La Botella Magnética Para Contener Plasma
Lisset Bermeo

Abstract—Mucho se ha buscado poder controlar los procesos tanto de fisión como fusión nuclear; dados los experimentos se ha consolidado en dirigir esfuerzos a controlar este último; puesto que presenta muchos beneficios que van desde menos riesgo en la manipulación por los científicos hasta reducir la degradación del planeta y mejorar la vida a la humanidad entera. Index Terms—Fusión.

I. INTRODUCCIÓN
Figure 1. Isótopos del hidrógeno usados en la fusión

En la actualidad está muy latente la iniciativa de buscar medios que ayuden al planeta y a la comunidad mundial para que exista una correcta armonía, razón por la que los científicos buscan el control perfecto de los procesos de fusión nuclear; si esto se llegara a consolidar existirían enormes beneficios “energéticos', y no solo eso, siendo la mejor parte el gran alivio que sentiría nuestro planeta.

II. DE LAS ESTRELLAS A LA TIERRA: Hoy en día la fusión nuclear se ve como la fuente energética del futuro, y su control no ha sido posible más que para la generación de bombas nucleares; pero lo que se plantea es llegar a tenerlo para cumplir el mismo rol que desempeña en el espacio: proveer al sol y las estrellas de energía para que brillen constantemente por billones de años. A lo largo de la historia se han venido desarrollando maquinas y procesos que han se han acercado sigilosamente al proceso de control de la fusión nuclear. Aunque los intentos por tenerel poder de crear “energía' sin fin es un reto lo bastante ambicioso; no se ha logrado tener mayor éxito por lo que muchos son los debates para crear la máquina que a más de otorgar innumerables beneficios otorgará un inmensa gloria a su inventor.

La causa de que se usen los isótopos antes mencionados es porque poseen neutrones adicionales en sus núcleos. Estos fueron usados como combustible para la generación de reactores primitivos. Una de las ventajas es que el deuterio se lo puede extraer del agua de mar en tanto que el tritio puede ser generado a través del litio en los laboratorios. De esta unión resulta un átomo de helio y un neutrón energético con una ganacia aproximada de energía de 450:1. Por lo que la fusión vendría siendo como encender un fósforo y lanzarlo a un barril de gasolina.

Figure 2.

Proceso de fusión

III. ENTENDIENDO LA FUSIÓN: La fusión no es más que la respuesta a la unión de dos núcleos atómicos a una elevada presión; tanta alta que pueda superar a la fuerza de repulsión que ejercen los protones. La fusión de los núcleos forman un nuevo elemento; provocando también la liberación de una gran cantidad de energía; esta energía “extra”, es provocada debido a que la masa del núcleo recién formado es menor que la suma de las masas de los dos núcleos originales. Los isótopos usados para la experimentación son dos provenientes del hidrógeno: Deuterio y Tritio.

El material usado en estas reacciones termonucleares no es el mismo que aquel que usael sol y las estrellas para proveerse de energía; lo que se usa es el hidrógeno para simular los procesos de fusión; como ya se menciono con antelación, puesto que trabaja más rápido que cualquier otro material en el sol y además reune las características necesarias. Se usa el deuterio y el tritio (densidad) y deben ser trabajados a muy altas temperaturas caso contrario no existiria reacción. El gas caliente producido en dicha reacción es a lo que se le llama plasma. Este es el cuarto estado de la materia, en el plama los electrones son arrancados de sus núcleos convirtiéndose en un gas ionizado. IV. CONFINAMIENTO DE PLASMA El punto esencial de este tema es como confinar el plasma y mantenerlo a altas temperaturas sin que exista péridida de



energía esencial. El problema se da cuando las partículas en el plasma se chocan con una barrera (campos magnéticos) inmediatamente cederían energía y por ende ya no existiría suficiente calor para que la reacción se lleve a cabo. Por lo que se confina el plasma en una botella, ésta botella consiste en líneas de fuerza imaginarias que ocasionan que cualquier partícula ionizada que se desvíe al intentar cruzar las líneas magnéticas en vez de hacerlo, vaya formando una espiral alrededor de ellas. Y por ende éstas partículas no tocan la barrera; siendo el verdadero problema realizar este sistema a prueba de fugas. Al querer confinar el plasma se necesita que parte de las líneas magnéticas actúen de tal forma que éstas se encuentrenfuera y el plasma este dentro; lo que significa que exista una presión dentro de la región de las líneas magnéticas, provocando una inestabilidad. Las líneas magnéticas se comportan como bandas elásticas intentando mantener una presión hacia el interior y el plasma empezará a fluir alrededor de las líneas originando una fuga. Este método de confinamiento magnético ha resultado ser el más prometedor; pero no sa ha logrado mantener la reacción por más de unos pocos segundos.
Figure 4. Partes de un Tokamak

En la figura anterior se identifican las partes que componen un Tokamak que son: (1); Plasma: descrito como el gas que lleva al cuarto estado de la materia causado por las altas temperaturas sometidas a millones de grados que dan lugar a las reacciones de fusión (2) bobinas toroidales: crean un campo del mismo nombre que permite al plasma circular y permanecer en el centro del recipiente vacío. (3) Recipiente vacío: área donde el plasma es creado cuyas paredes son recubiertas por elementos compuestos de carbón. (4) Envoltura: compuesta por una pared de criostato y el interior esta sumergido en helio líquido con el fin de mantener las bobinas en el estado de supraconductor (material sin resistencia eléctrica). (5) Soleniode Central: permite mantener el calor del plasma en su fase inicial. (6) Bobinas poloidales: controlan la posisción del plasma durante la operación de la máquina a fin de evitar el roce con las paredes y al inicio del proceso puesto que también participan en elcalentamiento del plasma. A continuación el proceso descrito en forma gráfica

Figure 3.

Tokamak

El tokamak es una estructura en forma de dona en donde se realiza el confinamiento del plasma. Tokamak es un acrónimo ruso que significa cámara magnética toroidal, este dispositivo fue desarrollado por primera vez por científicos rusos. En el tokamak el plasma no se encuentra confinado por las paredes del material del cuál se encuentra hecha la estructura; sino por los campos magnéticos. Siendo las razones para el confinamiento magnético dos
•

Figure 5.

Alimentación de bobinas toroidales

•

En primer lugar ningún material conocido puede resistir las temperaturas de más de 100 millones de grados necesarias para la fusión. En segundo lugar mantener el plasma en una botella magnética siendo más fácil de calentar.
Figure 6. plasma Alimentación del solenoide central y comienzo de formación del

Si existen fugas el plasma se enfría y se detiene la reacción.




Figure 7.

Plasma en proceso e inicio de calentamiento externo

Figure 8.

Proceso de fusión

Figure 9.

Producción de energía

equilibrio aunque su tokamak llega a producir tanta energía como consume. En el 2010 llegó la colaboración internacional del ITER que comenzaría la producción de energía basada en la fusión con una planta comercial; para cierta parte de la comunidad científica el ITER no hace más que volver el proceso más complejo y costoso; en cambio que el resto de la comunidad deinvestigadores opina que finalmente se tendrá el éxito esperado. Actualmente los científicos de la UCLA junto con Tylor se encuentran desarrollando un nuevo enfoque que sería más prometedor que el de Princeton; la idea es reducir al mínimo las fugas del tokamak haciendo que el anillo de plasma en su interior rote rápidamente la distancia por recorrer alrededor del mismo; como el humo en un anillo de fuego. La rotación del anillo de humo es lo que le permite mantenerse cohesionado y es lo que debería pasar en el tokamak; propone Tylor. La rotación de las partículas cargadas del anillo de plasma se logra mediante la exposición a campos eléctricos, por lo que Taylor llama a su dispositivo tokamak eléctrico. A diferencia del tokamak eléctrico, el propuesto por Princeton o por ITER las fugas se evitan mediante el uso de campos magnéticos extremadamente potentes; en cambio si como propone Tylor, la rotación puede ayudar a taponar las fugas; campos magnéticos mas pequeños se necesitarían para evitarlos; lo que se traduce a una máquina más barata. Taylor ha construido un prototipo del tokamak eléctrico en el sótano de Boelter Hall. La construcción de la máquina a escala completa aguarda la finalización del edificio de Ciencia e Investigación Tecnológica en el campus de la UCLA oeste y la financiación del Departamento de Energía de EE.UU 'Esta máquina,' Taylor insiste en que 'tiene el potencial de llegar hasta el fin en cuanto a su construcción. A. TOKAMAK NUMÉRICO Gracias a John Dawsonse podrá desarrollar la simulación del comportamiento del plasma y así habilitar la construcción de los tokamak sin que exista un gasto de millones de dólares. Dawson piensa que debería ser posible prever el comportamiento detallado de cientos de millones de partículas que se mueven en el intrincado campo toroidal trenzado magnético de un tokamak real en cualquier parte del mundo; basandose en que la velocidad de la informática actual crecerá enormemente lo que le permitirá volver realidad su objetivo. Utilizando las computadoras más rápidas disponibles en la actualidad, los programas de Dawson pueden seguir el movimiento de 130 millones de partículas - lo suficiente como para simular el comportamiento de un tokamak alrededor de dos tercios del tamaño del TFTR de Princeton. Las partículas que dan un seguimiento por el equipo; representan sólo una pequeña fracción de un verdadero tokamak de plasma, pero son suficientes para dar una imagen precisa de su comportamiento. El objetivo de Dawson es simular las máquinas más grandes antes de hacerlas realidad, ofreciendo a sus constructores de una guía útil; otra ventaja que ofrece los experimentos numéricos de Dawson es que todos los detalles de la operación

V. ALCANZANDO EL PERFECTO TOKAMAK Robert Tylor es uno de los científicos que participa en las investigaciones de fusión nuclear; a finales de los años setenta comenzó un proyecto de investigación con la UCLA que en la actualidad sigue vigente; los científicos de ese entonces nocreyeron en la complejidad de una botella que contuviera soles artificiales producto de la fusión nuclear; hasta que se toparon con lo que realmente representa este desafío. El Tokamak resultó ser la máquina más éxitosa; pero hubo un factor que se dió en el momento en el que las temperaturas se elevaron a las cantidades necesarias para que los núcleos se fusionaran y es el filtrado del plasma. Lo que resultó fue que el comportamiento esperado por el plasma era el que fluyera liso como una corriente y en realidad se comportó turbulento como el de una cascada; para una mejor compresión se hace una analogía con el tráfico vehicular puesto que todo irá normalmente si las personas se mantienen en su carril y a una distancia prudente pero si hay un par, que desobedece el normal funcionamiento se origina un caos vehicular que viene siendo un embotellamiento terrible. Esto en un tokamak es una turbulencia. Durante décadas los científicos han tratado de hallar formas de mantener estable el plasma, por lo que en 1995 los científicos de Princeton TFTR lograron mantener el punto de




pueden ser examinados; tanto así que pareciera que un científico se encuentra sentado en la cima de un electrón que forma parte del proceso en el instante mismo en el que la fusión se lleva a cabo. VI. CONCLUSIONES El tema precedente es muy interesante debido a que a más de buscar soluciones enregéticas permite también ayudar a cuidar el medio ambiente a través de la investigación de nuevas fuentes deenergía y dejando de lado las antiguas y no renovables como son las petroleras. Es atractivo comprender y conocer más que nada ciertos conceptos que dentro de un futuro no muy lejano serán útiles debido a que el ser humano en sus intentos de conseguir un alto nivel de vida y con una consciencia dirigida a cuidar el planeta Tierra necesitará comprender los dispositivos y quizá aprender a manejarlos para un correcto desenvolvimiento y una armonía coexistente entre el planeta y el hombre que aspiramos llegará a existir. Muchos son los investigadores que se volcan a buscar soluciones verdes para el planeta, por llamarlas así; y sería muy importante que los gobiernos de todos los países sin ser etiquetados por su desarrollo pusieran su granito de arenas para lograr el objetivo principal mencionado a lo largo de este paper; que es crear energía no contaminante que durará un largo tiempo. R EFERENCES
[1] https://www-fusion-magnetique.cea.fr/gb/fusion/principes/principes04.htm, “Magnetic fusion, an international activity for an energy option in the future', IRFM, Visited 13-07-11 [2] https://www.worsleyschool.net/science/files/fusion/nuclearfusion.html, “Nuclear Fusion', Visited 14-07-11 [3] “Bulletin of the atomic scientists', Edward Teller, pag 271-272, september 1956, Visited: 13-07-11. [4] https://www.research.ucla.edu/chal/5.htm, “The electric tokamak', UCLA, Visited 14-07-11 [5] https://www.research.ucla.edu/chal/7.htm, “'The numerical Tokamak', UCLA, Visited: 15 - 07 - 11