Un modelo predice escenarios para la generación de energía mediante fusión nuclear

El trabajo de un brasileño ayuda a entender y controlar procesos físicos esenciales para el éxito del ITER, un reactor de fusión que reproduce a pequeña escala el proceso que genera energía en el Sol

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La generación controlada y regular de energía mediante la fusión nuclear para la conversión de hidrógeno en helio, que reproduce en la Tierra –y a pequeña escala– lo que sucede en el Sol y en otras estrellas, es una de las grandes promesas tecnológicas con la mira puesta en las próximas décadas. 

Mucho más allá de los resultados que se han venido obteniendo desde hace tiempo en distintos laboratorios, un prototipo de reactor llamado ITER –ese nombre significa “el camino” en latín–, capaz de generar 500 megavatios de energía, se encuentra en construcción en el sur de Francia y entrará en actividad en 2025. China, la Unión Europea, la India, Japón, Corea del Sur, Rusia y Estados Unidos participan en este megaproyecto, cuyo costo superará los 20 mil millones de euros.

El ITER no suministrará energía destinada a la red eléctrica sino que será el primer aparato de tipo tokamak –un término formado por el acrónimo de la expresión en ruso correspondiente a “cámara toroidal con bobinas magnéticas”– en el cual la energía generada será mayor que la energía necesaria para ponerlo en marcha. De este modo, este aparato permitirá poner a prueba las múltiples complejidades técnicas inherentes al proceso y servirá de modelo para la construcción de máquinas similares.

Sin embargo, para que todo esto salga bien hay una cuestión que resulta crucial: hay que asegurarse de que el proceso de fusión nuclear se vuelva autosostenible, a los efectos de impedir que la pérdida de energía a través de la radiación electromagnética y del escape de partículas alfa –el núcleo atómico del helio, que está conformado por dos protones y dos neutrones– enfríe el reactor. Los resultados experimentales observados en el transcurso de los últimos 20 años han demostrado que la forma en que se eyectan los iones rápidos (entre ellos las partículas alfa) desde el plasma varía mucho entre los distintos tokamaks. Y nadie entendía cuáles eran las condiciones experimentales que determinaban este comportamiento.

Éste es el problema que ahora ha sido dilucidado por Vinícius Njaim Duarte, un joven científico brasileño que se doctoró recientemente con una beca de la FAPESP, sumada a una Beca de Investigación Científica en el Exterior, y que actualmente lleva adelante un trabajo posdoctoral en el Princeton Plasma Physics Laboratory, en Estados Unidos.

Njaim Duarte fue el autor principal del artículo intitulado Theory and observation of the onset of nonlinear structures due to eigenmode destabilization by fast ions in tokamaks, cuya publicación apareció destacada en la revista Physics of Plasmas, perteneciente al American Institute of Physics (AIP). 

La repercusión de su trabajo fue tal que, en el tokamak más grande de Estados Unidos, el DIII-D, desarrollado y operado por General Atomics en San Diego, California, se realizaron experimentos con el objetivo de poner a prueba el modelo que propuso el brasileño. Y los resultados experimentales confirmaron las predicciones de su modelo.

“Las ondas electromagnéticas excitadas por partículas rápidas en los tokamaks pueden experimentar una brusca variación de frecuencia, a la que en inglés se le da el nombre de chirping [gorgeo]. No se entendía por qué en algunas de estas máquinas esto aparecía, en tanto que en otras no. Mediante la aplicación de un modelado numérico bastante complejo y el empleo de datos experimentales, Njaim Duarte demostró que la producción o no del chirping –y por ende, el carácter de la pérdida de partículas y de energía– depende del nivel de turbulencia del plasma existente en el interior del tokamak, dentro del cual se producen las reacciones de fusión nuclear. Si el plasma no es demasiado turbulento, se genera el chirping. Pero en caso de que lo sea, éste no surgirá”, dijo el físico Ricardo Magnus Osório Galvão, actual director del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, por sus siglas en portugués) de Brasil, quien fue el director de la tesis doctoral de Njaim Duarte en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IFUSP).

Para entender este descubrimiento, se hacen necesarias previamente algunas explicaciones.

Primeramente, es preciso tener claro que el proceso en pauta es el de fusión nuclear y no el de la fisión nuclear. En la fisión, que es lo que sucede en las diversas centrales nucleares existentes en el mundo, los núcleos atómicos de elementos pesados (el uranio 235, por ejemplo) se dividen en núcleos de elementos más livianos (kriptón y bario en ese caso) y liberan energía, radiación electromagnética y neutrones (que le dan proseguimiento al proceso).

En la fusión, el fenómeno es otro. En ésta, los núcleos atómicos de elementos más livianos [tales como el deuterio (un protón y un neutrón) y el tritio (un protón y dos neutrones), que son dos isótopos del hidrógeno] se funden, forman núcleos de elementos más pesados (en este caso, helio, con dos protones y dos neutrones) y generan energía.

“Para que la fusión pueda concretarse, es necesario superar la repulsión electrostática entre los iones positivos. Eso sólo es posible si el gas ionizado [el plasma], constituido por los núcleos de los elementos livianos, se calienta a altísimas temperaturas, de entre decenas y centenas de millones de grados Celsius”, explicó Osório Galvão. 

En el ITER, por ejemplo, se calentarán 840 metros cúbicos de plasma a 150 millones de grados Celsius, más de 10 veces la temperatura del núcleo del Sol. “A ese nivel de temperatura, se llega al breakeven, que es cuando la energía que generan las reacciones de fusión logra compensar la energía necesaria para calentar el plasma”, prosiguió el director del Inpe. 

Este proceso tiene lugar en el interior del tokamak, el cual, tal como el propio nombre lo indica, es un dispositivo toroidal. Esta máquina, inventada en la década de 1950 por los físicos soviéticos Ígor Tamm y Andréi Sájarov con base en una idea original de Oleg Lavrentiev, tiene un formato similar al de un neumático, pero con un tamaño mucho mayor. 

El “paso por paso” es el siguiente: se produce vacío en el interior de la cámara, la cual se rellena posteriormente con el gas. Mediante una descarga eléctrica, se ioniza dicho gas y su temperatura se eleva mediante la inyección de campos de radiofrecuencia. 

Un campo eléctrico, inducido en la dirección del toroide, hace pasar una corriente de altísima intensidad (en el DIII-D, la corriente es del orden del millón de amperios) por el gas. Esta corriente calienta el gas por efecto Joule, y se inyecta más energía aún mediante el aporte de ondas electromagnéticas. De este modo se alcanza la temperatura necesaria como para desencadenar el régimen de fusión nuclear. Incluso en un tokamak pequeño como el que existe en la Universidad de São Paulo se llega a temperaturas del orden de los 100 millones de grados.

“A esa temperatura elevadísima, la vibración de los iones hace que se choquen entre sí, venciendo la repulsión electrostática. Un poderoso campo magnético confina el flujo del plasma, impidiendo que el mismo entre en contacto con las paredes del aparato. Las partículas alfa [núcleos de helio] formadas, altamente energizadas, colisionan con otras partículas del plasma y lo mantienen caliente, de manera tal que la reacción de fusión se vuelva autosostenible”, dijo Osório Galvão.

El director de tesis doctoral de Njaim Duarte formula una analogía para ayudar a entender este proceso. Es como una hoguera hecha con leña un tanto húmeda. De entrada, se hace difícil encender el fuego. Pero si se logra llegar a un cierto nivel de temperatura, la propia quema de la leña producirá la energía suficiente como para vencer la humedad y mantener el régimen de combustión estable. En el caso del plasma, se dice que el mismo llega al punto de ignición cuando las partículas alfa pasan a realimentar el proceso en forma consistente.

El control de la turbulencia

Entre las diversas ventajas de la fusión con relación a la fisión, una de ellas consiste en que la fusión está dotada de un mecanismo autoconsistente de control. Una vez que se alcanza el punto de ignición, si ese nivel de temperatura se sobrepasa en demasía, es decir, si el plasma se calienta demasiado, la tasa de reacción decrece automáticamente. De este modo, queda descartada la posibilidad de sobrecalentamiento del reactor, que es una de las más peligrosas consecuencias de los accidentes en las centrales nucleares.

El problema –y así volvemos a la investigación de Njaim Duarte– reside en que la interacción resonante entre las partículas alfa y las ondas presentes en el plasma puede hacer que se exciten oscilaciones electromagnéticas, o incluso que se eyecten partículas alfa. Esto lleva a la pérdida de energía, al enfriamiento del plasma y a la eventual interrupción del régimen de fusión nuclear. La comprensión de los motivos que provocan este desenlace y los motivos que lo impiden resulta fundamental para asegurar la sostenibilidad del proceso y la utilización de la fusión nuclear como una fuente viable para la producción de electricidad.

Njaim Duarte constató que este desenlace ocurre en forma autoorganizada y con producción de chirping cuando el plasma no es demasiado turbulento. No así cuando es muy turbulento”, dijo Osório Galvão [lea más adelante la entrevista que Vinícius Njaim Duarte le concedió a Agência FAPESP].

El quid de la cuestión, tal como lo explicó Osório Galvão, consiste en que en un fluido demasiado turbulento deja de existir una dirección preferencial. Y también con relación a esto, el director del Inpe echó mano de una analogía.

“Cuando calentamos agua paulatinamente, se crea en el recipiente una célula convectiva. El agua caliente sube y el agua fría baja. Esto se mantiene así hasta que el líquido alcance en su totalidad el punto de ebullición. Entonces el medio se vuelve turbulento: la célula convectiva se desintegra y la energía se distribuye indiferenciadamente en todas las direcciones. En el plasma, confinado magnéticamente, también sucede esto. Y el hecho de que así ocurra inviabiliza la existencia de un sistema autoorganizado que permita el sostenimiento de una indeseable onda electromagnética asociada. No existe la coherencia suficiente como para que se generen ondas. Por eso cesa la pérdida de energía que le pondría coto al proceso de fusión”, dijo.

“Njaim Duarte había publicado anteriormente un trabajo sobre este modelo, durante su doctorado. Pero nadie había realizado aún un experimento tendiente a controlar el nivel de turbulencia y verificar si el modelo se aplicaba o no. Ahora, General Atomics realizó dicho experimento en el DIII-D, específicamente con la finalidad de poner a prueba el modelo. Y el resultado lo comprobó”, dijo Osório Galvão. 

Los físicos experimentales sabían inducir empíricamente una mayor o menor turbulencia, pero no sabían que eso tendría efectos sobre la alteración de la naturaleza espectral de las ondas asociadas a estructuras de partículas. El aporte de Njaim Duarte consistió en identificar el mecanismo clave de control y explicar el porqué. En términos de aplicación tecnológica, se trata de establecer un “optimum” de turbulencia: la suficiente como para impedir la pérdida de partículas y energía en forma autoorganizada, pero no tanta como para que pueda generar otros efectos indeseables para el confinamiento del plasma como un todo.

Hasta el momento, los tokamaks han sido utilizados a escala de laboratorio. El ITER será el primer prototipo de una máquina capaz de generar electricidad mediante fusión en forma eficiente. El empleo de la fusión nuclear controlada no está exento de controversias. Pero sus proponentes apuntan hacia la perspectiva de una generación segura y prácticamente ilimitada de energía, sin la contrapartida de la producción de basura radiactiva, tal como sucede en los reactores de fisión.

El artículo intitulado Theory and observation of the onset of nonlinear structures due to eigenmode destabilization by fast ions in tokamaks, de V. N. Duarte, H. L. Berk, N. N. Gorelenkov, W. W. Heidbrink, G. J. Kramer, R. Nazikian, D. C. Pace, M. Podestà y M. A. Van Zeeland (doi: https://doi.org/10.1063/1.5007811), se encuentra publicado en el siguiente enlace: aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5007811.

A continuación, Vinícius Njaim Duarte, el primer autor del artículo, relata los pormenores del estudio. 

Agência FAPESP – ¿Cuáles son las ondas que inducen pérdidas de partículas alfa?
Vinícius Njaim Duarte – Son las llamadas ondas de Alfvén, que son oscilaciones fundamentales en los fluidos cargados que responden a campos magnéticos. Todo plasma embebido en una zona permeada por un campo magnético admite oscilaciones “naturales” en forma de ondas de Alfvén. Éstas se observan en circunstancias bastante variadas, tanto en medios astrofísicos como en experimentos de laboratorio, tal como es el caso de los tokamaks. En un artículo publicado en Nature en 1942, el físico sueco Hannes Alfvén [1908-1995] previó la existencia de estas ondas, lo que le redituó el premio Nobel de Física en 1970.

Agência FAPESP – ¿De qué manera inducen la eyección de partículas alfa del plasma las ondas de Alfvén?
Njaim Duarte – El objetivo final de las investigaciones en plasmas de tokamaks consiste en hacer posible y factible comercialmente la producción de energía limpia y prácticamente inagotable con base en reacciones de fusión termonuclear. Para producir reacciones de fusión se utiliza comúnmente hidrógeno (en la forma de sus isótopos deuterio y tritio). Como productos, se obtienen neutrones y partículas alfa sumamente energéticas. Para sostener un reactor de fusión funcionando en forma continua es necesario que las partículas alfa tengan el tiempo suficiente como para colisionar con los electrones del plasma y transferirles a éstos la mayor parte de su energía. Sucede que las ondas de Alfvén pueden inducir la eyección indeseable de las partículas alfa, como así también de otros iones rápidos del plasma. Cuando esto sucede, la continuidad de las reacciones de fusión se vería seriamente comprometida.

Mediante un mecanismo conocido como amortiguamiento de Landau, las ondas de Alfvén interactúan de manera resonante con iones rápidos presentes en el plasma (con las partículas alfa inclusive). Esta interacción permite intercambios de energía entre las ondas y las partículas resonantes (lo que hace que las partículas alfa pierdan su energía), como así también permite que las ondas de Alfvén controlen la dinámica de esas partículas. Comúnmente, las ondas de Alfvén inducen la eyección de las partículas resonantes de dos modos: de manera difusiva (cuando las ondas tienen una frecuencia constante) o de manera convectiva (cuando las ondas exhiben rápidas variaciones de frecuencia, en un proceso conocido como chirping). En nuestro artículo identificamos el factor clave que controla esta dinámica en los experimentos. Descubrimos cuándo es probable que se produzcan cada uno de ambos escenarios, dadas las condiciones experimentales. La identificación de ese factor clave (la turbulencia sentida por las partículas resonantes) constituía un problema abierto desde hacía varias décadas.

Agência FAPESP – ¿En qué caso se produce la eyección y en qué caso no se produce?
Njaim Duarte – La eyección ocurre cuando –mediante la interacción resonante con los iones rápidos– la amplitud de las ondas de Alfvén crece a punto tal que las mismas empiezan controlar el movimiento de los propios iones rápidos. Cuando esto sucede, estas partículas empiezan a ser expelidas indeseablemente del plasma.

Agência FAPESP – ¿Su modelo podrá contribuir al logro de un mayor control del proceso de fusión, viabilizando así la fusión como un recurso tecnológico para la generación de energía?
Njaim Duarte – La motivación de nuestro trabajo consistió en predecir cómo se comportarán las ondas de Alfvén en los experimentos, para controlar de ese modo la interacción resonante entre esas ondas y las partículas alfa y, por consiguiente, mitigar las pérdidas de las ondas alfa. Se estima que el experimento ITER tolerará a lo sumo alrededor de un 5% de pérdidas de partículas alfa. Por ende, el control de las ondas de Alfvén resulta crucial.

Agência FAPESP – ¿El ITER es el experimento más caro construido hasta ahora en el mundo, no es cierto?
Njaim Duarte – Sí. Su costo actualizado recientemente está estimado en 20 mil millones de euros. Son 35 países que aportan recursos. Tendrá cifras impresionantes, tal como la previsión de que el plasma se calentará a una temperatura situada entre los 150 millones y más de 200 millones de grados Celsius, lo que lo hará unas 10 veces más caliente que el centro del Sol. 

Agência FAPESP – Su artículo fue destacado por el American Institute of Physics. Pocos artículos se hacen acreedores a tal mención.
Njaim Duarte – Creo que un aspecto del trabajo al que se le dio atención fue el hecho de que comprendió teoría, simulaciones numéricas y experimentos. Asimismo, las predicciones del artículo motivaron a los científicos del mayor tokamak de América [el DIII-D, con sede en los laboratorios de General Atomics, en San Diego, California] a proponer experimentos específicos con el objetivo de poner a prueba a fondo nuestras predicciones. Mediante un cambio en la geometría del plasma, indujeron al DIII-D a operar en un régimen de turbulencia mucho menor que el usual. Y observaron que la respuesta de las ondas de Alfvén en forma de chirping fue mucho más prevalente que lo normal, en consonancia con nuestra predicción.

Agência FAPESP – ¿Con qué apoyos contó para desarrollar su estudio?
Njaim Duarte – Fui becario de la FAPESP en todos los niveles de mi carrera: iniciación a la investigación científica, maestría y doctorado. Luego recibí una propuesta del Princeton Plasma Physics Laboratory para seguir adelante con mi investigación allá, en carácter de posdoctorado, con el apoyo del Departamento de Energía de Estados Unidos.