Nuevo y revolucionario papel de las microondas en reactores de fusión nuclear

La fusión nuclear se presenta como la alternativa nuclear energética a la fisión. Esta, que es la empleada hoy en día por todas las centrales nucleares en servicio, genera energía fragmentando ciertos núcleos atómicos pesados. En cambio, la fusión es el proceso mediante el cual el Sol y las estrellas producen luz y calor. Con este proceso, la energía se genera fusionando entre sí núcleos de átomos, lo que forma un núcleo atómico de un elemento químico más pesado.

Una de las principales ventajas de la fusión nuclear artificial es que no genera residuos peligrosos como sí lo hace la fisión. Además, el combustible nuclear para la fusión puede ser simplemente hidrógeno, sin la radiactividad que poseen el uranio, el plutonio y otros elementos utilizados como combustible para la fisión y que no resultan fáciles de obtener.

Por desgracia, el desarrollo de un reactor nuclear de fusión nuclear es un reto tecnológicamente mucho más difícil de lo que lo fue el de los reactores de fisión nuclear. La fusión solo puede darse a temperaturas y presiones sumamente altas.

Además, no basta con conseguir que funcione sino que la central de fusión nuclear que se construya debe suministrar electricidad a un precio lo bastante barato como para resultar competitiva.

Una vía para lograr esto último es optimizar el diseño de los reactores, para conseguir que sean más pequeños y que funcionen de una manera menos aparatosa.

Los reactores de fusión nuclear sobre los que más se trabaja son los de la clase tokamak. El término tokamak proviene del nombre ruso del primer reactor de esta clase, desarrollado en Rusia en la década de 1960.

Algunos de los expertos en fusión nuclear que trabajan en el diseño de tokamaks están convencidos de que la optimización necesaria para lograr que estos reactores resulten rentables en el suministro de electricidad pasa por crear cámaras de fusión esféricas más pequeñas. Sin embargo, para lograrlo se necesita ahorrar espacio, disminuyendo el tamaño de muchos componentes o adoptando soluciones incluso más radicales. Un caso de este último tipo es el presentado ahora por un equipo internacional, encabezado por Masayuki Ono, del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL), dependiente del Departamento de Energía de Estados Unidos.

El equipo de investigación y desarrollo, en el que también participan especialistas de la empresa Tokamak Energy y de la Universidad de Kyushu en Japón, ha propuesto el diseño de una planta piloto esférica y compacta de fusión nuclear que calienta el plasma utilizando tan solo microondas. Normalmente, los tokamaks esféricos también utilizan una enorme bobina de cable de cobre (un solenoide), situada cerca del centro de la cámara de fusión, para calentar el plasma. Y a menudo emplean otros sistemas aparatosos de calentamiento. Pero al igual que una cocina pequeña es más fácil de diseñar si tiene menos electrodomésticos, sería más sencillo y económico fabricar un tokamak compacto si tuviera menos sistemas de calentamiento.

El nuevo enfoque de diseño elimina el calentamiento óhmico, que es el mismo que se produce en una tostadora y es habitual en los tokamaks.

“Si no tenemos que incluir una bobina de calentamiento óhmico, probablemente podamos diseñar una máquina más fácil y barata de construir”, subraya Ono.

Las microondas son una forma de radiación electromagnética que puede generarse utilizando un dispositivo conocido como girotrón. Los girotrones se situarían en el borde exterior del tokamak, orientados hacia el núcleo. Mediante la emisión de ondas potentes en el plasma, los giroscopios generarían una corriente al mover partículas cargadas negativamente (electrones). Este proceso genera corriente y calienta el plasma. Sin embargo, el proceso de calentamiento no es tan sencillo como encender unos giroscopios. Hay que analizar distintos escenarios y averiguar numerosos detalles, como por ejemplo cuál es el mejor ángulo para orientar los giroscopios de modo que las microondas penetren adecuadamente en el plasma.

Los autores del nuevo estudio se ocuparon de atar estos y otros cabos sueltos y ahora su diseño está lo bastante maduro como para comenzar a preparar una serie de experimentos para poner a prueba el diseño y que se llevarán a cabo a finales de 2025.

Ono y sus colegas exponen los detalles técnicos de sus innovaciones de diseño en la revista académica Nuclear Fusion, bajo el título “Efficient ECCD non-inductive plasma current start-up, ramp-up, and sustainment for an ST fusion reactor”.

NCYT