Tokamak es uno de los modelos de prototipo de reactor de fusión nuclear. La fusión de algunos núcleos ligeros en uno de mayor masa desprende una gran energía. La de las estrellas se produce así; en una como el Sol se trata sobre todo de la fusión de núcleos de hidrógeno (un núcleo de hidrógeno no es más que un protón).
Estructura Tokamak
Pero es mayor el rendimiento de la fusión de los núcleos de dos de sus isótopos, el deuterio (un protón y un neutrón) y el tritio (un protón y dos neutrones).
No es difícil sacar deuterio del agua natural: uno de cada 6.700 hidrógenos es deuterio. El tritio, radiactivo, puede extraerse del litio metálico (y un reactor en funcionamiento podría regenerar su tritio).
La fácil obtención del deuterio y el tritio y la eficacia de su fusión hacen que sean los núcleos elegidos para alimentar las futuras reacciones de fusión nuclear y los prototipos experimentales actuales. Desde principios de los años cincuenta se persigue la construcción de un reactor de fusión, es decir, de un minisol controlado que quepa en una central y sea explotable económicamente.
La gravedad desencadena la fusión en las estrellas gracias a su masa enorme. A falta de esos volúmenes de materia, para que en la Tierra se ponga en marcha una fusión no explosiva que luego se mantenga a sí misma hay que encender un plasma (un gas donde están separados los núcleos y los electrones de los átomos) mediante alguna forma externa de energía a una temperatura altísima; en el caso del deuterio y del tritio es de más de cien millones de grados kelvin, mucho mayor que la del centro del Sol.
El problema es mantener una temperatura tan grande una vez conseguida: la radiación, la convección, la conducción la rebajan casi instantáneamente. Un primer objetivo es conseguir un prototipo que produzca tanta energía como la que recibe para que pueda darse la fusión. Se llama Q al cociente de ambas energías; el objetivo, pues, es que Q = 1, pero un reactor comercial necesita mucho más. La fusión del deuterio y del tritio crea partículas alfa (núcleos de helio) y neutrones.
Diagrama del Tokamak
Éstos escapan del plasma con la mayor parte de la energía de la fusión; esa parte es la que aprovecharía un reactor comercial para producir electricidad.
Las partículas alfa se quedan dentro del plasma y con la parte de energía de la fusión que retienen lo calientan. En un reactor comercial ese calentamiento tendría que bastar para mantener la fusión, y se desconectaría la fuente externa de energía que calienta el plasma, es decir, Q sería infinito.
Ese es el objetivo final de la investigación de la fusión nuclear controlada.El tokamak es uno de los modelos de reactor que se ensayan; de momento, los mejores resultados se han conseguido con él. Un reactor de fusión puede basarse en uno de dos principios: la fusión por confinamiento inercial (se comprime el plasma con impulsos de energía o haces de partículas para que adquiera la temperatura de ignición) y la fusión por confinamiento magnético.
El tokamak es de esta segunda clase. Es una cámara de vacío con forma de toro, de rosquilla. Unos imanes que abrazan la rosquilla crean un campo magnético toroidal ceñido a su eje que mantiene el plasma apartado de las paredes de la cámara. Otro grupo de electroimanes, en realidad el secundario de un transformador, situado en el hueco de la rosquilla, induce en el plasma, en la dirección del toro, la corriente que lo calienta y que genera a su vez un campo helicoidal que impide que las partículas salgan de la zona donde han de quedar encerradas.
Y unos conductores externos, que circundan por arriba y abajo el toro, generan un campo magnético vertical que impide que el plasma se mueva hacia arriba o hacia abajo.El tokamak fue ideado a principios de los años cincuenta por los físicos soviéticos Andrei Sajarov (muy conocido después como disidente político) e Igor Tamm.
Reactor Tokamak
La palabra «tokamak» procede de cómo se dice en ruso «cámara magnética toroidal». En 1969, el grupo de Lev A. Artsimovich, del Instituto de Energía Atómica de Moscú, elevó la temperatura y la aguantó lo suficiente con su tokamak T-3 (que empezó a desarrollarse en 1962) para que cundiera el interés por este tipo de aparato en Europa, Japón y Estados Unidos. Desde entonces se han construido muchos tokamak, como el Toro Europeo Conjunto (JET), el JT-60 japonés o los TFTR y DIII-D estadounidenses. A principios de los años noventa, el JET y el TFTR consiguieron por fin mantener la fusión el tiempo suficiente para conseguir cantidades apreciables de energía, pero siempre menores que la suministrada desde fuera al plasma.