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Física

La energía de las estrellas

Brasileños y europeos intentan controlar la fusión nuclear

efda/jet Con forma de anillo: la cámara de plasma del JET, el mayor tokamak en actividadefda/jet

Hace cinco décadas, las revistas científicas populares de Estados Unidos se ufanaban de que, en menos de 50 años, la fuente de la electricidad en el mundo sería la energía limpia y prácticamente inagotable que hace que brillen las estrellas: la fusión nuclear. El tiempo transcurrió y hoy en día existen únicamente las centrales de fisión nuclear, que producen energía a partir de la ruptura de núcleos atómicos pesados. Una central de fusión, en cambio, funcionaría extrayendo energía de la unión de dos núcleos de hidrógeno, el elemento químico más abundante del Universo. En colaboración con grupos europeos, científicos brasileños trabajan con el objetivo de convertir la fusión nuclear en realidad.

La fusión ocurre en las estrellas cuando los núcleos de hidrógeno, en estado gaseoso, se comprimen debido a la gravedad y alcanzan temperaturas de millones de grados. Sin embargo, para realizar lo mismo en la Tierra, se necesita aislar ese gas cargado eléctricamente (plasma) mediante el empleo de campos magnéticos generados por máquinas denominadas tokamaks y calentarlo. En este caso, el combustible de los reactores serían dos variantes del hidrógeno: el deuterio, que puede extraerse del agua de mar; y el tritio, producido a partir de núcleos de litio, cuyas reservas planetarias garantizarían el funcionamiento de las usinas atómicas durante millones de años (vea la infografía).

Esto suena tan parecido a ciencia ficción que no sin cierta sospecha se escucha a los investigadores realizar la misma afirmación del pasado, al respecto de que la primera central de fusión funcionará dentro de 50 años. Empero, en esta oportunidad, la posibilidad de que la idea se concrete es mayor. Desde la invención del tokamak por parte de los soviéticos durante los años 1960, el desempeño de estas máquinas ha mejorado 10 mil veces. En 1991, el mayor tokamak en actividad hasta ahora -el Toro Europeo Conjunto (JET), instalado en Culham, en el Reino Unido- logró la primera reacción de fusión nuclear controlada de la historia. El problema fue que el experimento consumió más energía de la que generó.

Los físicos consideran actualmente que es necesario perfeccionar 10 veces más la eficiencia de los tokamaks -existen otros tipos de equipos para aprisionar plasma, pero ninguno tan eficaz- para alcanzar el punto en el que la cantidad de energía liberada en las reacciones de fusión sea mayor que la consumida. Éste constituye el objetivo del Reactor Termonuclear Experimental Internacional (Iter), en construcción desde 2007 en Cadarache, Francia. El consorcio responsable del proyecto, conformado por la Unión Europea, China, Corea del Sur, Estados Unidos, la India y Japón, calcula invertir en el montaje de este tokamak 13 mil millones de dólares, un monto mayor al destinado a la construcción del LHC, el mayor acelerador de partículas del mundo.

El Iter tendrá 61 metros de altura y un peso similar al de tres torres Eiffel. Admitirá un volumen de plasma ocho veces mayor que el del JET y, cuando se encuentre disponible, en 2019, generará 500 megavatios de potencia, consumiendo solamente 50 megavatios. Si todo sale bien con el Iter, los optimistas estiman que para 2040 se inaugurará la primera central experimental de fusión, bautizada Demo (de demostración). “Ésa es la perspectiva de los optimistas; para los pesimistas, la producción de energía por fusión nuclear es inalcanzable”, dice el físico Ricardo Viana, de la Universidad Federal de Paraná, reconociendo que no será fácil lograr ese incremento final en el desempeño de los tokamak.

060-063_FusaoNuclear_186En enero de este año, cinco colegas y él sumaron un pequeño aporte a este reto. Publicaron en la revista Philosofical Transactions of The Royal Society A, un estudio en el cual calcularon cómo se comportan las partículas del plasma que se encuentran cerca de la pared de la cámara de un tokamak y escapan a la trampa magnética que las aprisiona, llegando a algunos sectores de la pared con mayor frecuencia que otros. El impacto de las partículas cargadas eléctricamente acelera el desgaste de la pared y va en detrimento el funcionamiento de la máquina.

El trabajo de Viana y sus colaboradores fue uno de los que esclareció el fenómeno, descubierto hace cinco años en tokamaks de Europa y Estados Unidos, y permitió proponer una solución para ese problema. Utilizando el tokamak de la Universidad de São Paulo (USP), el físico Ivan Nascimento y sus colegas demostraron que resulta factible atenuar esa pérdida mediante la ayuda de campos eléctricos.

El aumento del control sobre el plasma constituye el principal reto en los tokamaks. Lejos de fluir suavemente a medida que da vueltas dentro de esas máquinas, el plasma se comporta como el mar revuelto por una tormenta. Su movimiento es turbulento, en especial en los extremos de la región de almacenamiento, donde la densidad, la temperatura y los campos electromagnéticos que lo mantienen prisionero fluctúan abundantemente. La turbulencia es tal que siempre se descubren formas mediante las cuales el plasma puede escaparse y enfriarse. Hasta ahora, el tiempo máximo que puede mantenerse el plasma sin perder energía no supera las fracciones de segundos.

Iberê Caldas, físico de la USP y coautor del artículo firmado por Viana, brinda un ejemplo de solución reciente para el escape de plasma. Mientras desarrollaban el Iter, investigadores estadounidenses descubrieron la manera de controlar un fenómeno que es capaz de provocar violentas explosiones de plasma, similares a las erupciones en la superficie del sol, y que podrían dañar al reactor.

La solución consistió en modificar el diseño del Iter e incluir generadores de campos magnéticos caóticos que, según los cálculos de los físicos, impedirían la aparición de esas erupciones. “Esta alteración costará más de 100 millones de euros y provocó la postergación del proyecto en algo más de un año”, dice Caldas. Él, Nascimento, Viana y más de 130 investigadores de 15 instituciones brasileñas participan actualmente en la Red Nacional de Fusión (RNF), una organización creada en el año 2006 por el físico Sérgio Rezende, quien entonces se desempeñaba como ministro de Ciencia y Tecnología, y que ahora comienza a madurar. Otro físico, Ricardo Galvão, coordinador técnico científico de la RNF y director del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), en Río de Janeiro, comenta que la idea de crear la red surgió luego de que una comisión de investigadores europeos visitó Brasil y evaluó el potencial del país para contribuir con el Iter.

La comisión identificó que, aunque en el país existía una producción científica relevante en cuanto a la física de plasma, hacía falta que se coordinaran esfuerzos. Cada grupo de investigación realizaba su trabajo de manera independiente de los otros, en forma de proyectos de corta duración. “Para trabajar en un proyecto internacional de ese fuste es necesario comprometerse durante cinco a diez años, y contar con la capacidad para construir equipamientos acá (en Brasil) para trasladarlos allá (al Iter)”, dice Galvão, quien integra el equipo del Laboratorio de Física del Plasma de la USP.

Plasma: iones atrapados por campos magnéticos

efda/jetPlasma: iones atrapados por campos magnéticosefda/jet

La red funciona con fondos asignados por la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep), que aprobó en 2010 el giro de algo más de un millón de reales para sus proyectos de investigación. Algunos de esos estudios incluyen cooperaciones con laboratorios europeos, establecidas mediante un convenio suscrito en 2009 entre Brasil y la Comunidad Europea de la Energía Atómica. Aunque ya se encuentra en vigor, dicho acuerdo aguarda su ratificación en el Congreso Nacional.

En colaboración con investigadores alemanes, ingenieros brasileños -entre ellos Hugo Sandim, de la Escuela de Ingeniería de Lorena, y Angelo Padilha, de la Escuela Politécnica, ambas pertenecientes a la USP- trabajan en la caracterización de los materiales que se utilizarán en las paredes de la cámara de plasma del Demo, el reactor de la generación posterior al Iter. Construido con un tipo de aceros denominados Eurofer, el material necesita soportar la proximidad de un plasma que se encuentra a temperaturas de 150 millones grados (10 veces la del interior del Sol), además del bombardeo con neutrones altamente energéticos, así como las eventuales descargas de plasma.

Los investigadores ya saben, sin embargo, que el acero no puede tomar contacto con el plasma. Existe el riesgo de que los núcleos pesados del metal acaben en su interior, lo cual podría desestabilizar los campos magnéticos de tokamak y destruir el encierro de manera que toda la corriente eléctrica del plasma -100 veces mayor que la de un rayo en una tempestad- afecte en un instante un punto preciso de la pared. Para evitar el desastre, los expertos desarrollaron un revestimiento de cerámicos de berilio, un átomo lo suficientemente liviano como para no interferir en el plasma y al mismo tiempo bastante resistente como para soportar el bombardeo de neutrones y las altas temperaturas.

El revestimiento comenzará a ser probado en el JET a partir de septiembre y contará con aportes brasileños. En los ensayos, una cámara infrarroja ultrarrápida verificará el desgaste de los cerámicos. Pero la radiación infrarroja en las cercanías de la pared es tal que Galvão compara la tarea con la observación de un objeto diminuto pasando frente al Sol. Para el análisis de las imágenes en tiempo real, los investigadores del JET utilizarán un software desarrollado por los hermanos Marcelo y Márcio Albuquerque, del CBPF.

Ondas de Alfvén
Otro proyecto brasileño en el JET pretende estudiar mejor un fenómeno capaz de frustrar los planes del Iter. Los físicos esperan que los núcleos de helio formados durante la fusión permanezcan en el plasma, chocándose con electrones y otros núcleos. De esta manera ayudarían a calentar el plasma y sostener las condiciones necesarias para otras reacciones de fusión. El helio, no obstante, provoca ondas electromagnéticas en el plasma -las denominadas ondas Alfvén- que, dependiendo de su duración, pueden expeler el helio e interrumpir la fusión.

Investigadores de la USP y colegas del Instituto de Tecnología de Massachusetts, en Estados Unidos, y de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, en Suiza, planifican montar en diciembre, en el JET, un sistema de excitación y detección de ondas Alfvén, para medir la rapidez con la que las mismas desaparecen. “Han logrado un enorme progreso”, comenta Patrick Blanchard, coordinador científico del JET, al respecto del perfeccionamiento que realizan los ingenieros de la USP en las antenas que generan ondas Alfvén. “Habría resultado difícil sin ellos”.

Este convenio internacional también permitió que los europeos vengan a Brasil. Aunque las máquinas menores que el JET o el Iter no logren las condiciones necesarias para la fusión, los tres tokamaks brasileños -uno instalado en la USP, otro en la Universidad Estadual de Campinas y un tercero en el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe)- hacen su aporte con los estudios de turbulencia en el plasma. Investigadores de la USP y del Instituto Técnico Superior de Lisboa, por ejemplo, crearon sistemas destinados medir la turbulencia en el tokamak de la USP.

Una red nacional
Además de la oficialización del convenio con los europeos, los miembros de la RNF aguardan la creación de un nuevo centro de investigaciones: el Laboratorio Nacional de Fusión (LNF), dependiente de la Comisión Nacional de Energía Nuclear (Cnen), que se erigirá en la localidad de Cachoeira Paulista, en el interior de São Paulo.

No obstante, existe un escollo burocrático para la creación del laboratorio. Las asesorías jurídicas de las instituciones involucradas todavía no se han puesto de acuerdo en cuanto a la necesidad de someter al debate en el Congreso Nacional la decisión de crear el LNF. Edson Del Bosco, físico del Laboratorio Asociado de Plasma del Inpe, aguarda con ansiedad el inicio de las obras, todavía sin fecha. Espera que el LNF funcione como catalizador de recursos y de personal, otorgando un nuevo aliento para los pequeños grupos de investigación tales como el suyo y otros que se asociarían al laboratorio. “De no crearse el LNF, no podremos cómo progresar”, menciona.

Del Bosco y Galvão esperan que la dificultad se resuelva con el inicio del mandato del nuevo presidente de la Cnen, el ingeniero Angelo Padilha, quien es miembro de la RNF y fue nombrado el pasado 7 de julio. Padilha afirma que una de sus prioridades en la Cnen es la creación del LNF. Según Galvão, la idea es iniciar las actividades realizando mejoras en el tokamak del Inpe. Algunos miembros de la RNF piensan luego comprar o construir un tokamak mayor, mientras que otros, Galvao entre ellos, consideran que eso no tiene sentido, debido a su alto costo. “Si se interactúa bien con los europeos y es posible el acceso a sus máquinas, será mejor poseer un tokamak pequeño para capacitar al personal y utilizar el laboratorio para construir equipamientos que instalaríamos en los laboratorios de ellos”, dice.

Pero en un punto los miembros de la RNF coinciden: la fusión es una inversión a largo plazo a la cual Brasil no puede renunciar. Al fin de cuentas, no se sabe cuál será la demanda energética del país en el año 2100. “Necesitamos dominar la tecnología y el conocimiento científico para no tener que comprar un reactor en el futuro”, dice Galvão. “Si la fusión nuclear funciona, el consorcio del Iter será el dueño de la energía del mundo”.

El proyecto
Calentamiento Afvén y regímenes mejorados de acumulación y estabilidad en el tokamak TCABR (nº 2002/03632-3); Modalidad Proyecto Temático; Coordinador Ricardo Osório Galvão – IF/USP; Inversión R$ 1.004.053,90 (FAPESP)

Artículo científico
VIANA, R.L. et al. Fractal structures in nonlinear plasma physics. Philosophical Transactions of the Royal Society A. v. 369, p. 371-95. 2011.

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