Un poquito de física para que no se diga (III)

La última vez lo dejamos hablando de una cosa llamada plasma, que no es ni más ni menos que el estado en el que se encuentra el combustible nuclear en los procesos de fusión. ¿Pero qué es exactamente este plasma? El entenderlo bien, como dije, es crucial para el desarrollo de la fusión, así pues voy a tratar de explicarlo lo mejor que pueda para que os hagáis una idea. Como ya dije el plasma es el llamado cuarto estado de la materia, que surge al calentar un gas, pero no es un gas, es otra cosa totalmente distinta. Para ver lo que le diferencia tenemos que volver a los dichosos atomitos. En un breve repaso al bachillerato elemental recordaremos que los átomos en realidad están compuestos de electrones, protones y neutrones. Estos dos último están apelotonados formando el núcleo  y los primeros están orbitando a su alrededor. De estos tres tipos de partículas subatómicas (por aquello de que son más pequeñas que el átomo) sabemos que dos de ellas tienen una propiedad de la materia llamada carga eléctrica, eso que hace que los polos iguales se repelan y los opuestos se atraigan. Pues bien dentro del átomo las particulas cargadas son polos opuestos: los protones son positivos y los electrones son negativos, y resulta que hay el mismo número de unos que de otros. En definitiva, que el átomo tiene la misma carga positiva que negativa con lo que el efecto neto es que unas se anulan a otras, es decir, el átomo en conjunto es neutro. Se podría uno imaginar que los electrones forman una corteza que hace de apantallamiento de la carga positiva del núcleo, de tal manera que desde fuera, si se quiere, uno puede imaginarse al átomo como una bola que no tiene carga.

Muy bien ahora ya sabemos que los átomos son neutros. Pero analicemos que pasa si a un átomo de alguna manera le arrancamos un electrón  de su “pantalla protectora”. Si hacemos esto ahora hay una carga negativa de menos, es decir, ahora hay más protones que electrones y por tanto el efecto neto es que ahora el átomo tiene carga (en este caso la carga de un protón). En esta situación ya no se habla de átomos sino de iones, y al proceso de arrancar un electrón se le llama ionización del átomo.Generalizando, ionización es cualquier proceso que haga que un átomo (o incluso una  molécula de un compuesto químico) deje de ser neutro y pase a tener carga.

Ahora ya sabemos lo que es un ión.  Alguno se estará preguntando adónde nos lleva esto y qué tiene que ver con el plasma. Tranquilidad que una vez sabemos lo que es un ión, es más facil tener una idea de lo que es un plasma. Sobretodo si decimos que la forma de ionizar un átomo es… atención, que esta os la sabéis… dándole energía, o sea, calentándolo. ¿Veis adónde quiero llegar?. Bueno, si no lo veis yo os lo digo. En un gas uno tiene átomos, si lo calienta lo suficiente esos átomos pasarán a ser iones y ¡voila! tenemos un plasma. Así pues, en conclusión, y a un nivel muy básico podemos decir que un plasma no es otra cosa que un gas ionizado. ¿Y por qué eso lo hace tan diferente? Bueno, porque donde antes teníamos un montón de átomos neutros ahora tenemos un montón de partículas con carga eléctrica. Es decir, aparecen campos electromagnéticos en el meollo y las interacciones se vuelven tremendamente más complejas.

A alguno esto del plasma le sonará a una cosa rarísma, o incluso puede que quien más o quien menos  esté pensando que esto es lo mismo que el plasma sanguíneo en medicina. Nada que ver. En realidad ya incluso en la Tierra el plasma está en casi todas partes (todos los gases a ciertas temperaturas tienen algún grado de ionización, por ejemplo, la llama de una vela no es otra cosa que un plasma, o un relámpago en una noche tormentosa) no digamos ya en el universo, donde las estrellas básicamente son inmensas masas de plasma, e incluso las nebulosas y materia interestelar están en estado de plasma. Y en el fondo esta es la clave de la fusión. En el interior de las estrellas se dan continuamente reacciones nucleares de fusión. Nuestra idea es reproducirlo.

Como lo habéis leido. Lo que se quiere conseguir en un reactor de fusión es reproducir las condiciones que hay en el interior del Sol, por ejemplo.

Como ya os habréis dado cuenta es algo muy ambicioso y creo que ya empezáis a entender el por qué de la gran dificultad de todo esto. Las inmensas temperaturas (hablamos de millones de grados) y las fuerzas generadas por los campos electromagnéticos en el plasma (tales que podrían desplazar cientos de toneladas) hacen virtualmente imposible construir un recipiente capaz de contener el combustible por sí mismo. Hay que “sujetarlo” de alguna forma, mantenerlo lo más alejado posible de las paredes del contenedor para que este no sufra daños, en definitiva hay que confinarlo en una determinada región del espacio. ¿Cómo se puede hacer esto? Bueno, hay básicamente dos ideas principales al respecto, pero comentaré aquella en la que se centra mi master, y en la que las investigaciones van más avanzadas hoy dia. Esta idea nos la da las propias características del plasma, que al estar compuesto de partículas cargadas en movimiento es susceptible a la interacción con campos magnéticos. Y he ahí el quid de la cuestión.  Es por eso que se llama “fusión por confinamiento magnético”. Al final uno construye un cacharro con inmensos imanes superpotentes que sujetan al plasma y evitan que se disperse e interaccione con las paredes del cacharro dejándolo hecho cisco.

Joer, pues ya está ¿no?. Construimos un recipiente resistente, le ponemos unos imanes que riéte tú de Magneto, metemos el plasma de Deuterio y Tritio (como dije, hidrógeno pero con peculiaridades) lo calentamos de la manera más eficiente que se nos ocurra (hay diversos mecanismos, como transmitir energía través de ondas o haciendo circular corrientes eléctricas) y ahí el plasma el solito confinado automantiene las reacciones. ¿Entonces por qué no se ha logrado ya la fusión?  La respuesta más sencilla que puedo dar a eso es que el plasma no está realmente confinado. Al final tiende a escapar y no hay una forma de evitarlo 100%. Existen presiones y fuerzas tremendas en el interior del plasma y estas deben estar equilibradas por las fuerzas magnéticas para evitar que las partículas y la energía se piren de la camara donde están contenidas, pero esta situación de equilibrio es altamente inestable, cualquier mínima perturbación (y siempre las hay) rompe la situación de equilibrio y las partículas y la energía escapan del plasma mucho más rápido de lo que querríamos, provocando diversos problemas, como es la consabida imposibilidad de mantener la reacción, la perdida de rendimiento energético, los daños a las paredes de la cámara…

Es en ese punto en el que la investigación se encuentra ahora mismo. El reto es tanto científico como tecnológico. Se trabaja para comprender mejor como funcionan estas inestabilidades y poder ampliar el tiempo que el plasma permanece confinado y a la vez se intentan desarrollar nuevos materiales y estructuras que soporten mejor las altas temperaturas y erosiones. Se supone que el siguiente paso en esta carrera, el ITER, el reactor experimental que se va a construir en Francia, va a demostrar que las últimas investigaciones al respecto son válidas, aplicables y suficientes para lograr por fin un rendimiento adecuado creando así el primer paso para poder construir un reactor nuclear de fusión viable en el futuro. Ya se verá.

Y básicamente en esto consiste la energía de fusión. Pero seguro que habrá alguien preguntandose ¿para qué tanto lio? ¿realmente aporta tanto? ¿que significaría de verdad lograr la fusión? Bien, creo que esas preguntas habrá que responderlas en un siguiente artículo. Próximo: ventajas e inconvenientes.

Un saludo.

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~ por ultronilimitado en enero 28, 2011.

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