Stellarator, el “generador de estrellas”, avanza en la carrera por la fusión nuclear

Stellarator vs. tokamak. No es el título de una película de ciencia ficción. Es el nombre que reciben los dos tipos de contenedores de estrellas en la Tierra (reactores de fusión) que están en desarrollo. Y Stellarator acaba de ganar posiciones

Carlos Hidalgo Vera, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)

Su nombre hace referencia a las estrellas (“stella”) y al uso del mismo principio físico que las sustenta para generar energía (“generator”).

Contener una estrella en un tanque el tiempo suficiente para aprovechar el estallido de energía que genera y gastando menos de lo empleado en que se produzca es, en esencia, la meta y el objetivo de institutos de investigación del más alto nivel en el mundo.

Los científicos y científicas, esa comunidad comprometida en lograr avances que eventualmente ni ellos mismos verán hechos realidad, están convencidos de que un día la fusión nuclear será el maná energético, abundante y sostenible que dará sosiego a una humanidad estresada en sus límites. Tokamak formalmente es un dónut, stellarator parece una cinta de Moebius.

Sin que se trate de un duelo, ni de una competición, el dónut (tokamak) y la cinta (stellarator) son dos caballos distintos en la apuesta por lograr contener la fusión nuclear de un modo eficiente. Tokamak parece ir a la cabeza, pero stellarator acaba de ganar posiciones, aupada por una reciente propuesta desarrollada desde España, en el Laboratorio Nacional de Fusión, perteneciente al Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

Qué significa contener una estrella

En un reactor de fusión, un gas de núcleos atómicos ligeros y electrones denominado plasma se confina en condiciones extremas de presión y temperatura. De tal manera que los núcleos ligeros, que constituyen el combustible del reactor, se fusionan formando otros núcleos más pesados y liberando una gigantesca cantidad de energía en el proceso.

Las estrellas, incluyendo el Sol, son reactores de fusión que confinan el combustible gracias a la atracción gravitatoria producida por su enorme masa. Lógicamente, el confinamiento gravitatorio no es una opción para un reactor en la Tierra, así que es necesario seguir otras vías. La más prometedora consiste en confinar el combustible mediante intensos campos magnéticos a temperaturas del orden de diez veces la del centro del Sol, a 150 millones de grados centígrados.

En estos momentos, el programa internacional de fusión está entrando en una nueva y emocionante fase.

Los récords batidos

En 2022 se batieron dos récords que ocuparon los grandes titulares de la prensa internacional: el conseguido en la instalación europea Joint European Torus (basado en confinamiento magnético) y el de la National Ignition Facility estadounidense, (basado en el confinamiento inercial).

Son resultados que muestran que la fusión controlada en la Tierra es ya un sueño hecho realidad. Pero aún no hemos alcanzado la meta. El siguiente reto es disponer de dispositivos que produzcan más energía que la invertida en su funcionamiento.

ITER, un hito para la humanidad

El primer experimento con este objetivo explícito está ya en construcción en el sur de Francia gracias a una colaboración que involucra a 35 países, entre los que se incluyen los 27 de la UE. El éxito de ITER (este es el nombre del experimento) será un hito en el desarrollo científico y tecnológico de la humanidad.

ITER es un tokamak, el concepto de confinamiento magnético más desarrollado a lo largo de las últimas décadas.

El tokamak confina muy bien el plasma y su diseño es relativamente sencillo (podemos imaginar el campo magnético del tokamak como un dónut). Aunque será la base de los primeros prototipos de reactor, stellarator representa una opción más robusta para los reactores de fusión comerciales.

El stellarator, gracias a una estructura de campo magnético mucho más compleja y sofisticada, permite la operación en modo continuo y libre de algunas inestabilidades que afectan a los tokamaks.

Ilustración de un campo magnético de tipo tokamak. El color rojo indica mayor intensidad del campo magnético y el azul, menor intensidad. (CIEMAT), CC BY

La idea del stellarator fue introducida por Lyman Spitzer en 1951, pero solo a finales del siglo pasado comenzaron a diseñarse stellarators con una calidad de confinamiento que tuviese posibilidades de competir con la del tokamak.

El momento dulce de los stellarators

Se puede hablar del presente como un momento dulce para los stellarators. Por un lado, el dispositivo Wendelstein 7-X, en funcionamiento desde 2015 en Alemania, ha supuesto un salto cualitativo en esta línea de investigación y ha establecido este concepto como un serio candidato para ser la base de un reactor de fusión comercial.

Por otro lado, los avances teóricos de los últimos años, acompañados por el extraordinario desarrollo de los superordenadores y la potencia de cálculo que ofrecen, nos permiten abordar el diseño computacional de stellarators con una calidad de confinamiento no solo comparable a la del tokamak sino suficiente para un reactor.

Hasta la fecha no se ha construido ningún stellarator cuyo campo magnético sea capaz de confinar simultáneamente el combustible y los iones altamente energéticos generados en la reacciones de fusión (esenciales para calentar el combustible y conseguir que la reacción se mantenga). Pero esto puede estar más cerca de cambiar gracias a los resultados publicados en la revista Nuclear Fusion por científicos del Laboratorio Nacional de Fusión, perteneciente al Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

La cinta de Moebius

En el artículo, los autores utilizan una estrategia conocida como “optimización de stellarators”, consistente en la exploración inteligente y la evaluación de un número elevadísimo de configuraciones magnéticas mediante superordenadores. De este modo han obtenido una configuración en la que todos los elementos que intervienen en las reacciones de fusión están confinados al nivel de calidad exigido por un reactor.

Campo magnético de tipo stellarator obtenido por el Laboratorio Nacional de Fusión. El color rojo indica mayor intensidad del campo magnético y el azul, menor intensidad. (CIEMAT), CC BY

En este descubrimiento han sido clave las lecciones aprendidas y la experiencia adquirida a lo largo de los años tanto en Wendelstein 7-X como en TJ-II, el stellarator que lleva en operación en el Laboratorio Nacional de Fusión, en Madrid, desde 1997.

En estos dos experimentos se lleva a cabo, entre otras muchas cosas, la comprobación experimental de las teorías empleadas en el diseño de nuevas configuraciones.

Necesitamos materiales que aún no existen

La nueva configuración magnética obtenida en el Laboratorio Nacional de Fusión es el primer paso hacia el diseño y construcción de la próxima generación de stellarators y de un reactor basado en este concepto. Esta construcción implicará retos ya no solo para los físicos, sino también tecnológicos y de ingeniería, cuya resolución es fundamental para completar la ruta hacia el reactor comercial de fusión.

Por ejemplo, desde el punto de vista tecnológico, el desarrollo de reactores precisa encontrar materiales que sean resistentes a grandes flujos de neutrones muy energéticos. Este es uno de los objetivos del proyecto IFMIF-DONES, una iniciativa del Laboratorio Nacional de Fusión – CIEMAT que actualmente desarrolla el Consorcio IFMIF-DONES España en Granada.

Algo sustancial está cambiando. El camino hacia el reactor de fusión, aunque lleno de desafíos, cada vez es más nítido.

Carlos Hidalgo Vera, Director Laboratorio Nacional de Fusión – CIEMAT, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.