Cómo funcionan los reactores de fusión Tokamak y cuán cerca estamos

La máquina que embotella una estrella

Durante más de siete décadas, los científicos han perseguido una idea engañosamente simple: replicar el proceso que alimenta el sol y cosechar energía limpia y virtualmente ilimitada. El dispositivo líder en esta búsqueda es el tokamak: una máquina con forma de donut que utiliza campos magnéticos para confinar plasma calentado a cientos de millones de grados. Con varios tokamaks importantes ahora en construcción o cerca de obtener el primer plasma, la largamente prometida era de la energía de fusión está más cerca que nunca.

¿Qué es un Tokamak?

El nombre proviene de un acrónimo ruso: toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami, que significa "cámara toroidal con bobinas magnéticas". Concebido en la década de 1950 por los físicos soviéticos Andrei Sakharov e Igor Tamm, el tokamak demostró rápidamente ser la forma más eficaz de contener el plasma de fusión y sigue siendo el diseño dominante en todo el mundo.

En su núcleo, un tokamak es un recipiente de vacío hueco con forma de anillo rodeado de imanes superconductores. Estos imanes generan campos superpuestos: toroidal (que recorre el anillo a lo largo) y poloidal (que recorre el anillo a lo ancho), que se entrelazan en una jaula helicoidal, manteniendo el plasma sobrecalentado suspendido lejos de las paredes del recipiente.

Cómo funciona, paso a paso

Primero, se bombea aire e impurezas fuera de la cámara de vacío. Se inyecta como gas una pequeña cantidad de combustible de hidrógeno, normalmente deuterio y tritio, dos isótopos pesados del hidrógeno. Una potente corriente eléctrica ioniza el gas, separando los electrones de los núcleos y creando plasma.

Los sistemas de calentamiento auxiliares luego elevan el plasma a temperaturas de fusión: entre 150 y 300 millones de °C, aproximadamente diez veces más caliente que el núcleo del sol. Los métodos incluyen la inyección de haz neutro, que dispara partículas de alta energía al plasma, y el calentamiento por radiofrecuencia, que bombea energía similar a la de las microondas.

A estas temperaturas extremas, los núcleos de deuterio y tritio superan su repulsión eléctrica natural y se fusionan, produciendo un núcleo de helio, un neutrón de alta energía y una ráfaga de energía. Los neutrones escapan de la jaula magnética, golpean una manta circundante y convierten su energía cinética en calor, que luego puede impulsar una turbina de vapor convencional para generar electricidad.

Por qué los imanes son la clave

El plasma a temperaturas de fusión vaporizaría cualquier material que tocara. La solución del tokamak es utilizar el magnetismo en lugar de las paredes. Cuanto más fuerte sea el campo magnético, más estrecho será el confinamiento del plasma y más pequeña podrá ser la máquina sin dejar de alcanzar las condiciones de fusión. Esta idea ha impulsado una revolución en los imanes superconductores de alta temperatura (HTS), que generan campos mucho más fuertes que los antiguos imanes de cobre o los superconductores de baja temperatura.

Commonwealth Fusion Systems, una empresa derivada del MIT, construyó el imán de fusión HTS más potente del mundo en 2021, produciendo un campo de 20 teslas. Ese avance permitió el diseño de SPARC, un tokamak compacto que pretende producir 140 MW de energía de fusión a pesar de ser una fracción del tamaño de los diseños anteriores.

Dónde estamos

Dos proyectos emblemáticos anclan el panorama actual de la fusión. ITER, el megaproyecto internacional en el sur de Francia respaldado por 35 naciones, ha completado todos sus imanes superconductores, incluido un solenoide central lo suficientemente potente como para levantar un portaaviones, y tiene como objetivo obtener el primer plasma alrededor de 2033–2034. Cuando esté operativo, el volumen de plasma de ITER será seis veces mayor que el de cualquier tokamak existente.

En el lado privado, CFS está ensamblando SPARC en Devens, Massachusetts, con el primer plasma previsto para 2026–2027 y el objetivo de demostrar la ganancia neta de energía poco después. La compañía ha recaudado casi 3.000 millones de dólares, con el respaldo de Google y Nvidia, y planea construir ARC, su primera planta de energía comercial, a principios de la década de 2030.

No están solos. Alrededor de 50 empresas privadas están ahora persiguiendo la fusión comercial, y varias, incluyendo TAE Technologies y General Fusion, están debutando con nuevas máquinas de demostración. La mayoría de los expertos sitúan los plazos realistas en 2030–2035 para las primeras plantas comerciales que suministren energía a las redes.

Los desafíos restantes

Los obstáculos de ingeniería siguen siendo importantes. Los componentes que dan al plasma deben resistir el bombardeo extremo de neutrones durante años sin degradarse. El tritio, uno de los dos combustibles, es radiactivo y escaso: los futuros reactores deberán generarlo a partir de mantas de litio que rodean el plasma. Y ningún tokamak ha mantenido todavía un plasma en combustión el tiempo suficiente para generar electricidad continua.

Aun así, el ritmo de progreso se ha acelerado drásticamente. La fusión está pasando de ser un experimento de física a un desafío de ingeniería, y las máquinas que compiten para resolverlo ya están tomando forma.