Cómo funciona un stellarator

Un tokamak necesita una corriente eléctrica que circule por el plasma para cerrar sus líneas de campo magnético. Un stellarator obtiene esa misma torsión helicoidal de la forma de las bobinas exteriores: en vez de inducir corriente, retuerce los conductores en formas tridimensionales no axisimétricas, y el campo ya sale torcido de fábrica. No hay transformador, no hay que sostener una corriente.

El plasma de un stellarator no necesita una corriente inducida, y la corriente de bootstrap que igual aparece es órdenes de magnitud menor que la de un tokamak, así que no hay corriente que perder: desaparece la disrupción, el colapso en milisegundos que descarga toda la energía del plasma sobre la pared. En principio la máquina puede sostener el plasma en estado estacionario mientras dure el calentamiento externo. El Wendelstein 7-X está diseñado para descargas de hasta 30 minutos, según el IPP.

El Wendelstein 7-X, del Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP) en Greifswald, lleva 50 bobinas superconductoras no planas de unos 3,5 metros de alto y seis toneladas cada una, según el IPP. No son cincuenta copias de la misma pieza: hay cinco geometrías distintas que se repiten en los cinco periodos de campo de la máquina. Las setenta bobinas del conjunto se ensayaron en el banco del CEA en Saclay, incluida la prueba de quench, la pérdida momentánea de la superconductividad.

Lo que hizo posible ese diseño fue la optimización numérica. En vez de dibujar la bobina y ver qué campo sale, los códigos parten del campo magnético que se quiere —uno que minimice las pérdidas de partículas rápidas y las corrientes parásitas de bootstrap— y calculan hacia atrás la forma de conductor que lo produce. El W7-X es la máquina que probó ese método a escala: sus bobinas producen un campo cuasi-isodinámico, en el que las superficies de intensidad de campo se cierran de modo que las órbitas de las partículas quedan atrapadas dentro del plasma en lugar de derivar hacia afuera, y el transporte neoclásico y la corriente de bootstrap bajan a la vez. El IPP midió que las pérdidas neoclásicas bajaron a cerca del 30 % de la potencia de calentamiento.

Sobre las 50 bobinas modulares se superpone un segundo juego de 20 bobinas planares, también superconductoras: 70 en total, según el IPP. Las planares son anillos comunes, todos en su plano, y su trabajo no es confinar sino ajustar la configuración: sumadas al campo de las modulares permiten mover la configuración magnética sin tocar la geometría de las piezas retorcidas.

Nada de esto tolera aproximaciones. El montaje de los 6200 azulejos de pared y de los diez módulos del divertor se hizo con una precisión de uno a dos milímetros, según el IPP; antes del primer plasma, el campo se midió con diagnósticos de superficies de flujo para comprobar que las superficies magnéticas cerradas estaban donde el cálculo decía.

El borde del W7-X no termina en una superficie lisa: en su configuración estándar lleva una cadena de islas magnéticas que en un corte poloidal se ven como cinco lóbulos alrededor del plasma. El divertor de islas aprovecha esa geometría en lugar de pelearla: pone las placas justo donde las islas tocan la pared, y ahí se recogen las partículas que escapan del borde.

En el W7-X las placas siguen el contorno retorcido del borde del plasma en forma de diez franjas anchas a lo largo de la pared de la cámara, según el IPP. Ahí las partículas que llegan, junto con las impurezas, se neutralizan y se bombean afuera. Los azulejos de grafito iniciales se reemplazaron después por elementos refrigerados por agua de carbono reforzado con fibra de carbono, para poder subir la energía de calentamiento sin sobrecargar la pared.

Con 2,5 tesla en el eje del plasma, los electrones giran alrededor de las líneas de campo a unos 70 GHz; el ECRH del W7-X calienta en el segundo armónico de esa frecuencia, a 140 GHz, según el IPP. Cada girotrón entrega cerca de 1 MW durante 30 minutos; en la campaña OP1.2 había diez disponibles, con hasta doce previstos y un objetivo final de 15 MW, y se acoplaron al plasma unos 7,5 MW.

El ECRH es, según el IPP, el único sistema de calentamiento ya capaz de operar de forma continua, que es exactamente lo que necesita una máquina pensada para el estado estacionario. El primer plasma de hidrógeno, el 3 de febrero de 2016, fue un pulso de 2 MW de microondas que llegó a 80 millones de grados y duró un cuarto de segundo.

En 2018 el W7-X marcó el récord mundial de stellarator del producto de fusión: 6 × 10²⁶ grados × segundo por metro cúbico, con una temperatura iónica de unos 40 millones de grados, una densidad de 0,8 × 10²⁰ partículas por metro cúbico y un tiempo de confinamiento de energía de 200 milisegundos, según el IPP.

El 15 de febrero de 2023, después de una reforma que agregó refrigeración por agua a los componentes de pared y duplicó la potencia de calentamiento acoplable, sostuvo un plasma durante ocho minutos con un intercambio energético de 1,3 gigajulios y 2,7 MW medios de calentamiento: 17 veces el mejor valor anterior a la reforma, de 75 megajulios. El 22 de mayo de 2025, al cerrar la campaña OP 2.3, marcó un récord del producto triple sostenido durante 43 segundos, con unos 90 pellets de hidrógeno congelado inyectados por un dispositivo del Oak Ridge National Laboratory, temperaturas de hasta 30 millones de grados y una relación entre presión del plasma y presión magnética del 3 %; el intercambio energético subió a 1,8 gigajulios en 360 segundos.

El otro stellarator de referencia es el LHD (Large Helical Device), del Instituto Nacional de Ciencia de la Fusión (NIFS) de Japón, en Toki. Es un heliotrón: usa un par de bobinas helicoidales continuas en lugar de bobinas modulares, una arquitectura más antigua pero probada, con 3,9 m de radio mayor, 0,6 m de radio menor, 3 T de campo de diseño y 30 m³ de plasma, según el NIFS. Empezó sus experimentos con deuterio en marzo de 2017 y en esa primera campaña alcanzó una temperatura iónica de 10 keV asociada a una barrera de transporte interna.

La ventaja es clara: estado estacionario sin corriente que sostener y sin disrupciones que temer. El costo también: cada bobina es una pieza retorcida distinta de las demás, que hay que fabricar y ensamblar con tolerancias de milímetros en un volumen de varios metros. Durante décadas ese precio dejó al stellarator atrás del tokamak, más simple de construir y de modelar.

Lo que cambió el balance fue la optimización numérica, y las máquinas que la validaron. Ni el W7-X ni el LHD son candidatos a planta de potencia tal como están construidos: son experimentos de física de plasma —el W7-X ni siquiera usa combustible de deuterio-tritio— orientados a demostrar que un stellarator optimizado confina tan bien como un tokamak y lo sostiene por más tiempo. El paso siguiente que discute la comunidad es un stellarator que queme deuterio-tritio, con blindaje y extracción de calor, algo que hoy no existe a ninguna escala.