Cómo funciona un tokamak

A cien millones de grados la materia está ionizada: los núcleos y los electrones andan sueltos y responden a un campo magnético, que los obliga a girar alrededor de las líneas de campo en vez de cruzarlas. Ningún material aguanta ese contacto, así que el plasma se sostiene sin tocar la pared. Una línea recta pierde partículas por los extremos; una rosca, un toro, cierra el camino sobre sí mismo y no tiene extremos por donde escaparse.

Un toro solo no alcanza: el campo toroidal es más intenso del lado interno del anillo que del externo, y esa asimetría hace derivar las partículas hacia afuera. La solución del tokamak es superponer un segundo campo, poloidal, que envuelve al plasma en cada sección transversal; la suma de los dos da líneas de campo helicoidales que promedian la deriva y devuelven la partícula adentro. Y la sección casi nunca es un círculo: la mayoría de los tokamaks modernos la alargan y le dan forma de D, porque un plasma elongado y con triangularidad positiva tolera más presión y más corriente antes de volverse inestable.

El campo toroidal, el que corre a lo largo del anillo, lo generan bobinas en forma de D montadas alrededor de la cámara, cada una abrazando el toro como las costillas de un tonel. ITER lleva 18, y para llegar a 5,3 teslas sobre el eje del plasma hay que hacerlas superconductoras: sus conductores son de niobio-estaño (Nb₃Sn) enfriado con helio supercrítico a 4 kelvin, unos 269 grados bajo cero.

La forma de D no es estética. Una bobina circular tendría que resistir un momento flector enorme, porque el campo es más intenso del lado interno; el perfil en D acomoda la curvatura de modo que las fuerzas magnéticas trabajen sobre todo en tracción a lo largo del conductor. La alternativa moderna es subir el campo en vez del tamaño: SPARC, de Commonwealth Fusion Systems y el MIT, usa cinta superconductora de alta temperatura para conseguir campos más altos en una máquina más chica.

En el eje del toro, dentro del agujero de la rosca, hay una columna de bobinas: el solenoide central. Funciona como el primario de un transformador y el plasma como el secundario. Al variar la corriente del solenoide, el flujo magnético que atraviesa el anillo cambia y esa variación induce en el plasma una corriente de varios millones de amperes: 15 MA en ITER. Esa corriente hace dos cosas a la vez: genera el campo poloidal que cierra las líneas helicoidales, y calienta el plasma por efecto Joule.

De ahí viene la limitación más incómoda del diseño. Un transformador solo induce mientras el flujo cambia, y el solenoide tiene un recorrido finito: cuando se agota, la corriente de plasma decae y el pulso termina. Por eso un tokamak es intrínsecamente pulsado —ITER apunta a pulsos de unos 400 segundos— y por eso una central tendría que sostener buena parte de la corriente por vías no inductivas, con haces y ondas de radiofrecuencia, o aceptar operar por ciclos. Perder el control de esa corriente tiene un nombre: disrupción, un colapso en milisegundos que descarga toda la energía del plasma sobre la pared.

Alrededor del conjunto, en anillos horizontales de distinto radio y altura, van las bobinas poloidales. No confinan por sí solas: posicionan y modelan. Empujan el plasma hacia adentro o hacia afuera, lo estiran en vertical, le dan la triangularidad de la D y definen dónde queda el punto X, el punto de silla del campo donde las superficies magnéticas cerradas dejan de estarlo y las líneas se van hacia el divertor.

Un plasma elongado es más productivo y también más frágil: la propia elongación lo vuelve inestable en vertical, con tendencia a irse hacia arriba o hacia abajo en milisegundos. Se lo sostiene con control activo, bobinas rápidas que reaccionan a la posición medida y la corrigen muchas veces por segundo. La forma del plasma no es algo que se fija al construir la máquina: se rehace en cada disparo, y se sostiene mientras dura.

En el fondo de la D, abajo del punto X, está el divertor: la parte de la máquina que recibe a propósito lo que el plasma expulsa. Las líneas de campo abiertas que pasan por afuera de la última superficie cerrada terminan en sus placas, y con ellas llega el calor de escape y las cenizas de helio, el producto de la reacción, que hay que sacar antes de que diluya el combustible.

Es la superficie más castigada de un tokamak: el flujo térmico, de 10 a 20 MW/m², es diez veces el que soporta una nave al reentrar en la atmósfera, así que las placas se hacen de tungsteno, el metal de mayor punto de fusión, y van refrigeradas por agua. El WEST francés, en Cadarache, lleva años probando los componentes de tungsteno que usará ITER, y en febrero de 2025 sostuvo un plasma durante 1.337 segundos, poco más de 22 minutos, según el CEA. El MAST-U británico, en Culham, ensaya otra vía: un divertor Super-X que alarga el camino de las líneas de campo para repartir ese calor sobre más superficie.

Entre el plasma y la vasija va el manto, y su cara interna es la primera pared. La reacción deuterio-tritio libera el 80 % de su energía en neutrones de 14,1 MeV, que no ven el campo magnético y salen en línea recta: el manto los frena, se calienta y es ahí donde una central de fusión recogería el calor para hacer vapor. Blinda además a las bobinas superconductoras, que trabajan a 4 kelvin a poca distancia de un plasma a cien millones de grados.

El manto tiene un segundo trabajo, y es el que decide si la fusión escala: el tritio no existe en cantidad en la naturaleza, hay que fabricarlo. Un neutrón de la propia reacción absorbido en litio produce helio y tritio, así que un manto con litio puede regenerar el combustible que la máquina consume. Ningún dispositivo lo hizo todavía en régimen: el manto de ITER es de blindaje, y la regeneración se va a ensayar en módulos de prueba instalados en dos puertos ecuatoriales.

La corriente inducida calienta el plasma al principio, pero pierde eficacia justo cuando hace falta: cuanto más caliente está, menos resistencia ofrece. El resto lo aportan dos familias de sistemas. Los inyectores de haces neutros disparan átomos acelerados que entran sin desviarse por el campo, se ionizan adentro y ceden su energía por colisiones. Y las antenas de radiofrecuencia depositan potencia en las frecuencias propias del plasma: la ciclotrónica iónica (ICRH) sobre los núcleos, la ciclotrónica electrónica (ECRH) sobre los electrones, esta última tan enfocable que sirve además para apagar inestabilidades en un punto concreto.

Cuánto rinde todo eso se mide con dos números. El producto triple del criterio de Lawson combina densidad, temperatura y tiempo de confinamiento de la energía (n·T·τE) y tiene que superar un umbral para que el calentamiento de las partículas alfa producidas en la fusión reemplace al externo. Y la Q es la relación entre la potencia de fusión liberada y la potencia externa inyectada en el plasma: Q = 1 es el equilibrio científico. El récord de potencia de fusión en un tokamak sigue siendo el del JET en 1997, 16 MW de fusión con 24 MW de calentamiento, Q ≈ 0,67.

Todo el conjunto vive dentro del criostato, la envolvente al vacío que aísla térmicamente los imanes fríos del mundo a temperatura ambiente. Y hasta hoy ninguna de estas máquinas se construyó para vender electricidad: son experimentos de física de plasma. En sus disparos finales, el 3 de octubre de 2023, el JET liberó 69 megajulios de energía de fusión en un pulso de cinco segundos a partir de apenas 0,2 miligramos de combustible, el récord de energía por pulso de un tokamak según anunció EUROfusion en febrero de 2024.

ITER, en construcción en Cadarache, es el primer salto de escala: 500 MW de potencia de fusión con apenas 50 MW de calentamiento externo, Q ≥ 10, sostenidos durante unos 400 segundos. Según la línea de base que endosó el Consejo de ITER en 2024, el arranque de la operación científica está previsto para 2034 —con la máquina ya equipada— y el inicio de la fase deuterio-tritio para 2039. El paso siguiente que discute la comunidad europea es DEMO, una máquina que además de quemar tenga que regenerar su tritio y entregar electricidad a la red; todavía no existe en ninguna escala.