Reacciones de fusión en las estrellas

Confinamiento magnético

En el confinamiento magnético las partículas y la energía de un plasma caliente se mantienen en su lugar utilizando campos magnéticos. Una partícula cargada en un campo magnético experimenta una fuerza de Lorentz que es proporcional al producto de la velocidad de la partícula por el campo magnético. Esta fuerza hace que los electrones y los iones giren en torno a la dirección de la línea de fuerza magnética, confinando así las partículas. Cuando la topología del campo magnético produce un pozo magnético efectivo y el equilibrio de presión entre el plasma y el campo es estable, el plasma puede ser confinado lejos de los límites del material. El calor y las partículas se transportan tanto a lo largo como a lo ancho del campo, pero las pérdidas de energía pueden evitarse de dos maneras. La primera es aumentar la intensidad del campo magnético en dos puntos a lo largo de la línea de campo. Se puede hacer que las partículas cargadas que se encuentran entre estos puntos se reflejen de un lado a otro, un efecto llamado espejo magnético. En un sistema básicamente recto con una región de campo magnético intensificado en cada extremo, las partículas pueden seguir escapando por los extremos debido a la dispersión entre las partículas cuando se acercan a los puntos de reflejo. Estas pérdidas en los extremos pueden evitarse por completo creando un campo magnético con la topología de un toroide (es decir, la configuración de un donut o tubo interior).

Los imanes externos pueden disponerse para crear una topología de campo magnético para el confinamiento estable del plasma, o pueden utilizarse junto con campos magnéticos generados por corrientes inducidas a fluir en el propio plasma. A finales de la década de 1960, la Unión Soviética realizó un gran avance en el aprovechamiento de las reacciones de fusión para la producción práctica de energía. Los científicos soviéticos consiguieron una alta temperatura del plasma (unos 3.000.000 K), junto con otros parámetros físicos, en una máquina denominada tokamak (ver figura). Un tokamak es un sistema de confinamiento magnético toroidal en el que el plasma se mantiene estable tanto por un campo magnético generado externamente, con forma de rosquilla, como por las corrientes eléctricas que fluyen dentro del plasma. Desde finales de la década de 1960, el tokamak ha sido el principal foco de investigación de la fusión magnética en todo el mundo, aunque también se han aplicado otros enfoques como el stellarator, el toro compacto y el pellizco de campo invertido (RFP). En estos enfoques, las líneas de campo magnético siguen una trayectoria helicoidal, o en forma de tornillo, a medida que las líneas de fuerza magnética avanzan alrededor del toro. En el tokamak, el paso de la hélice es débil, por lo que las líneas de campo se enrollan libremente alrededor de la dirección poloidal (a través del agujero central) del toro. En cambio, las líneas de campo de la RFP se enrollan mucho más apretadas, envolviendo muchas veces la dirección poloidal antes de completar un bucle en la dirección toroidal (alrededor del agujero central).

El plasma confinado magnéticamente debe calentarse a temperaturas en las que la fusión nuclear sea vigorosa, normalmente superiores a 75.000.000 K (equivalente a una energía de 4.400 eV). Esto puede lograrse acoplando ondas de radiofrecuencia o microondas a las partículas del plasma, inyectando haces energéticos de átomos neutros que se ionizan y calientan el plasma, comprimiendo magnéticamente el plasma o mediante el calentamiento óhmico (también conocido como calentamiento Joule) que se produce cuando una corriente eléctrica atraviesa el plasma.

Empleando el concepto de tokamak, los científicos e ingenieros de Estados Unidos, Europa y Japón comenzaron a mediados de la década de 1980 a utilizar grandes dispositivos experimentales de tokamak para alcanzar condiciones de temperatura, densidad y confinamiento de energía que ahora coinciden con las necesarias para la generación práctica de energía de fusión. Las máquinas empleadas para lograr estos resultados incluyen el Joint European Torus (JET) de la Unión Europea, el Tokamak-60 japonés (JT-60) y, hasta 1997, el Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) de Estados Unidos. En efecto, tanto en el TFTR como en el JET, los experimentos con deuterio y tritio produjeron más de 10 megavatios de potencia de fusión y esencialmente condiciones de equilibrio energético en el propio plasma. Las condiciones del plasma que se aproximan a las logradas en los tokamaks también se alcanzaron en grandes máquinas estelares en Alemania y Japón durante la década de 1990.