TRABAJO PRACTICO DE QUÍMICA

 

 

 

 

TEMA: “FUSIÓN NUCLEAR”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                   

 

 

 

 

23 - VIII- 1996

Introducción:

 

         La fusión nuclear es un proceso alternativo al de la fisión para generación de energía nuclear.  Este proceso ocurre naturalmente en las estrellas entre núcleos de elementos livianos y constituye la principal fuente de energía estelar.  Durante muchos millones de años nuestro Sol, conjuntamente con muchas estrellas, ha estado irradiando energía continuamente en una enorme escala.  Aunque nuestra existencia en la Tierra ha dependido de esta irradiación, no se ha empezado a comprender el proceso de esta emisión hasta hace cierto tiempo.  Se comprobó hace mucho tiempo que las fuentes “químicas” de producción de energía no suministrarían la cantidad que se ha observado produce el Sol sino durante algunos milenios.  Sin embargo, pudo demostrarse mediante una prueba geológica, que el Sol ha estado irradiando, con su actual potencia, durante millones de años, y de aquí que la energía tenga que producirse como consecuencia de un fenómeno que difiera fundamentalmente de las operaciones químicas con las que estamos familiarizados.

            Las especulaciones, acerca de la fuente de la energía del Sol se incrementaron a finales del siglo XIX, cuando el descubrimiento de la radioactividad condujo a la idea de que la energía “atómica”, podía ser, de algún modo, la base de la radiación solar.  En 1920, Sir Arthur Eddington sugirió la posibilidad de que esta energía solar se liberase durante la formación del helio a partir de hidrógeno.

            La teoría de Eddington recibió un amplio apoyo, aunque en aquel momento nadie era capaz de explicar como podía producirse la transformación del hidrógeno en helio.  En 1929, sin embargo, R. D’E. Atkinson y F. G. Houtermans sugirieron que la energía podía ser liberada en las estrellas en general y en el Sol, como resultado de la fusión del núcleo atómico de los elementos muy ligeros (principalmente del hidrógeno) a temperaturas muy altas.  Estas reacciones de fusión se denominan “reacciones termonucleares”, y hoy se admite que la gran proporción en que se producen explican las enormes cantidades de energía solar observadas.

            Sólo en los últimos veinte años hemos pensado seriamente en la posibilidad de alcanzar una fuente similar de energía en escala terrestre.  En el presente trabajo se describen los progresos realizados en tal sentido, las posibilidades previstas para el futuro, y otra serie de elementos relacionados con la fusión nuclear.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La Energía Nuclear:

            Todo lo que podemos tocar -cada árbol, cada semilla, cada gota de lluvia- consta de billones de átomos situados unos muy cerca de otros.  Toda la materia, por más pequeña que sea, está constituida por átomos.  Éstos son demasiado pequeños para ser vistos por el ser humano, pero son las unidades constructivas de todo lo que existe en el Universo.

La Energía Nuclear (o Energía Atómica) es la energía liberada cuando se dividen cierto tipo de átomos.  En el interior de un reactor nuclear esta división tiene lugar bajo condiciones controladas cuidadosamente.   El funcionamiento de las armas atómicas depende también de esta división de átomo, pero se lleva a cabo en condiciones totalmente distintas; tal es el caso de una bomba atómica.  En ambos casos se libera una gran cantidad de energía al dividir el átomo.

            En un reactor nuclear la energía se usa para hacer hervir el agua y producir vapor, el cual acciona turbinas de vapor y produce electricidad.  Bajo este aspecto no existe diferencia entre una central nuclear y una central térmica que utilice carbón o fuel oil como combustible; ambas utilizan turbogeneradores  para transformar el calor en electricidad.  Sin embargo, a diferencia del carbón o el petróleo, la energía nuclear no se puede utilizar para otros fines que no sean la producción de electricidad.  Ello es debido a que la energía nuclear precisa de medios de control muy complejos para que su liberación se efectúe de forma segura, y de protecciones de gran espesor para evitar que puedan escapar los peligrosos productos generados en la división atómica.

            Las primeras centrales nucleares se construyeron en Inglaterra y en Estados Unidos de Norteamérica alrededor de 1950.  Actualmente existen más de 250 centrales nucleares en funcionamiento en todo el mundo y un numero todavía mayor en construcción.

 

División del Átomo:

            La mayoría de los átomos son muy difíciles de dividir.  El núcleo que forma parte de los mismos y que se halla situado en su centro se mantiene unido por fuerzas muy poderosas, y para vencer estas fuerzas se necesita gran cantidad de energía.  Por ello, Lord Rutherford, uno de los más grandes físicos atómicos, dudaba que algún ida se pudiera extraer la energía producida en la división de un átomo.

            Pero Rutherford murió en 1937, dos años antes de que ocurriera algo inesperado:  Otto Hahn y Lise Meitner descubrieron que los átomos del metal uranio se podían dividir con bastante simplicidad.  Un átomo de uranio se puede dividir en otros dos átomos más ligeros mediante un proceso denominado FISIÓN.  Constituyó, en ese entonces, el descubrimiento más grande del siglo XX.

            Dos circunstancias daban a la fisión una importancia vital en los campos económico y militar.  La primera era que producía energía.  La segunda, igualmente importante, era que, una vez iniciado el proceso, el uranio proseguía la fisión por el mismo.

 

 

 

 

 

 

 

 

Fisión Atómica:

            Las reacciones de fisión controlada en los reactores nucleares tienen grandes aplicaciones y aún mayor potencial.  No existe posibilidad de explosión porque los elementos combustibles de un reactor nuclear no tienen ni la composición ni la ordenación tan compacta de la masa critica de una bomba en el instante de la explosión.  Sin embargo, siempre hay ciertos peligros asociados con la generación de energía nuclear.  Puede ocurrir una “fundición” si el sistema de enfriamiento no se utiliza adecuadamente.  También debe haber un blindaje apropiado que asegure que los radionúclidos producidos estén contenidos siempre dentro de los reactores y que no escapen radiaciones.

1.    Reactores de agua ligera

            Un reactor de fisión consta de cinco componentes principales: 1)combustible, 2)moderador, 3)barras de control, 4)sistema de refrigeración y 5)escudo.            

 

Combustible: el combustible son barras de Uranio, enriquecidas con uranio-235.

 

Moderador: las reacciones de fisión se efectúan más eficazmente con neutrones lentos.  Por tanto, los neutrones rápidos producidos por la fisión deben ser frenados por colisiones con átomos de peso comparable, para que no los absorban.  Dichos materiales se denominan moderadores.  El moderador que suele emplearse con mayor frecuencia es el agua ordinaria, o el grafito.  El moderador más eficaz es el helio (He), y le sigue en eficacia el “agua pesada” (oxido de deuterio).

 

Barras de control: el control de la velocidad de una reacción de fisión se consigue al emplear barras de control móviles, por lo general de cadmio o de aceros borados.  Se introducen y se sacan automáticamente en los espacios situados entre las barras de combustibles.

 

Sistema de refrigeración: en practica se necesitan dos sistemas de refrigeración.  Primero, el moderador actúa como refrigerante del reactor.  Se transfiere el calor generado por la fisión a un segundo sistema denominado generador de vapor; este convierte el agua en vapor que va a las turbinas al impulsar el generador para producir electricidad.  Otro refrigerante (agua de río, de mar o agua reciclada) condensa el vapor de la turbina y el condensado se recicla a la generación de vapor.

 

Escudo: es esencial para las personas y el entorno una adecuada protección de una posible exposición a los radionúclidos.  Por ello, todo el reactor esta encerrado en un recipiente de acero que esta alojado en un muro suficientemente espeso.  Los operadores están protegido además por los denominados escudos biológicos, una capa bastante gruesa de material orgánico obtenido al comprimir fibras de madera.  Este escudo absorbe además las radiaciones beta y gamma que de otra manera serian absorbidas por el cuerpo humano.

 

2.     Reactores generadores:

            Se ha predicho que en 50 años se agotara la fuente de Uranio-235.  Sin embargo, el uranio-238 es unas 100 veces más abundante y puede convertirse en plutonio-239, fisionable.  De hecho, esto ya se hacen alguna extensión en los reactores de agua ligera.

                                                U  +    n  -------    Pu  +  2    b

Pueden construirse reactores denominados generadores que no lo generan grandes cantidades de calor generadas por fisión, sino también más combustible que puede utilizar neutrones absorbidos por una camisa de torio o uranio y causar la reacción anterior.  Sin embargo, es difícil diseñar un reactor generador.  Este tipo de reactores requiere el uso de neutrones rápidos, por ello no necesita moderador, pero el control es más difícil.  Operan a temperaturas superiores a la de los reactores de agua ligera, de manera que no puede utilizarse el agua como refrigerante y debe usarse sodio liquido, que no es un moderador de neutrones.  El sodio es muy reactivo, sobre todo a temperaturas elevadas y tiende a atacar las paredes del contenedor.  El calor debe ser transferido con gran eficacia, porque el plutonio-239 funde a una temperatura más o menos baja, 640ºC.

Regeneración:

            La finalidad de la regeneración es la recuperación del U-235 no utilizado que se halla en el interior de la masa del combustible agotado.  La regeneración se lleva a cabo mediante un proceso químico, controlado a distancia y protegido bajo una capa de hormigón.  Los elementos de combustible se disuelven en ácido nítrico y se separan químicamente entres fracciones: la primera contiene Uranio, la segunda plutonio, y la tercera los residuos de la reacción de fisión, que son radiactivos.  El combustible utilizado, al ser extraído del reactor, es altamente radiactivo y debe transportarse hacia la planta de regeneración bajo condiciones de extrema seguridad.  El Uranio regenerado, que representa alrededor del 98% de los productos de fisión, se devuelve a la planta de fabricación de combustible para incorporarlo a nuevos elementos de combustible.  La cantidad de plutonio  obtenida, queda  de momento almacenada.  Los residuos (la tercera fracción), deben almacenarse en lugares perfectamente seguros durante mucho tiempo.

 

Residuos Nucleares

            El asunto de los residuos nucleares es uno de los problemas más preocupantes a los que debe hacer frente la industria nuclear.  Las cantidades no son grandes, pero si son altamente radioactivas.  Cuando los residuos salen de la planta de regeneración, en forma de una disolución en ácido nítrico, pasan por el interior de tubos de acero inoxidable, hasta depósitos especiales en los cuales se almacenan.  Los depósitos se rodean de circuitos de refrigeración y agitadores para evitar la formación de cuerpos sólidos en la periferia o los rincones del fondo.  Los residuos radioactivos pueden resultar más seguros en forma de sólido.  Una de las formas de conseguirlo es mezclando estos desperdicios con los minerales que se usan para la fabricación de vidrio, calentando la mezcla en un horno hasta su fusión, transformándose en un sólido de aspecto parecido al vidrio.  Las piezas que resultan, en forma de grandes cilindros, se muelen y el polvo que resulta puede almacenarse bajo tierra sin requerir atenciones especiales durante cierto tiempo.

Máquinas Nucleares:

                La propulsión por energía nuclear es posible en los barcos.  Los petroleros y los portaaviones son barcos de tal tamaño que la colocación en su interior de un reactor puede llevarse a cabo fácilmente.  Y, en los submarinos, la propulsión nuclear ofrece la posibilidad de desplazarse a velocidad máxima, sumergidos, dando la vuelta al mundo sin repostar, lo cual representa una enorme ventaja sobre los submarinos convencionales, desde el punto de vista militar.

            Los submarinos nucleares que operan en las armadas norteamericana e inglesa usan reactores de agua a presión para su propulsión y llevan funcionando varios años.  La armada de los Estados Unidos de Norteamérica posee tres portaaviones nucleares y la ex-URSS posee, entre otros, un rompehielos, el Lenin, movido por esta energía.

               

Energía de fusión:

            La fisión nuclear no es la única reacción de este tipo que produce energía.  Hay otra que produce, quizás, mayor cantidad de la misma: la fusión nuclear.  A la fusión nuclear se debe la energía que contienen el Sol y las estrellas y es la que produce también la inmensa energía destructiva de la bomba de hidrógeno.   

            La fisión es el proceso por el cual un núcleo ató mico grande se divide en partes, para formar otros dos más pequeños.  La fusión es exactamente lo contrario: la combinación de dos núcleos ligeros para formar otro más pesado.  Cuando ello sucede, la masa del elemento más pesado que se ha formado es ligeramente menor que la suma de las masas de los elementos que lo han originado o sea, que del mismo modo que en el caso de la fisión, la masa parece haber desaparecido.  Realmente, lo que ha sucedido es que se ha convertido en energía.

            Para poder distinguir unos isótopos de otros utilizamos dos números: el numero atómico (Z), que indica el numero de protones del núcleo, y el numero másico (A), que indica el numero de nucleones (la suma de protones y neutrones).  Por lo tanto, cada isótopo del mismo elemento tiene el mismo símbolo, igual Z y distinto A.  Energía de enlace:  la masa de un protón vale aproximadamente 1,6725 x 10^-27 kilos y la masa de un neutrón vale 1, 6748 x 10^-27 kilos.

            Según estos valores, la masa del Helio, H, compuesto de 2 neutrones y 3 protones, debería  ser de 6,6946 x 10^-27 kilos.  Sin embargo, las mediciones de la masa del núcleo de Helio dan un valor de 6, 6482 x 10^-27 kilos.  Entonces comprobamos la perdida de 0,0464 x 10^-27 kilos.

            El origen de este fenómeno hemos de buscarlo en una de las consecuencias de la teoría de la relatividad, según la cual la masa no es más que una forma de la energía.  De este modo, al unirse los nucleones pierden energía, ya que las fuerzas nucleares estabilizan sus uniones en el núcleo.  En el núcleo, esta energía se denomina energía de enlace.  Para obtener energía podremos tomar dos caminos:

·      Rompiendo elementos muy pesados (A>200) para obtener núcleos más estables.  Es el proceso que denominamos fisión nuclear.

·      Uniendo elementos ligeros (A<20) para dar elementos más pesados, más estables, con lo que también se recupera parte de la energía de enlace.  Es el proceso que denominamos fusión nuclear.  Así ocurre en la reacción:

 

H  +    H  ®    He  +    n  +  17,6 MeV

 

En ella, el resultado de la fusión de dos núcleos de hidrógeno, uno de masa 2 (deuterio), y el otro de masa 3 (tritio), es un núcleo de Helio (He), un neutrón (n) y energía (17,6 MeV).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Física básica de la fusión

 

La reacción de fusión:

         Los núcleos atómicos de los elementos ligeros pueden fusionarse para formar un elemento más pesado, liberando en el proceso un exceso de energía.

            Normalmente, los núcleos se repelen unos a otros al llevar todos cargas positivas.  Pero a altas temperaturas, los núcleos pueden moverse de forma muy veloz, colisionando con la fuerza suficiente como para vencer su repulsión mutua y unirse.  En la reacción de fusión que más fácilmente puede lograrse se unen núcleos de deuterio y tritio, ambos isótopos del hidrogeno, a altas temperaturas, creándose helio y desprendiéndose energía en forma de neutrones muy energéticos.

 

Requerimientos de un reactor de fusión:

            Sin embargo, para fabricar un reactor de fusión practico; es decir, uno que cree más energía de la que consume para calentar el combustible de deuterio-tritio, son insuficientes unas cuantas reacciones de fusión ocasionales.  El combustible debe alcanzar una temperatura de, al menos, cien millones de grados centígrados, una temperatura catorce veces superior a la existente en el centro del Sol.

            Además, para que la probabilidad de colisión sea máxima, los núcleos que se mueven al azar a alta velocidad deben confinarse muy cerca unos de otros durante un periodo de tiempo mínimo y a una densidad suficiente.  Dependiendo de esta densidad, necesitaremos un valor u otro del tiempo de confinamiento.

            En unas condiciones típicas de cien millones de grados centígrados y con una densidad que oscile entre 10¹⁰ a 10¹⁴ partículas por centímetro cubico, los núcleos a altas velocidades deberán estar confinados durante un tiempo aproximado de un segundo.  Esta condición es conocida como el criterio de Lawson, que luego será explicado en detalle.  Si el combustible estuviera formado por partículas a mayor densidad, el tiempo de confinamiento podría ser menor.  Si el combustible tuviera menor densidad, el plasma tendría que mantenerse durante aún más tiempo.

        

El Plasma:

            Cuando se calienta un gas hasta una temperatura alta, los átomos del gas quedan “ionizados”.  Los electrones, que habitualmente se encuentran en órbita alrededor de los núcleo de los átomos, se escapan, y se forma una mezcla de “iones” nucleares cargados positivamente, y de electrones cargados negativamente.  A esta mezcla se la llama plasma, y sus propiedades son muy diferentes a las de un gas en ocasiones, se dice del plasma que es el cuarto estado de la materia.

            El plasma, por ejemplo, es un excelente conductor eléctrico.  Al estar formados por partículas cargadas, puede verse afectado y ser controlado mediante campos magnéticos.

            Cuando el combustible de fusión deuterio-tritio se calienta hasta altas temperaturas, forma un plasma que puede confinarse durante el tiempo suficiente como para permitir que ocurran abundantes reacciones de fusión.

 

Plasma Ionizado (copia de Diagrama del Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton.)

  figura 5

Fuente: “Fusión, de Robin Herman.”

 

El confinamiento del plasma:

            Cuando se aplica un campo magnético a un plasma, cada partícula cargada del plasma se ve forzada a moverse en círculos en torno a las líneas magnéticas de fuerza.

 

 

 

               

 

 

 

 

 

              figura 6

             Fuente: “Fusión, de Robin Herman.”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dispositivos de fusión

 

Dispositivos de confinamiento magnético:

Se pueden señalar varias direcciones de investigaciones principales:

a)   Método de autoconstricción, en el que el campo magnético confinador esta producido por corrientes eléctricas en el interior del plasma. (Autoconstricción lineal y toroidal)

b)   Método del Stellarator, en el que el plasma esta confinado en un tubo infinito por medio de campos magnéticos axiales externos.

c)    Método de los espejos magnéticos, en el que el plasma esta confinado en un tubo recto por medio de campos magnéticos axiales externos, más internos en los bordes que en el centro.

d)   Método del Tokamak.

e)   Calentamiento a Láser.

 

a) Efectos de Autoconstricción

Principio del método:     

            Las maquinas de Autoconstricción están basadas en la interacción de una corriente eléctrica en un gas con el campo magnético creado por la propia corriente.

            Considerando una masa de gas encerrada en un recipiente, por ejemplo, un tubo recto de vidrio, a la que se aplica repentinamente una tensión eléctrica axial (fig. 7).  El gas se ioniza rápidamente y forma un plasma de conductividad eléctrica muy elevada.  En la superficie exterior del plasma se produce una capa muy fina de corriente eléctrica.  Esta corriente crea un campo magnético que la rodea ejerciendo una presión magnética que tiende a contraer la columna de plasma hacia el centro del tubo, esto es, se produce la Autoconstricción, que va acompañada de un fuerte calentamiento del gas, debido al efecto Joule, a compresión no adiabática y al choque de la pared magnética que empuja los electrones y iones hacia el centro del tubo.

            En el calentamiento óhmico, la energía se transfiere directamente a los electrones que, por colisión, ceden una parte a los iones.  Como la conductividad eléctrica del plasma a temperaturas muy elevadas es muy grande, este efecto solo tiene importancia hasta temperaturas del orden del millón de grados.

            Por el contrario, la compresión afecta por igual a iones y electrones.  En el calentamiento por choque, como las partículas al rebotar contra la pared vuelven hacia el centro del tubo con velocidad doble, es mayor el calentamiento de los iones.

            Se comprende fácilmente que para alcanzar temperaturas termonucleares que necesitaran corrientes muy intensas, del orden del millón de amperios.  En consecuencia, el funcionamiento de estas maquinas en régimen continuo seria muy difícil, por lo que todas ellas trabajan por impulsos, esto es, intermitentemente.

 

 

 

 

 

Estabilización del confinamiento:

            Aunque se han construido algunas maquinas de este tipo tan sencillo, presentan, sin embargo, un grave inconveniente: la constricción no es estable.  Cualquier deformación que aparezca origina fuerzas que tienden a aumentarla hasta que la constricción termina por romperse (figura 8).

Para evitar esta dificultad, sin renunciar al método, habría dos posibilidades: aumentar la temperatura y densidad del plasma lo más rápidamente posible, para alcanzar temperaturas termonucleares antes de que aparezcan inestabilidades, o tratar de estabilizar la constricción.

            El primer método, aunque posible en principio, exigiría corrientes del orden de 10⁹ A y campos de 10⁶ V/cm.  Por otra parte, el desprendimiento de energía termonuclear seria explosivo, equivalente a una tonelada, aproximadamente, de TNT por centímetro de longitud de la constricción.

            El segundo método (estabilización de la constricción) parece ofrecer más posibilidades.  Aunque se han propuesto muchos procedimientos, el más usual consiste en emplear campos magnéticos longitudinales.

            Los campos longitudinales se pueden aplicar de dos modos: campos atrapados por el plasma y recipientes con paredes conductoras, y campos con distribución más o menos uniforme en toda la cámara, esto es, dentro y fuera del plasma.  Ambos procedimientos se han estudiado teórica y experimentalmente.  Se puede demostrar por calculo que si el campo longitudinal exterior a la constricción es pequeño y el radio de esta no es muy pequeño respecto del conductor externo, es posible alcanzar una estabilización completa.

            Con campos de estabilización interiores y exteriores a la constricción, se puede conseguir una estabilización completa, en una longitud limitada, si la corriente solo pasa por una delgada capa del plasma.  Si la corriente esta uniformemente distribuida por toda la sección de la columna, no se estabilizan todos los tipos de perturbación.

Otro tipo usual de estabilización consiste en dar forma helicoidal al conductor que rodea al tubo de descarga y que sirve de conductor de vuelta.  En este sistema no hay campo estabilizador antes de la descarga; esta se produce cuando pasa la corriente, y, a causa de la ionización del gas, este queda atrapado cerca de la superficie exterior del plasma.  Por este sistema se estabilizan las perturbaciones de estrangulación, que son las más rápidas y, por consiguiente, las más peligrosas.  La ruptura de la constricción se debe entonces a inestabilidades de curvatura.

 

Calentamiento del plasma por interdifusión de campos:

            Con campos estabilizadores axiales, la constricción es mucho menor y la eficacia del calentamiento por choque, limitada.  Sin embargo, en estas condiciones interviene un nuevo proceso de calentamiento, debido que la estabilización de la constricción no se mantiene indefinidamente.  El campo axial se extiende y se mezcla con el acimutal que rodea a la constricción y, en esta dilatación, pierde energía que cede al plasma.

            Se ha demostrado por calculo que si las únicas perdidas de energía del plasma son las debidas a Bremsstrahlung, por este procedimiento se pueden alcanzar temperaturas termonucleares.  Sin embargo, es necesario que la velocidad de interdifusión de campos no sea demasiado grande para que la estabilidad de la constricción se mantenga hasta que se alcance un grado considerable de quema del combustible nuclear.  En la practica, todos los sistemas de autoconstricción son lineales o toroidales.

 

 

Autoconstricciones  lineales

            En la autoconstricción lineal, el plasma se enfría al entrar en contacto con los electrodos.  Esto obliga a efectuar descargas muy rápidas para que la temperatura prevista pueda alcanzarse antes de que se produzca este enfriamiento que impediría el calentamiento.  Las posibilidades de almacenamiento de la energía, que en un tiempo muy breve se ha de descargar en el plasma, quedan así muy limitadas.  El método usualmente empleado consiste en utilizar bancos de condensadores de gran capacidad, cargados a un potencial relativamente elevado que, en el instante deseado, se descargan en el sistema a través de un interruptor.  Como el periodo de la descarga viene dado por:

                                                                                              T = 2p ÖLC

siendo C la capacidad y L la inductancia del sistema, hay que reducir en lo posible ambos factores.  La capacidad no puede limitarse excesivamente, ya que interesa comunicar una cantidad considerable de energía al sistema.  Como la energía E almacenada es:

                                                                                                               E = ½ C V²

es evidente que será ventajoso emplear altas tensiones.  Sin embargo, esto introduce dificultades practicas: aislamiento, interruptores para alta tensión y corrientes muy elevadas, etc.  Por esta razón las tensiones usuales son de decenas de kilovoltios.

            La inductancia se puede reducir notablemente cuidando la construcción de los condensadores e interruptores y el sistema de conexión.  Con estas precauciones se han alcanzado periodos de 1 ms.  También ha de reducirse al máximo la resistencia del circuito, ya que, con las elevadas corrientes utilizadas, la disipación de energía por efecto óhmico puede ser considerable.

            En la figura 8 está representado un sistema de autoconstricción lineal, el Columbus T₂.  Consiste en un tubo de pared metálica (hoja de acero ondulada), de 90 cm de diámetro y 3,6 metros de longitud, conectado eléctricamente a dos tubos cilíndricos huecos de 30 cm de diámetro, que forman los electrodos.  Por tanto, el tubo exterior conduce en paralelo con la descarga, lo que da una distribución uniforme de potencial.  El ánodo está unido por tiras de cobre a barras aisladas de acero que forman los conductores de retorno.  La energía se almacena en un banco de condensadores de 3 kV y 300 kJ.  El campo estabilizador axial es de 500 gauss.  Con esta máquina se alcanzan corrientes de 600.000 A. 

Autoconstrictores toroidales

            El efecto de enfriamiento del plasma en los electrodos se evita empleando tubos sin electrodos, esto es, tubos toroidales.  En estos no es preciso que la descarga sea tan rápida, por lo que la tolerancia en el valor de las inductancias es mayor; incluso, en ocasiones, el arrollamiento primario lleva núcleo de hierro.

            En la figura 10 esta representado el ZETA.  El esquema de principio se representa en la figura 11: un banco de condensadores se descarga, a través de un interruptor, en el primario de un transformador con núcleo de hierro.  El secundario esta formado por el gas ionizado.  Consiste en un toro metálico de 107 cm de diámetro de tubo, hecho en dos mitades aisladas eléctricamente por juntas de baquelita y politeno.  Interiormente el tubo esta recubierto por tubos cortos de material aislante.  El transformador tiene dos arrollamientos; uno sirve para una polarización fija de 400 A (campo de 15.000 gauss), suministrada por un rectificador, y otro, para el impulso procedente del banco de condensadores. De 25kV, esto es, capaz de almacenar una energía de 500.000 J. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

El arrollamiento para el campo estabilizador (de unos 150 gauss) va sobre el propio toro metálico y esta alimentado por una corriente continua de 200 A, o bien por impulsos de hasta 1.000 A y 1 s de duración.

            En el ZETA las descargas son de una duración de 3 ms y se repiten cíclicamente cada 10 s.  Las temperaturas alcanzadas son del orden de 7 x 10⁶ ºK.

 

 

 

 

 

 

b) El Stellarator

Confinamiento del plasma

            La idea fundamental del método consiste en confinar un plasma en un tubo infinito, por medio de campos magnéticos externos.

            Consideremos el sistema más sencillo: un toro con un arrollamiento externo que proporciona un campo axial (fig. 12).  Las líneas magnéticas se cierran sobre si mismás después de una revolución.  Ahora bien, la intensidad del campo magnético no es constante en la sección del tubo del toro, puesto que dos espiras consecutivas están más próximás por el borde interior que por el