Creación de "Soles artificiales"

Con el aumento de la demanda de energía en el mundo, en parte debido al crecimiento de la población y del nivel de desarrollo, se empezó la búsqueda de nuevas fuentes de energía que puedan cubrir la creciente demanda de energía en el planeta, hasta ahora a las fuentes actuales de energía se les considera no solo limitadas sino que también problemáticas, en especial las fuentes de energía de origen fósil (como el carbón, petroleo y gas). ya que son las que probablemente estén dañando mas el clima, otra de las energías con las que se batalla actualmente son las de fisión nuclear no solo por el grave riesgo contaminante (a largo plazo) sino por lo letales que pueden ser, dejando al ultimo la energía eólica y solar las cuales tienen una disponibilidad bastante reducida y no suelen cubrir la creciente demanda.

Ante este escenario la mirada se empezaba a voltear ante la más grande fuente de energía ilimitada que realmente conoce el ser humano, el sol. Pero debido a que no se cuenta con la tecnología lo suficientemente avanzada para ir y extraer la energía demandada y después traerla a la tierra o capturarla de manera eficaz estando aquí surgió la pregunta ¿Sino podemos traerla, porque no la hacemos aquí? 

Y es aquí donde entra la exploración por la energía de fusión, a diferencia de la energía de fisión con la que ya se ha trabajado durante décadas y que en varias ocasiones ha traído eventos bastante desastrosos (como los acontecidos en Chernobyl y Fukushima) esta energía no solo promete no se peligrosa o al menos un riesgo potencial, latente y que pueda crear un desastre en cualquier momento sino que no producirá desechos contaminantes trabajando en condiciones completamente normales, ya que a diferencia de la fisión este proceso no separa o rompe núcleos pesados tales como el Uranio sino que por el contrario la fusión une ligeros núcleos tales como el Hidrógeno, Deuterio y tritio.

Todo esto reduce y simplifica el problema de los desechos nucleares de una forma significativa (sino es que total) además de que esta reacción no es una reacción en cadena por lo cual no no hay peligro a la hora de producirla y es más fácil de controlar. El combustible es completamente abundante, ya que se obtiene del agua o de cualquier forma destilada del agua y eso garantiza energía para la humanidad durante millones de años (por eso se dice que es virtualmente ilimitada).

En el laboratorio, se puede obtener la reacción de fusión de varias maneras. Las dos principales rutas hacia un reactor de fusión que se están explorando actualmente son la fusión inercial, donde se calienta y comprime una pastilla de combustible mediante láseres, y la fusión por confinamiento magnético, donde el combustible se comprime mediante campos magnéticos mientras se calienta. Los dispositivos de confinamiento magnetico se clasifican en varios tipos: tokamaks tales como el proyecto ITER y stellarators tales como TJ-II.

Producción de energía en el Sol: dos núcleos de hidrógeno se fusionan para formar un núcleo de deuterio y un neutrino. El positrón encuentra rápidamente un electrón, se aniquilan entre sí, y solamente queda energía. El núcleo de deuterio pasa a fusionarse con otro núcleo de hidrógeno para formar helio-3. En la última fase, dos núcleos de helio-3 se fusionan para formar helio-4 y dos núcleos de hidrógeno.

El sol artificial, TOKAMAK.

Como se sabe la energía de fusión se crea a partir de las colisiones entre núcleos de hidrógeno, no obstante, sólo son de interés práctico las que se verifican entre núcleos ligeros, puesto que, siendo menor la repulsión electrostática, la facilidad con que se produce la reacción es mayor. La producción de una serie continua de reacciones de fusión es análoga al proceso de combustión. En la combustión ordinaria se producen reacciones químicas, por ejemplo, hidrógeno y oxígeno dan agua y desprenden energía. Para que se produzca la reacción, las moléculas deben chocar violentamente, es decir, el material debe ser calentado.

Y es aquí donde entra el TOKAMAK, el TOKAMAK es el tipo de experimento que más se ha investigado, y por lo mismo, el que se encuentra más desarrollado. El concepto fue propuesto y realizado en la entonces Unión Soviética y fue posteriormente adoptado en otros países donde se llevaban a cabo investigaciones sobre la fusión termonuclear, debido a que los primeros experimentos mostraron resultados superiores a los obtenidos en ese tiempo en otras configuraciones estudiadas.El problema estaba en confinar un plasma, a temperatura tan elevada, durante un tiempo suficiente para que se produzca un número apreciable de reacciones de fusión. El tiempo de confinamiento requerido es tanto menor cuanto más denso sea el plasma, pero la energía va siendo desprendida a un ritmo que aumenta en violencia según como se vaya aumentando la densidad del plasma.

Surge, por tanto, la cuestión de cómo confinar el plasma en un espacio limitado. Un recipiente material de cualquier tipo no sirve, puesto que el contacto con las paredes enfriaría inmediatamente el plasma por debajo de su punto de ignición. La solución a este problema está en formar una botella magnética. En este dispositivo, el plasma se encuentra dentro de una cámara, donde se ha hecho el vacío, pero no cualquier vacío, este tiene que estar lo más milimétricamente cercano al que hay en el espacio exterior.

Después se aplica un fuerte campo magnético, que lo confina y lo mantiene alejado de las paredes de la cámara. El campo magnético actúa mediante las fuerzas que ejerce sobre los iones y electrones del plasma. Se puede establecer un equilibrio en el cual la presión que ejercen las partículas que tratan de escapar sea contrarrestada exactamente por las fuerzas magnéticas usadas. Permitiendo que el plasma generado en la cámara toroidal logre alcanzar no solo un excelente equilibrio sino que además este mismo logre alcanzar temperaturas cercanas al sol, en otras palabras, toda esta botella de confinamiento magnético es a lo que se le conoce como TOKAMAK.   

Gracias a las condiciones necesarias del vacío cercano al espacio exterior a las que es sometida la cámara toroidal sumado a las temperaturas alcanzadas por el plasma, muy similares a las del sol, es que se le conoce como "sol artificial", ya que para producirlo se tiene que emular las mismas condiciones a las que esta sometido el sol. 

Reactor de fusión termonuclear por confinamiento magnético, de la clase Tokamak.

Retos actuales

El reactor de fusión TOKAMAK EAST, apodado el 'sol artificial chino', ha logrado una temperatura de electrones de más de 150 millones de grados en su plasma central.

Este hito hacia la producción de energía de fusión, conseguido durante un experimento de cuatro meses del año pasado (2020), es aproximadamente siete veces mayor que el interior del sol, que es de unos 15 millones de grados centígrados.

El nuevo reactor se encendió desde las primeras semanas de diciembre, y dada la estabilidad del mismo, los creadores del dispositivo buscarán la colaboración con el equipo de expertos que hoy trabajan en el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), otro proyecto de investigación de fusión nuclear en Francia, el más grande del mundo y el cual se prevé que culmine en 2025.

Recordando que en 2018, el EAST fue noticia cuando el reactor de fusión alcanzó los 180 millones de grados. En 2019, EAST fue un paso más allá y anunció planes para duplicar esa temperatura en 2020, alcanzando la temperatura operativa principal del TOKAMAK de 360 millones de grados. Esto no ha ocurrido todavía, pero todavía hay tiempo para conseguirlo en 2021.

Por otra parte la Investigación Avanzada Tokamak Superconductora de Corea (KSTAR), un dispositivo de fusión superconductor también conocido como el sol artificial coreano, estableció el nuevo récord al mantener el plasma de alta temperatura durante 20 segundos con una temperatura de iones de más de 100 millones de grados ya que hasta ahora, ha habido otros dispositivos de fusión que han manejado brevemente el plasma a temperaturas de 100 millones de grados o más pero ninguno rompió la barrera de mantener la operación durante 10 segundos o más. Es el límite operativo del dispositivo de conducción normal y fue difícil mantener un estado de plasma estable en el dispositivo de fusión a temperaturas tan altas durante mucho tiempo.

El sol artificial coreano bate récord de operación de plasma. La Investigación Avanzada Tokamak Superconductora de Corea (KSTAR)  estableció el nuevo récord mundial al mantener el plasma de alta temperatura durante 20 segundos con una temperatura de iones de más de 100 millones de grados.