La fusión termonuclear es un proceso en el que los núcleos de átomos ligeros se fusionan para formar otros más pesados. Esta reacción atómica provocará eventualmente la liberación de una gran cantidad de energía, creando una fuente energética ilimitada, limpia y segura.
El Sol es el mejor ejemplo conocido del funcionamiento de la fusión termonuclear, ya que las enormes presiones y temperaturas que se producen en su núcleo permiten que los átomos de hidrógeno se fusionen y se conviertan en helio, originando una poderosa energía. El astrofísico británico Arthur Eddington fue el primero en proponer en 1920 que la fuente de energía inagotable que alimenta a nuestra estrella se debe a la transformación del hidrógeno a helio.
Dos años más tarde, el científico soviético Vladímir Vernadski escribió un texto profético como parte del prefacio de su libro 'Ensayos y discursos', en el que manifestaba que "el hombre obtendrá la energía atómica, una fuente de poder que le dará la oportunidad de construir su vida a su antojo". Sin embargo, expresó sus preocupaciones sobre si esta energía sería dirigida "hacia el bien y no hacia la autodestrucción".
De la destrucción a la fusión
A mediados del siglo XX, EE.UU., el Reino Unido y la Unión Soviética competían por dominar la fusión termonuclear. La prueba de la bomba de hidrógeno por parte de los soviéticos en 1953 no solo reveló su enorme capacidad destructiva, sino que ofreció una compresión más clara de esta reacción.
En palabras de algunos científicos soviéticos de la época, si se lograba replicar la fusión termonuclear en condiciones controladas y se aprendía a estabilizar la energía resultante para su uso industrial, no solo se estaría creando un Sol artificial en la Tierra, sino que también se estaría dando un paso decisivo hacia la victoria del comunismo.
En términos generales, se comprendió que era posible reproducir procesos similares combinando deuterio y tritio y elevando su temperatura a más de 100 millones de grados centígrados. A estas condiciones extremas, la mezcla gaseosa se transforma en un plasma ionizado, un estado de la materia compuesto por núcleos cargados positivamente y electrones libres.
Durante la reacción, los núcleos de deuterio y tritio logran superar la repulsión electrostática descrita por la ley de Coulomb y se fusionan, expulsando energía de manera infinita. No obstante, el verdadero obstáculo no radicaba tanto en alcanzar la temperatura necesaria, comparable a la que existe en el núcleo solar (cerca de 150 millones de grados centígrados), sino en confinar el plasma caliente el tiempo suficiente para que la reacción se mantuviera.
Gracias a la idea de un soldado
A principios de la década de 1950, los científicos soviéticos Andréi Sájarov e Ígor Tamm se destacaron como los pioneros en la búsqueda de una solución viable al problema del mantenimiento del proceso de fusión termonuclear.
La inspiración de Sájarov de seguir investigando para resolver este asunto surgió a partir de haber leído un informe sobre física nuclear redactado en 1948 por Oleg Lavrentiev mientras servía como recluta en una unidad militar desplegada en la isla de Sajalín tras su liberación de la ocupación japonesa por parte del Ejército soviético.
En este documento, Lavrentiev propuso un método para obtener energía eléctrica a partir de una reacción termonuclear controlada mediante una bomba de hidrógeno basada en deuterio de litio. Según su idea, se crearían las condiciones para obtener reacciones termonucleares similares a las del Sol, reemplazando las fuerzas gravitacionales, que evitan la fragmentación de la materia solar, por fuerzas eléctricas.
Los primeros pasos hacia la energía infinita
La propuesta de Lavrentiev sentaría las bases para crear el primer dispositivo para producir la fusión termonuclear controlada, conocido como tokamak. No obstante, Sájarov comprendió que esta idea solo sería factible si dicha reacción fuera autosostenible, por lo que era necesario aislar térmicamente el plasma caliente de las paredes del reactor donde se confinaría.
Sájarov comenzó a trabajar sobre el aislamiento del plasma a través de campos magnéticos independientes. De acuerdo con Lavrentiev, esto difería de su concepto de separar el plasma por campos electroestáticos.
En 1946, los físicos británicos George Paget Thomson y Moses Blackman presentaron una solicitud de patente para un dispositivo toroidal destinado a inducir una reacción termonuclear en un gas, utilizando la presión de la radiación electromagnética como mecanismo de confinamiento. Asimismo, el físico estadounidense Lyman Spitzer desarrolló en 1950 un prototipo para confinar plasma caliente mediante campos magnéticos, denominado estelarador.
En Occidente estaban convencidos de que la URSS les llevaba la delantera. A esto se le sumaban las dificultades que británicos y estadounidenses enfrentaban para implementar sus reactores termonucleares.
Manos a la obra
Sájarov y Tamm propusieron el tokamak, una cámara con forma de rosca con bobinas enrolladas a su alrededor para crear un campo magnético para retener la energía producida por la fusión termonuclear que se genera en su interior.
En esencia, este dispositivo fue diseñado para funcionar como un reactor de fusión de deuterio y tritio. Aunque en teoría el proyecto ya estaba técnicamente resuelto, aún era necesario persuadir a las autoridades soviéticas de que su implementación era crucial para el desarrollo tecnológico del país.
El impulso para comenzar a probar este artefacto llegó en abril de 1951, cuando circuló la noticia de que Ronald Ritcher, un científico austriaco nacionalizado argentino, había logrado iniciar una reacción termonuclear en una descarga de gas.
Esto no podía permitirse, por lo que el físico Ígor Kurchátov, considerado el padre de la bomba atómica soviética, acudió a Lavrenti Beria, presidente del comité especial sobre armas atómicas y de hidrógeno de la URSS, para explicarle la situación. El 5 de mayo de 1951 se publicó el primer decreto sobre el programa termonuclear soviético, que fue firmado por Iósif Stalin.
En junio de 1954 se construyó el primer dispositivo tokamak del mundo, el T1, en las instalaciones del Laboratorio de Instrumentos de Medición de la Academia de Ciencias de la URSS, que posteriormente se convertiría en el Instituto Kurchátov.
El informe sobre este logro científico, que fue presentado por Kurchátov en abril de 1956 en el centro atómico Harwell (Reino Unido), contribuyó a que se revelaran los trabajos en el campo de la fusión termonuclear controlada por parte de los estadounidenses y británicos.
El T1, que entró completamente en funcionamiento en 1958, allanó el camino para el desarrollo de dispositivos tokamak más avanzados y para comprender la física del plasma y la fusión termonuclear.
Cosechando éxitos
En 1968, la URSS logró un avance decisivo, ya que sus científicos alcanzaron niveles inéditos de temperatura y tiempo de confinamiento del plasma, dos parámetros esenciales para la viabilidad de la fusión nuclear. La máquina que lo hizo posible era el T3. Miles de investigadores de todo el mundo viajaron a la Unión Soviética para medir la temperatura del plasma confinado por este tokamak.
Desde entonces, el diseño tokamak soviético se consolidó como el enfoque predominante en la investigación de fusión, y su adopción se extendió rápidamente a laboratorios de todo el mundo. Existen tokamaks en Kazajistán, China, Japón, EE.UU., Francia y la República Checa. Uno de los tokamaks más grandes en la actualidad es el ITER en Francia, cuya construcción comenzó a mediados de la década de 1980 y está prevista que finalice en 2035.
Rusia también está realizando esfuerzos en este campo, ya que está diseñando un dispositivo de confinamiento magnético de plasma conocido como 'tokamak con tecnología de reactor' (TRT). A pesar de que ha habido intentos por mantener por más tiempo las reacciones termonucleares, es bueno recordar que la URSS fue la pionera en tratar de obtener una fuente de energía ilimitada.
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