El tokamak de fusión nuclear de la Universidad de Sevilla consigue generar plasma a millones de grados durante un tiempo récord

El sueño de abastecer de energía a una familia durante casi un siglo con la cantidad de combustible que cabría en un vaso de agua y hacerlo de forma eficaz, limpia, segura y de fuentes prácticamente inagotables está cada vez más cerca. El prototipo de reactor de fusión nuclear Smart (Small Aspect Ratio Tokamak), liderado por la Universidad de Sevilla (US) y en el que participa un consorcio internacional, ha conseguido arrancar el dispositivo, generar plasma (el combustible del reactor), elevar su temperatura a unos 10 millones de grados y mantenerlo durante el doble de tiempo del previsto. El avance adelanta en dos años las previsiones de desarrollo de una de las tecnologías más prometedoras.

La fusión nuclear es la gran esperanza energética. El principio físico es la liberación de energía mediante la unión de dos núcleos de átomos ligeros para formar otro. En estos momentos, los elementos más utilizados son el deuterio y tritio, de los que, con solo 2,5 gramos, el equivalente a la cantidad que cabe en una cucharilla, se puede generar una energía equivalente a la que produciría la combustión de un estadio lleno de carbón. Cada gramo tiene 10⁷ más capacidad que un combustible fósil.

Pero para llegar a esa capacidad mediante un proceso que imita al Sol queda aún recorrido, una senda que la Universidad de Sevilla ha acortado con un avance inédito: generar plasma, elevar su temperatura a millones de grados sin comprometer el tokamak y mantenerlo durante un segundo, un tiempo que puede parecer corto, pero que es el doble del previsto en este primer arranque del dispositivo.

El profesor de Física Atómica, Molecular y Nuclear Manuel García Muñoz, investigador principal del tokamak Smart, considera que el paso abre la “fase operativa”, que la teoría se pone en práctica: “Básicamente, hemos encendido el tokamak y ha funcionado. Y lo ha hecho mejor de lo que esperábamos. Hemos metido el combustible y conseguido encender el plasma y llegar a varios millones de grados. Hemos demostrado que el reactor compacto que hemos diseñado y construido íntegramente en el Laboratorio de Ciencia del Plasma y Tecnología de Fusión de la Universidad de Sevilla, en colaboración con muchísimas entidades internacionales, funciona”.

El avance no solo se produce dos años antes de lo planeado, sino que el resultado de este estreno es mejor del previsto. “La longitud del pulso [la duración de un incremento significativo en la potencia del reactor] se ha prolongado dos veces más de lo que esperábamos”. Se preveía medio segundo (habrían sido suficientes milisegundos para dar por superada la prueba), pero alcanzó el doble de ese tiempo y, según explica García Muñoz, es importante porque se han mantenido los campos magnéticos que confinan el plasma en el tokamak y el dispositivo ha soportado el estrés térmico sin afectación significativa.

El experimento se ha recogido en un vídeo donde se pueden observar los aros que forman los iones y electrones alrededor de la columna central del tokamak, siguiendo las líneas del campo magnético, y el resplandor del plasma de fusión al llegar a millones grados.

La siguiente fase es escalar la prueba para alcanzar progresivamente entre 100 y 200 millones de grados, que es la temperatura necesaria para la fusión efectiva. De ahí, para generar energía, habría que aumentar mucho más el tamaño del reactor y una inversión muy superior a la actual. Pero la prueba ha demostrado que el diseño esférico compacto, en forma de manzana, es efectivo frente a los modelos actuales, con la apariencia de una rosquilla.

Otra de las innovaciones del proyecto liderado por la US es la forma del plasma confinado, denominado de Triangularidad Negativa y que supone que el combustible del reactor adquiere en el interior la forma de la letra D, pero invertida. Esa configuración permite alcanzar millones de grados en el centro del plasma y que la pared del tokamak no supere los 100 grados. No solo facilita la estabilidad del elemento principal de la fusión sino también la integridad del dispositivo, que puede ser más pequeño.

El equipo del laboratorio ha abierto ya la siguiente fase, que consiste en sustituir el sistema actual de generación de la “jaula” magnética, donde se confina el plasma, por superconductores de alta temperatura. “Estos permiten reactores de fusión más compactos, eficientes y accesibles, según explicó Eleonora Viezzer, profesora de la US y coinvestigadora principal del proyecto SMART. En ellos trabaja el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y la empresa Commonwealth Fusion Systems a través del proyecto SPARC.

La gran ventaja de los superconductores frente a las bobinas de cobre que se utilizan ahora para generar el campo magnético es que, según explica García Muñoz, “no consumen apenas energía”. Este aspecto es fundamental para alcanzar la ganancia neta (arrojar más energía que la que se utiliza para generarla) y, al mismo tiempo, para abaratar los costes y hacer más accesible la tecnología.

El desarrollo de este prototipo, equivalente a lo que sería un portátil en el ámbito de los ordenadores, permitiría que un solo reactor pudiese abastecer una ciudad como Sevilla, con unos 700.000 habitantes. “El objetivo es acelerar el desarrollo de la fusión con reactores compactos, pequeños, que puedan llegar a todos sitios, que no haga falta un consorcio internacional o inversiones enormes, sino democratizar esa tecnología”, concluye García Muñoz.

El récord del dispositivo sevillano es simultáneo al registrado por el Tokamak Superconductor Avanzado Experimental (EAST, por sus siglas en inglés), conocido como el “sol artificial” de China. Este equipo ha logrado mantener el plasma de alto confinamiento en estado estacionario durante 1.066 segundos.

“Un dispositivo de fusión debe lograr un funcionamiento estable con alta eficiencia durante miles de segundos para permitir la circulación autosostenida de plasma, que es esencial para la generación continua de energía de las futuras plantas de fusión”, explica Song Yuntao, director del Instituto de Física de Plasma asiático.

Otro avance, esta vez por simulación, lo han desarrollado científicos del Departamento de Energía de Estados Unidos y del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) donde han presentado una técnica que aumenta el calor en el plasma y mejora las reacciones de fusión.

“Los resultados podrían conducir a un calentamiento de plasma más eficiente y posiblemente a un camino más fácil hacia la energía de fusión”, asegura el físico Eun-Hwa Kim, autor principal de la investigación publicada en Physics of Plasmas.