible reuniendo los recursos de las principales potencias del planeta, lo que ha llevada a China, Japón, Rusia, la Unión Europea, Estados Unidos, India y Corea del Sur a unirse para llevar a buen puerto la asombrosa máquina en la que estamos a punto de sumergirnos.
El reactor Tokamak, en detalle
El corazón de ITER es su reactor de tipo Tokamak. Este diseño fue ideado en los años 50 por los físicos soviéticos Ígor Yevguénievich Tamm y Andréi Sájarov, lo que nos recuerda que llevamos trabajando en la fusión nuclear, al menos desde un punto de vista teórico, durante casi siete décadas. Lo característica que define a los reactores Tokamak y que permite a cualquier persona identificar uno de un simple vistazo es su forma de dónut.
La elección de esta geometría, como podemos intuir, no es casual; responde a la necesidad de confinar en su interior el combustible extremadamente caliente (en estado de plasma) para recrear las condiciones necesarias para que las reacciones de fusión controladas tengan lugar.
Todo en ITER es colosal. No solo su complejidad; también sus cifras. Pesará 23.000 toneladas, y la cámara en la que está confinado el plasma tendrá un radio de 6,2 metros y un volumen de 840 metros cúbicos
Todo en ITER es colosal. No solo su complejidad; también sus cifras. Y es que cuando esté terminado pesará nada menos que 23.000 toneladas. Más datos impactantes: el radio de la sección del «dónut» en la que queda confinado el plasma mide 6,2 metros, y el volumen de la cámara de vacío que contiene el combustible a la monstruosa temperatura que he mencionado en los primeros párrafos del artículo es 840 m3.
Este es el reactor Tokamak más grande que la humanidad ha construido hasta ahora, y posiblemente solo será superado por DEMO, cuya construcción según el itinerario establecido por EUROfusion debería concluir a finales de la próxima década.
El criostato
Este componente es una descomunal cámara de acero inoxidable de 29 x 29 metros que tiene un peso de 3.850 toneladas y un volumen de 16.000 m3. Tiene la responsabilidad de proporcionar el alto vacío necesario para que se den en el interior de la cámara las condiciones requeridas para que se produzca la fusión de los núcleos de deuterio y tritio que conforman el plasma a alta temperatura.
El criostato también se encarga de preservar el entorno ultrafrío necesario para que los imanes superconductores de los que hablaremos más adelante lleven a cabo su labor. Unos pocos de los más de doscientos orificios que podemos ver en su superficie cilíndrica se utilizan para llevar a cabo tareas de mantenimiento, pero la mayor parte de ellos se emplea para acceder al sistema de refrigeración, al equipo de diagnóstico o al manto (blanket) que recubre el interior del reactor, entre otras aplicaciones.
La cámara de vacío
Al igual que el criostato, esta cámara de 8.000 toneladas está fabricada en acero inoxidable, aunque en su composición también hay una pequeña cantidad de boro (alrededor de un 2%). En su interior tiene lugar la fusión de los núcleos de deuterio y tritio, por lo que una de sus funciones más importantes es actuar como primera barrera de contención de la radiación residual que podría no ser retenida por el manto (blanket), un componente crucial en el que indagaremos un poco más adelante.
La cámara de vacío está herméticamente sellada, y su interior preserva el alto vacío necesario para que se produzca la fusión de los núcleos del plasma. Su forma toroidal contribuye a la estabilización del gas, de manera que los núcleos giran a mucha velocidad alrededor del hueco central de la cámara, pero sin tocar en ningún momento las paredes del toro.
La temperatura a la que está sometida esta cámara es muy alta, por lo que es necesario introducir agua en circulación en un compartimento alojado entre sus paredes interna y externa para refrigerarla y evitar que alcance su umbral máximo de temperatura.
Los imanes
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 para evitar que llegue a tocar las paredes del contenedor. Estos imanes 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.
La estructura que podéis ver encima de este párrafo es el corazón del complejo motor magnético de ITER. Su forma cilíndrica permite colocar este solenoide superconductor en el interior del orificio central de la cámara de vacío, induciendo de esta forma 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 por encima de los 150 millones de grados centígrados necesarios para que tenga lugar la reacción de fusión nuclear. Tiene una altura de 18 metros, un diámetro de 4 metros y pesa 1.000 toneladas.
El divertor
El enorme componente que podemos ver en esta fotografía es solo una de las 54 piezas idénticas que dan forma a la base de la cámara de vacío del reactor. Está fabricada en acero inoxidable, aunque incorpora unos escudos de tungsteno que se responsabilizan de soportar el bombardeo de los neutrones de alta energía del plasma, transformando su energía cinética en calor.
De liberar esta energía térmica y refrigerar el divertor se encarga el agua que circula por su interior. Se ha elegido el tungsteno para poner a punto los escudos expuestos al plasma porque este es el metal que tiene el punto de fusión más alto: nada menos que 3.422 °C. Además, el divertor se encarga de purificar el plasma, permitiendo la extracción de las cenizas y las impurezas resultantes de la reacción de fusión nuclear y la interacción del plasma con la capa más expuesta del manto.
El manto ('blanket')
La estructura que podemos ver en esta imagen es el manto que recubre el interior de la cámara de vacío del reactor. Es un componente crítico que se encuentra en la primera línea de batalla debido a que está expuesto al impacto directo de los neutrones de alta energía resultantes de la fusión de los núcleos de deuterio y tritio.
Además, se va a emplear para regenerar el tritio que es necesario utilizar como combustible. Para lograrlo es necesario recubrir la capa interna del manto de litio, un elemento químico que nos permite obtener núcleos de tritio cuando los de litio reciben el impacto de los neutrones de alta energía.
El manto también tiene la responsabilidad de proteger la estructura de acero inoxidable de la cámara de vacío, el criostato y los imanes del calor y el impacto directo de los neutrones de alta energía, que conseguirían degradarlos en poco tiempo.
La energía cinética de los neutrones se transforma en energía térmica al chocar con el manto, y, de nuevo, el agua del sistema de refrigeración se encarga de evacuar ese calor, que será el utilizado por las centrales eléctricas para producir electricidad mediante un mecanismo muy similar al empleado por las centrales nucleares de fisión actuales.
Un último apunte interesante para concluir el artículo: el elemento químico que constituirá la capa más superficial del manto es el berilio debido a que sus propiedades fisicoquímicas le permiten soportar el estrés impuesto por el impacto de los neutrones mejor que otros metales.
Las capas más profundas del manto son de cobre y acero inoxidable, aunque cabe la posibilidad de que los elementos utilizados para fabricar tanto el manto como el divertor del futuro reactor DEMO cambien si los técnicos involucrados en el proyecto IFMIF-DONES encuentran materiales capaces de soportar mejor la exposición directa al plasma a la que están sometidos estos componentes.
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