Este documento resume la historia y el estado actual de los reactores de fusión nuclear. En 3 oraciones: 1) Los reactores de fusión por confinamiento magnético han mostrado un progreso técnico notable en las últimas décadas y experimentos recientes apuntan a su viabilidad científica, aunque aún quedan desafíos por resolver. 2) La investigación sobre fusión ha estado influenciada por consideraciones técnicas e institucionales, y la determinación de estrategias se ha desplazado hacia niveles más altos de gobiernos

1. bllc-
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PASADO, PRESENTE Y FUTURO
DE LOS REACTORES DE FUSION
mñcos íosnum F.
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1°
13
Trabajo solicitado por la Academia
Mexicana de Ingeniería.

2. 19 pesar de que es bien reconocido que
el uso de combustibles fósiles exacerbo lo
polución y lo lluvia ácido e incremento el riesgo
del efecto de invernadero al adicionar CO 2 o
lo atmósfera, el hecho es que cerco del 90%
de los necesidades energéticas mundiales son
suministrados en la actualidad por combustibles
fósiles.
191 retroceder una y otro crísis energético,
volvemos o sentirnos seducidos por suministros
de petróleo o carbón razonablemente estables
y fáciles incrementos en eficiencia, olvidándonos
que cambios importantes en sistemas energéti-
cos - y cambios importantes son los que tendrán
que darse - requieren de compromisos in-
equívocos de décadas por parte de las au-
toridades políticos, los sectores industriales y
de todos nosotros. Uno político energética
sensible y global, requiere fundamentarse en
estrategias o largo plazo. Estas estrategias
deben situarse en el contexto de los siguientes
tres imperativos: vitalidad económica, calidad
del medio ambiente y seguridad estratégico.
Si bien es cierto que algunas opciones ener-
géticas, particularmente aquellas que mejoran
lo eficiencia de producción y del uso de lo e-
nergía, pueden contribuir a/logro de estos tres
objetivos, la humanidad se verá mejor servida
silo producción energético en el siglo próximo
hace uso de métodos ambienta!mente atractivos
que no involucren la combustión de materiales
fósiles.
La codo vez mayor preocupación por el
medio ambiente ha motivado el desarrollo ace-
lerado de algunas nuevas tecnologías, toles
como quemadores con lecho fluidizados, carbón
gasificado, convertidores catalíticos y combusti -
bles alternos para el transporte como el metanol
y el gas natural comprimido. Uno variedad
de desarrollos tecnológicos han incrementado
notablemente lo eficiencia energética en la ilu-
minación, utensilios domésticos y edificios.
fo hay dudo que la regulación ambiental
más rígido del aire, aguo, desechos radiactivos,
minería de superficie, exploración petrolífero y
otros aspectos Incidirán en lo evolución de lo
oferto y demando de tecnologías energéticos
en las próximos décadas.
Lo innovación tecnológico siempre ha sido
una piedra angular poro cualquier estrategia
asociada con aspectos de política energético
o largo plazo. Sin embargo, dado que el
tiempo requerido para desarrollar e implementar
nuevas tecnologías energéticas o gran escalo
es del orden de décadas, resulta evidente lo
urgencia de acelerar el desarrollo de fuentes
alternas de energía.
Entre los tecnologías alternas que han a!-
canzado un interés conspicuo en lo presente
década, se encuentro lo fusión nuclear.
Los reactores de fusión por confinamiento
magnético del tipo tokomak han mostrado un
progreso tecnológico notable en ¡os últimos diez
aPios. Estos avances, aunados a los experi-
mentos con O - T iniciados en JET (Joint Euro-
pean Torus) en ñbingdon, Inglaterra en noviem-
bre de 1991 así como otros semejantes en los E.
U. y Japón apuntan hacia lo viabilidad científico
de generación de energía por fusión controlado.
Tan es así, que se ha implementado una es-
trategia, coordinada internacionalmente, para el
desarrollo de reactores de fusión nuclear con el
propósito de atacar frontolmente aquellos as-
pectos científicos y tecnológicos remanentes que
determinarán su futuro factibilidad económico.
!lun que lo formo o formas finales de esta
nueva fuente aún no han sido del todo fi-
jados, y serán determinadas en las próximas
décadas tonto por resultados científicos como
por políticas gubernamentales, es razonable
predecir que los plantas de potencia por fusión
nuclear serán uno o dos órdenes de magnitud
más complejas aún que las plantas de fisión nu-

3. cleor actualmente comercializadas o de diseño
más avanzado, y tomorán lo formo de plantas
gigantescos generando miles de megawotts, o
de instalo clones modestos generando cientos
de megowatts.
L FISDO
Lo historio de lo fusión por confinamiento
magnético ho sido poro los físicos lo que la
guerra contra el cáncer es poro las ciencias
biomédicas: Lleno de buenas intenciones y
de promesas, pero o veces también lleno de
grandes desilusiones. En ocasiones parecía
que un reactor operacional se encontraba a lo
vuelto de la siguiente esquina teórica; en otras
ocasiones parecía que la fusión permanecería
por siempre como una Imposibilidad práctico ;
frecuentemente (según el año) parecía a una
distancio de veinte años en el camino.
fun que lo literatura de relaciones públicas
de lo fusión hace aparecer a codo etapa
sucesivo del programa como una consecuen-
cia lógico de los desarrollos técnicos que la
han precedido, es bien sabido que las direc-
trices tomadas por los grandes proyectos de
investigación cienti fico y tecnológica durante
las últimas décadas, han sido fuertemente in-
fluenciadas por presiones extra-científicas.
De hecho las decisiones fundamentales en
investigación sobre fusión nuclear han emergido
siempre de una combinación de consideraciones
de orden técnico, institucional y político.
Se han requerido resoluciones para aspec-
tos tales como qué aparato construir, qué ex-
perimentos realizar en él, qué proyectos apoyar
y qué proyectos cancelar; cuánta latitud dar a
los científicos para desviarse de la investigación
aplicada hacia lo investigación básica y cómo
dividir los recursos entre investigación sobre los
problemas de ingeniería y los de física de los
reactores de fusión. Las decisiones tomadas
sobre estos aspectos y otros similares deter-
minarán Indudablemente lo conformación de la
tecnología que emergerá.
Colectivamente, estos decisiones constitu-
yen la estrategia de los programas de fusión
de los diversos paises involucrados seriamente
en esta actividad. Si bien es cierto que esto
estrategia ha cambiado significativamente en
los pasados 30 años, ésta siempre ha sido
alimentada por lo doble raíz de determinantes
técnicas y externas.
El analizar lo historia de los programas de
fusión resaltando esta característica de la inter-
relación entre lo ciencia y la política, deberá,
a fortiori, ser un obligado paso inicial para
paises como el nuestro, si es que pretendemos
seriamente incursionar -en un papel más allá de
observadores o receptores- en las actividades
asociadas con esta nueva fuente de energía.
Como en toda empresa científico-tecnológi-
ca de alto costo, la determinaci6n de las direc-
trices de investigación se ha desplazado conti-
nuamente hacia los niveles cada vez más altos
de la jerarquía de los programas.
Hace cuarenta años, cuando aún no existía
esta jerarquía, los actores efectivos fueron los
científicos- -inventores quienes crearon o pro-
movieron las ideas iniciales sobre reactores de
fusión.
En E. U. en 1953 fue lo I9EC quien financió el
programa y determinó su expansión. El dinero
fluyó y equipos de trabajo en fusión, dedicados
de tiempo completo, fueron creados en diversos
laboratorios nacionales, académicos e inclusive
industriales.
El grupo de toma decisiones creció ha-
cia los laboratorios en donde se ralizaba el
trabajo y se adicionaron a los fundadores
otros inventores de nuevas Ideas sobre re-

4. actores de fusión conformados por un cuadro
de científicos maduros y un pequeño grupo de
administradores cuya formación era científico
pero que no estaban activos en la investigacón
sobre fusión.
Por encima de los equipos de trabajo en
los laboratorios había estratos adicionales: el
consejo coordinador, los administradores guber-
namentales y, por algún tiempo, la fEC. Sin
embargo, y a pesar de esta superestructura,
lo determinación de estrategias permaneció, en
una magnitud sorprendente, en manos de los
líderes científicos de los laboratorios. liabía
razones científfcos y administrativas para esa
situación: científicamente, el estado de la inves-
tigación sobre el plasmo era tan rudimentario
a principios de la década de los 50. que Im-
posibilitaba un concenso entre los diversos la-
boratorios. La teoría era insipiente. La mayor
parte de las técnicas de diagnóstico de plas-
mas calientes apenas se estaban generando
y, dado el vasto rango de parámetros que
un plasmo puede asumir, cada equipo experi-
mentaba en regiones diferentes del estado del
plasmo.
La centralización gubernamental progresiva
empezó en 1966, poniendose en manos de un
nuevo comité las decisiones fundamentales del
programa. Este comité estaba conformado
por partes iguales de jefes de proyecto de los
laboratorios y físicos externos de renombre. El
segundo gran paso en la dirección opuesta o Ja
autonomía de los laboratorios se dió al trans-
ferirse cada vez más la función de formulación
de estrategias a las oficinas gubernamentales.
Este proceso culminó en 1977 cuando el De-
partamento de Energía (DOE) asumió muchos
de los programas que habían residido, primero
en la ÍIEC y posteriormente en lo fugaz ñd-
ministracián de Investigación y Desarrollo en
Energía.
Una restricción a los estrategas la cons-
tituyó la necesidad de las Instituciones que
crecieron para formar la infraestructura del pro-
grama de fusión: Los ¡lIamos, Princeton y Li-
yermare, cada una de las cuales originalmente
con formó un pequeño grupo de investigadores
alrededor de una concepción de reactor. Des-
pués de la expansión mandatada en 1953, los
yo agrandados equipos de trabajo de Prince-
tan, Livermore y Las ¡liamos, asumieran el rol
adicional de grupos de interés. En 1957 el
grupo Termonuclear de Oak flidge dejó de ser
un esfuerzo suplementario para convertirse en
el cuarto gran proyecto del programa. ¡En la
segunda parte de lo década de los cincuentas
había más dinero disponible para investigación
en fusión del que podía razonablemente ab-
sorbe rse!. Los equipos de trabajo de los
4 laboratorIos antes mencionados se sentían
vinculados .por la lealtad a un concepto de
máquina, el desdén o otros conceptos alter-
nos y la competencia por la gloria de ser los
primeros.
Los recursos financieros se contrajeron brus-
camente en los años 60, y la competencia por el
dinero se volvió un modus vivendi. Los líderes
de proyectos no pudieron ignorar más los po-
tenciales impactos institucionales de decisiones
criVcas. Lucharon por promover conceptos
de reactores y experimentos en los que creían
fervientemente y para mantener, como recursos
valiosos para lo totalidad de la empresa de
fusión, las capacidades científicas y de inge-
niería de sus grupos, y aún para preservar
empleos y asegurar la superviviencia de los
mismos.
La camisa de fuerza económica empezó a
aflojar a principios de la década de ¡os setentas
y se disolvió totalmente en los siguientes años;
las aportaciones al programa se dispararon de
33 millones de dólares en 1971 o cerca de
$300 millones en 7977 Pero el costo de los
experimentos también se había incrementado y
la batallo inter-laboratorios por fondos persistió.

5. Durante la primero época de ¡o historio
de lo fusión (1957-1955), ¡as universidades y
las sociedades científfcos tuvieron uno anor-
mal y extremadamente peque?ía influencia en
el programo, dado su secrecía. Sin embargo,
después de lo declasificación en 7955, estas
instituciones tuvieron un papel preponderante
en elevar el nivel de la calidad de la investí-
gación. Otro grupo que empezó a participar
en el proceso fue la subdisciplina de la inge-
niería nuclear. lnicialm ente, en los aios sesen-
tas, de manero puntual, y después en cada
vez mayores números los ingenieros nucleares
fueron requeridos para aplicar sus perspectivas
especiales al temo de los reactores de fusión.
El resultado de esto participación fue el
iluminar o los estrategas sobre un conjunto de
problemas que hasta entonces sólo habían sido
considerados de manera superficial.
Lo oficina gubernamental, con funciones de
articulación del programa, contaba en 1972
con sólo nueve empleados y para 1975 su
número ascendió a 74, de los cuales 50 eran
científicos e ingenieros. La función de este
grupo fue más allá de centralizar la tomo de
decisiones. Trató de vencer el porro qu!alismo
de los laboratorios y de forjar un esp frito de
lealtad su pro-institucional hacia el objetivo de
la tecnología de la fusión por contenimiento
magnético. Esto oficina también logró traer al
programa administradores expertos con la ha-
bilidad de turnar las circunstancias políticas en
incrementos al financiamiento del programa; con
capacidad de planeo ción y preocupación por
resultados técnicos prácticos, y con habilidad
para enfatizar el alcance de metas fácilmente
entendibles por los políticos y para el público
en general.
Una característica peculiar de la historio
del programa de fusión ha sido el que las de-
mandas políticas y sociales hechas sobre éste
tanto por los científicos como por los líderes
gubernamentales han cambiado continuamente
como consecuencia de las extremas dificultades
ténicas de lo fusión controlado y el hecho con-
secuente de que el programa se haya alargado
por décadas.
Como es de suponerse, la crisis energética
tuvo un impacto crucial en el programa de
fusión. Si bien es cierto que desde 7951 había
yo gente preocupada con el hecho que algún
día se acabarían los combustibles fósiles, el
tipo de preocupaciones y acciones que se tra-
ducen en presiones políticas sólo aparecieron
en la década de los setentas. La creciente
conciencia de la degradación ambiental como
un aspecto político, que culminá cerco de 1970,
también fue importante. Las objeciones de
los ambíentalistas no sólo se enfocaron contra
los reactores de fisión moderados con agua
ligera (el concepto más universalmente comer-
cializado) sino que también contra el programa
de reactores de cría.
flsí pues, ante su oposíción a los reac-
tares de cría, los ambientalistas se volvieron
hacia la fusión. Los mismos ejecutivos de la
industria eléctrica al sensibilizarse por la de-
silusión pública con la fisión nuclear, también
empezaron a apoyar más a la fusión.
La primera fase cientilica del programa de
fusión fue de cálculos teóricos que mostraron
que el combustible necesitaría mantenerse arri-
ba de una temperatura de 50 x 10°C o fin
de permitir una ganancia energética. 19 es-
tas temperaturas el combustible estaría total-
mente ionizado. Fue fácil mostrar que este
plasmo caliente debería aislarse de las pare-
des relativamente frías (- 10000C) de la cámara
de confinamiento y que este esquema debería
acoplarse o un mecanismo para calentar al
plasmo hasta la temperatura requerida.
Los cálculos debían ser verificados con ex-

6. perimenlos. La suposiCíón que el plasmo podía
ser frotado como uno colección de partículas
individuales era uno mero hipótesis de fra-
bojo. Los datos empfricos relevantes eran
virtualmente inexistentes ya que plasmas o las
temperaturas requeridas nunca habían sido es-
tudiados en el laboratorio, y extrapolaciones
de resultados con datos conocidos de plasmas
fríos y ligeramente ionizados eran ríes gozas.
Lo subsecuente fase experimental se carac-
terizó por tareas técnicas formidablemente com-
plicadas. Se tuvieron que construir aparatos
altamente complejos para producir el plasmo
utilizando electroimanes con geometrías tortuo-
sas soportados contra sus propias tensiones
mecánicas. Resultados cualitativos mostraron
que codo uno de las tres configuraciones mag-
néticas iniciales -el este/era dar de lrinceton, la
de constricción magnético de Los fiamos y la
de espejo magnético en Livermore - presenta-
ban un cierto grado de confinamiento. Se
generaron ideas paro lograr mejoras, así como
otros conceptos nuevos de confinamiento.
fl nivel cuantitativo, sin embargo, las propie-
dades del plasmo no estaban bien entendidos.
ñsí pues, al mismo tiempo que había que in-
ventar los métodos de confinamiento y de ca-
lentamiento, los científicos de lo fusión también
tenían que inventar un número de instrumentos
de diagnóstico del plasmo por medio de medi-
ciones de su temperatura, densidad y otros
parámetros. más aún, el comportamiento de
los plasmas se veía enmascarado por una va-
riedad de impurezas emanadas de las paredes
del contenedor. Se requería un nivel más alto
de sofisticación en la tecnología de vacío.
Confrontados con ¡as incertidumbres de la
teoría simplista de partícula independiente y las
debidas al comportamiento de los dispositivos
existentes, los científicos tuvieron dos alternati-
VOS: rodían laboriosamente generar una base
sólido científica y tecnológico antes de volcarse
a crear uno tecnología operacional o, mediante
el método empírico de prueba y error, podían
Inventor su comino hacia un reactor.
De hecho fueron una serie de factores lo
que influenciaron ¡o decisión: 1) El estado de
ánimo, común entre los físicos de lo época de
lo posguerra, de gran entusiasmo acerca de
sus capacidades poro resolver problemas, y lo
mismo secrecía inicial del programa que impidió
hacerse una imá gen realista del estado del arte
en fusión alcanzado a nivel mundial; 2) Había
una profusión de ideas, aunque de calidad
variable, y una amplio dotación de fondos para
convertirlos en "chunches" operacionales. 3) Lo
presión gubernamental por mostrar resultados
rápidas; 4) Lo competitividad, tanto entre
los laboratorios o nivel nacional como a nivel
internacional.
Como consecuencia, los cientificos optaron
por el optimismo. Cualesquiera que pudieran
haber sido ¡os diferencias entre estrategias
particulares entre los laboratorios, y éstos eran
grandes, lo estrategia envolvente se basó en
la creencia que el problema de la fusión con-
trolado podría resolverse por medio de presión
tecnológica a corto plazo, al igual que se vió
el problema de ¡a fusión no controlada.
fI principio la ruto seleccionado pareció
justificarse. Hacia fines de 1957 algunas
de las máquinas de constricción magnético, en
particular el ZETI9 Finch británico, parecieron
haber alcanzado condiciones para el plasmo
que permitirían su escalamiento para construir
reactores.
El o?io de 1955 fue un ono de trauma para
este estado de cosos. El éxito del ZETII
f'inch y sus familiares resultó ser una mero
ilusión, producto de insuficiente y cuidadoso
experimentación. Los programas de fusión
fueron declasificodos y lo caída de las paredes
de la secrecía revelaron el hecho de que el

7. enorme y competente programa soviético no
había avanzado más que el norteamericano y
el británico. El problema de los Impurezas
lentamente fue controlado y fue posible ver
que al plasmo estaba mucho menos confinado
de lo que se creía.
Psún durante lo "Era del Optimismo", ya
había habido una alarma. En 1954 Edword
Teller había dado argumentos cualitativos que
indicaban que el modelo de partícula inde-
pendiente era demasiado sencillo. En una
teoría más adecuado, el plasmo debería verse
como un fluído ideal, si bien un fluído cuyas
propiedades se complicaban enormemente por
su habilidad de generar y responder a cam-
pos eléctricos y magnéticos. Siguieran dos
conclusiones preocupantes:
flinguno de las configuraciones magnéticas
hasta entonces inventadas funcionaría por-
que un plasmo, concebido como un fluído,
sería inestable en cada una de ellas.
La base teórica de la física de plasmas era
bastante más esquemática de lo hasta en-
tonces supuesto, porque se conocía mucho
menos sobre magnetohidrodinámica que so-
bre el movimiento de partkulas individuales
con cargo eléctrica.
El problema planteado por Teller fue ofron-
todo, sin embargo. Los grupos de constricción
y estelarador modificaron sus configuraciones
magnéticos. El equipo del espejo magnético
tenía rozones para juzgar que la ÍflHD no ero
relevante o su concepto. ñl mismo tiempo
los teóricos del proyecto se dedicaron y re-
solvieron en bueno parte la teoría de lo mag-
netohidrodinámico.
Después de 1955, sin embargo, se des-
cubrió que los plasmas se comportaban de
uno manero que ni las teorías con piejas de la
ml-ID podían describir. Lo que hacía serio
o este problema no era sólo el hecho que el
plasmo ero inaccesible a los métodos teóricos
disponibles, sino que el comportamiento mismo
del plasmo ero malo.
Peque?íos perturbaciones locales se incre-
mentaban como resultado de lo que se conoció
como microinesta bilídades poro distinguirlas de
las inestabilidades que podían ser trotadas
por lo teoría de lo ml-ID. Las microinestabi-
¡ida des depositaban partículas del plasmo en
¡as paredes, impidiendo que las densidades
llegaran o los niveles requeridos y limitando lo
aplicabilidad de los métodos de calentamiento
diseñados. Para mayores males, se encontró
que aún los plasmas en espejos magnéticos
podían ser magnetohidrodinómicamente inesta-
bles.
Los efectos del trauma de 1956 y el sub-
secuente descubrimiento de las microinestabili-
dades se reforzaron con el incremento de los
estandares profesionales que siguieron o la
declosificación. Lo consecuencia fue un lla-
mado paro un mayor reconocimiento de que lo
física, más que lo tecnología, ero la avenida al
éxito. Los científicos de lo fusión se volvieron
hacia lo investigación teórico y experimental del
fenómeno de la inestabilidad.
En los E. U., la ciencia y la político se
combinaron paro poner fin o la segundo época
de lo historio de lo fusión, cerco de 1965. El
tokomok, una variante del concepto de cons-
tricción, que los soviéticos habían estado per-
feccionando desde mediados de lo década de
los cincuentas, asumió lo prominencia en ese
año. Los soviéticos habían llevado al toka-
mak a un punto en que parecía casi libre de
las inestabilidades. También habían logrado
que este dispositivo pudiera sostener tempe-
raturas bastante altas. El tokamak era menos
adecuado que el estelerodor como un aparato
experimental paro elucidar el comportamiento
del plasmo. Pero el plasmo en el tokamak se

8. acercaba más o/ plasmo de un reactor y ern
consecuentemente un objeto más interesante de
estudio. ñdemás, habiéndolo hecho tan bien,
se esperaba que se le podría mejorar aún
más, independientemente de lograrse entender
su fundamentación teórica. t9sí fue como en
1969 el tokamak fue Introducido al programo
norteamericano, siendo este acto la terminación
de factor del estelerador.
1-lacia 1970 la administración del programa
en E. U. estaba convencida de que la fusión
magnética había finalmente encontrado en el
tokamak un esquema que ciertamente podría
con vertirse en un reactor. Se decidió que era
tiempo de reorientar al programo, de su moda-
lidad de investigación básica, a una modalidad
en la cual una serie de etapas ordenadas
podría conducir al producto práctico final.
Había varias componentes a esta estrate-
gia. Una de ellas era la formulación de
planes a largo plazo. Hasta entonces, la
única meto articulada del programa había sido
la demostración de viabilidad científica, es
decir que los parámetros del plasmo tales
como densidad, temperatura y tiempo de con-
finamiento pudiesen llevarse o los valores ca-
racterísticos de un plasma en un reactor opera-
cional. La administración del programa empujó
a los líderes de los proyectos a planear hasta
la etapa de construcción de un reactor de de-
mostración. Se programaron pasos rápidos
para cada una de las etapas y se proyectó
la primera planta de demostración para el a?ío
2000. Se demandó más atención hacia el
desarrollo de los componentes tecnológicos del
reactor, y se insistió igualmente que el peque?ío
apoyo en investigación en plasmas se ope-
gara más rígidamente a las necesidades de
las grandes máquinas que formarían la columna
vertebral del pro9rama.
Otro elemento de la estrategia fue la de
elevar, la factibilidad de ingeniería hasta el
nivel de piedra de toque paro juzgar cuáles
de los principales conceptos deberían retenerse
y cuáles deberían descartarse. Se adelgazó
el programa a unos cuantos conceptos: el
tokamak por un lado, y uno o dos competidores
prácticos y vigorosos por el otro.
flI inducir los administradores a la comu-
nidad de fusión a alterar su meto de de-
mostración de viabilidad científica, se dió un
cambio importante. Hasta entonces el expe-
rimento de factibilidad se había planeado con
deuterio como combustible a fin de evitar la
complejidad de trabajar con aparatos radiac-
tivos. El cambio de directriz significó persuadir
a los científicos a introducir en el experimento -
el llamado fleactor de Fusión de Frueba Toka-
mak (TFT,9) - la capacidad de operar con un
plasmo de deuterio-tritio.
Esto permitiría una mayor cantidad de in-
vestigación sobre tecnología de reactores y
forzaría a los físicos a concentrarse en estu-
dios del quemado de plasmas como los que se
encontrarían en los reactores de verdad. fo
menos importante era que el TFTI9 de deuterio
y tritio podría ser políticamente más persuasivo
porque produciría potencia medible. Estos
factores políticos eran importantes para los ad-
ministradores porque estaban convencidos que
un presupuesto adecuado - de $100 millones
de dólares en vez de la décima parte - era
indispensable para la energía por fusión. Fi-
nanciamientos de estas órdenes de magnitud se
hicieron posibles a principios de los setentas,
gracias a lo conjunción de los éxitos científicos
del programa y el ascenso de los aspectos
ambientales y energéticos.
Los administradores creían que los líderes
en fusión podían ofrecer a los políticos un
quid pro quo; tenían que formular y lograr
metas básicos concretas en el camino hacia
el objetivo de un reactor, del tipo que serían
comprensibles para los políticos como oigo que

9. constituía progreso.
Sin embargo, punlos significativos de de-
sarrollo toles como mejores parámetros del
p/asma pueden Iograrse por diversos cominos.
Uno de ellos es por medio de la construcción de
aparatos dise fiados sobre la base de uno firme
comprensión de los fenómenos físicos. En los
setentas, ese era aún el método lento, a pesar
de los esfuerzos de hombres y mujeres compe-
ten tes, para dominar los complejos fenómenos
involucrados, la teoría del plasmo había lo-
grado apenas una limitada capacidad para
guiar la investigación en energía por fusión.
Otro método, o veces más rápido, es el de la
fuerza bruta. En algunos máquinas, y el toko-
mak es uno de ellos, se pueden lograr mejores
plosmas simplemente incrementando el tamo fo
del modelo. La presión paro lograr desorro-
¡los significativos dentro de un límite de tiempo
puede conducir a la presión por incrementar el
tamafio de los experimentos.
Hoy un círcu!o vicioso en esto situación.
Los grandes experimentos son costosos y alta-
mente visibles. Lo visibilidad a su vez genero
aún más presión poro producir los parámetros
prometidos. ñsí pues las grandes máquinas
tienden o exprimir a lo investigación básica que
pudiera haber ofrecido alguna otro dirección al-
terno más baroto. En primer lugar, los grandes
experimentos tienden o consumir recursos de los
proyectos más pequefios, los cuales son sacrifi-
cados para garantizar que el gran proyecto no
folle. Segundo, lo mismo máquina grande está
muy rígidamente programada hacia su meto y
es demasiado importante poro desviarlo ha-
cia lo investigación fundamental. El problema
de las grandes msquinas había confrontado al
programo desde fines de los sesentas ; con el
nuevo énfasis de los administradores guberna-
mentales puesto en desarrollos significativos y
con el compromiso hacia el TFTfl, este pro-
blema se volvió central.
Uno segundo dificultad de eso estrategia
estaba en el potencial de sus elementos de
competir entre sí mismos. Poro empezar, no
había seguridad o priori de que ¡a prominencia
dado al concepto del tokomok era compatible
con el uso de la factibilidad de ingeniería como
criterio esencial. Los administradores habían
fincado su fé en lo capacidad del tokamak
para servir como reactor aún antes de que
los estudios de ingeniería se hubieran com-
pletado. Segundo, ¡a estrategia había sido
formulado para promover a los reactores de
fusión como uno fuente de energía, pero el
presupuesto necesario para llevar esto a cabo
ero tan grande que hacía inevitable lo revisión
de estos planes estratégicos o niveles más al-
tos, por administradores sin ningún compromiso
previo con la energía por fusión. Con el objeto
de asegurar un lugar a lo fusión en /o economía
energético, se decidió que un reactor de de-
mostración debería estar operando a principios
del siglo XXI.
Esto era importante políticamente porque
ero difícil conseguir que los congresistas, cuyas
vidas políticas se extienden sólo por una cuan-
tas décadas en el mejor de los casos, finan-
ciaran un proyecto cuyos réditos serían visibles
mucho después que hubiesen dejado sus car-
gos.
Esto ero también importante a la luz de lo
rivalidad de la fusión con las reactores de crío,
yo que uno economía de estas bien establecido
podría dilatar la necesidad de ¡o fusión.
Paro 7976 empezaron a generarse los re-
sultados de ingeniería requeridos y resultó claro
que había obstáculos tecnológicos formidables
paro el éxito del tokamak. Como consecuencia
de esto, la agenda fue drásticamente cambia-
da y la supremacía del tokamak fue puesto en
duda. Se p!anteó un nuevo plan que establecía
una planta de demostración paro 2075 y la total
comercialización para 2050, con la idea de que

10. estos tiempos más relajados darían oportunidad
para explorar esquemas de confinamiento alter-
nos con posibles mejores propiedades desde
el punto de visto de ingeniería que el tokamak.
EL PflESEflTE
i9eactor de Fusión Tipo Tokomak
Dise?ios conceptuales de dos reactores to-
komok (ITEi9 y 19flIES-1) se muestran en los
figuras 1 y 2.
El contenimiento del plasmo se logro por
medio de dos campos magnéticos: uno toroidol
gen erodo por cables superconductores enro-
llados alrededor del toro con uno intensidad
de campo típicamente del orden de 5-10 T,
y un campo magnético poloida!, cuyos líneos
de fuerza envuelven al toro en la dirección
del rodio menor, producido por una corriente
eléctrica (típicamente de 15-25 fl) que fluye
dentro del plasmo así como por cables en-
roscados en la dirección taroidal y distribuidos
alrededor de la periferie del plasmo. Un ca-
ble solenoidol en el agujero del taro funciono
como un transformador que induce la corriente
toroidal en el plasmo. Esta corriente es un
elemento crucial en lo topología magnética total
y además sirve para proveer de calentamiento
ohmico al plasmo hasta temperaturas de los
electrones del orden de 2 - 3 keV. ñrriba
de esta temperatura la resistividad del plasmo
(que varía como T 312 ) se vuelve demasiado
pequeno poro soportar un calentamiento ohmico
significativo.
Lo combinación de los campos magnéticos
toroidal y poloidal resultan en uno geometría
magnética como lo mostrada en lo Figura 3,
con lo estructuro helicoidal característica que
favorece la estabilidad y el confinamiento de
plasmas en takamoks.
El radio mayor R de un plasmo en un
reactor tokamak es típicamente de 6 - 7 metros,
en tanto que el radio menor en lo dirección
horizontal está en el rango de 1.5 - 20 metros.
En los disePios más modernos un corte
transversal del plasmo tiene la forma de uno
0, con uno excentricidad ,c = b/a 2, como se
ve en la Figuro 4.
Esta forma elon goda y o veces casi trian-
gu!ar de lo sección del plasmo permite lo op-
timización del confinamiento energético y cons-
tituye uno de los grandes logros de la investi -
gación en fusión nuclear en lo último década.
Lo frontera del plasmo está definido por
una separatriz magnético, de modo que cada
líneo del campo magnético en el lado del
plasmo, interior a la separatriz, permanece
dentro de eso región, envuelto helicoidolmente
y en formo sin fin alrededor de uno superficie
magnética que contiene a un flujo man gético
constante y que formo parte de un conjunto de
superficies anidados toroidolmente.
La seporatriz morco la frontero entre los
líneas de campo del plasmo y las líneos de
campo del divertor que abandonan la vecindad
del plasmo por superficies abiertas e intersectan
los placas divertoras.
El calor y partículas fluyen rápidamente o
lo largo de las líneos confinadas o los super-
ficies de flujo dentro de la separatriz. Even-
tualmente, sin embargo, procesos de transporte
transversales al campo hacen que el plasmo se
difundo a través de las superficies internas de
flujo y ultimadamente atraviesen lo separatriz.
El plasmo entonces sigue las líneas de campo
hacia placas divertoras activamente enfriadas,
las cuales absorben lo energía del plasmo. El
plasmo que fluye al divertor también es neu-
tralizado en él y el gas que esto produce,
incluyendo cenizas de He de lo reacción O -
es bombeado hacia afuera o través de ductos

11. Reactor tokamak
1 TER
11J.11'(
Solenoide central 6.-Descarga del plasma
Blindaje/covertor de litio 7.- Criostato
Bobina estabilizadora 8.- Cableado del campo poloidal
Plasma 9.- Cableado del campo toroidal
Blindaje de la cámara de 10.- Primera pared
vacío 11.- Placas divertoras
Figura 1

12. Diseño de un reactor
tokamak ARIES- 1
Figura 2

13. Geometría Magnética
en un tokamak
Eje del Toro
rmi
te, Bt'
Figura 3

14. Seccio"n transversal
del Plasmo en un tokamak
Moderno
2b
ivrtor
SepariIri.
______________ 2
Figura 4

15. cercanos.
Lo Interacción plasmo-pared más impor-
tante ocurre en las placas placas divert oras.
Debido o que los flujos térmicos y de partículas
son substanciales, el divertor presento uno de
los retos más importantes que afrontan o los
dise?iadores de reactores de fusión. s9un que
se han tenido avances notables en el desa-
rrollo de conceptos de divertores, se requieren
mayores innovaciones.
Un reactor tokamak en régimen de ope-
ración estacionario, requerirá un calentamiento
auxiliar y una potencia impulsora de corriente
substanciales (cerca de 100 rfltii) para llevar
al plasmo, calentado ohmicomente o 2-3keV,
hasta temperaturas de ignición (— 30keV) al
principio de cada ciclo de combustión, así como
para aumentar la capacidad del transformador
solenoidal poro impulsar lo corriente del plasmo.
ñun que pueden sostenerse pulsos con uno
duración de hasta varias horas por la acción
del transformador, eventualmente el solenoide
alcanzo su flujo magnético máximo y, conse-
cuentemente paro un estado verdaderamente
estacionario - lo cual es deseable poro un reac-
tor de fusión - se requiere de un sistema auxiliar
impulsor de corriente. Fortuitamente, el plosma
mismo provee de asistencia en este proceso,
ya que un plasmo toroidalmente confinado crea
su propia corriente toroidal de retroalimentación.
En un plasmo con un gradiente de presión finita
y un campo magnético externo, lo superposición
de las órbitas de Larmour de las partículas del
plasmo creo una corriente diamagnético per-
pendicular tanto al campo ma9nético como al
gradiente de presión. De manera burdamente
análoga, las órbitas especiales en un plasmo
de tokomak generan, en la presencia de un
gradiente de presión radial, una corriente sus-
tancial paralelo al campo magnético helicoidal.
flón así, se requiere de una pequena corriente
seminal en el centro del plasmo, donde no exis-
te gradiente de presión. Esto corriente semi-
nal debe Impulsarse de manero externo y se
han desarrollado exitosomente varias técnicas
paro ésto que pueden closificorse en dos gru-
pos principales: calentamiento por Inyección de
partículas energéticos neutros y calentamiento
por radio frecuencia.
ESPECIFICñC1OflES TECflICñS DEL PLñsmñ
En un régimen de potencio estacionario la
ganancia neto de potencia de fusión está dado
por
Q=Pf/P
donde P1 potencia de fusión = 7755 mev
X f nD nT <O> dY, y lo potencia introducida
externamente P está dada por lo diferencia
entre pérdidas por transporte transversal de
plasmo y radiación y lo ganancia en potencia
debido a la capturo en el plasmo de partículas
alfa ('He) generados en la reacción de fusión
D-T:
Pi = 2rEfi) x
X n,, f nD flT <EV> dV
rE tiempo de confinamiento del plasmo.
Caracterizo la rapidez con que se pierde
energía del plasmo por transporte trans ver-
sal y radiación.
= eficiencia con lo que la potencio de
las cx'S es transferido al plasmo 1.
Poro darnos una ideo de los principales
parámetros que intervienen en la ganancia de
potencia O, podemos ignorar las diferencias
entre las densidades iónlcas y electrónicas
así como entre las correspondientes tempera-
turas y los de pérfiles térmicos y de densi-
dad. Si tomamos en cuenta además que
poro los reacciones de fusión D-T en el rango

16. T = 10 - 30 keV < o•v >-.. T2 resulto que
Q 17.58nTr. /3 - 3.52 '7a nTrE.
Es decir, Q depende predomlnontemente
del triple producto de n T TE. Cálculos deta-
llados muestran que n 0 T 0 TE (el subindice "o"
indico el volar en el centro del plasmo) debe
exceder el valor de 7 x 1021 keV-sec/rn3 con
710 30 keV, poro que Q = c, 1. e. que hoyo
ignición.
Los valores del producto triple fl Ti,, TE
temperaturas iónicas alcanzados poro diversos
experimentos en los posados 25 años, al igual
que los requisitos paro QDT = 0.1, 1 ("salir o
mano") y QDT = :2 (ignición en reactores D-T
se muestran en lo figura 5).
Es importante resaltar que desde el punto
de visto teórico, lo físico de plasmas asociado
con el confinomiento energético en tokomaks
constituye uno de los problemas medulares pen-
dientes de resolver.
En ausencia de uno fundamentación teórico
existe, sin embargo, uno relación empfrlco de
escalamiento que ha probado ser bastante exi-
toso y que do confianza paro llevar o cabo
extrapolaciones o reactores tokomok como los
concebidos para lo generación de potencio.
Esto relación obtenido o principios de lo
década de los ochenta por comparación de
resultados de experimentos de calentamiento
en tokamoks de tamaño pequeño o mediano
(R = 0.9 - 1.6m,a = 0.25 - 0.45m,Ip = 100-
600k-A, = 0.2 - 6MW), establece que
TE(seg) = 3 x i0 Ip R' a 037 , °5 A°5 P.O.S.s
donde A = masa jónica en unidades atómi-
cas de masa.
Lo notable de esto relación emp frico es
que, al expresorse en términos de cantidades
adimenslonales tales como w TE (donde w =
frecuencia de ciclotrón de Iones o electrones),
predice bastante bien el confinamiento energéti-
co paro lo presente generación de tokomaks
grandes. Esto puede verse en lo figuro 6 que
muestro que el error promedio de lo extra po-
loción es del orden del 47..
Igualmente importante son un número de
técnicas especiales desarrolladas durante la
último década y que mejoran el factor de conf1-
namiento energético de manero significativo por
sobre al dado por la relación de escalamiento.
Uno de estas técnicas es la llamado "modo-
ti", desarrollado en el Instituto de Físico de
Plasmas en Garching, ilemonio.
Consecuentemente, y aunque existe un es-
fuerzo continuo de Investigación en esto área
dirigido o lograr uno comprensión teórica de
los procesos de &onsporte energético trans ver-
sales al campo y que sugiere la existencia de
regímenes de operación con mayores valores
paro TE, lo relación de escalamiento parece
ser suficientemente confiable como para per-
mitir hacer predicciones de comportamiento en
plasmas paro reactores de generación de po-
tencia con R 6 - 7m.
Los ciclos D-D y D-5 He requieren de tem-
peraturas pico de 50 - lOOkeV y un incremento
de más de un orden de magnitud en el producto
triple.
Otro parámetro clave en lo descripción del
comportamiento de reactores tokamak es lo
razón entre lo presión del plasmo promediada
sobre volúmen y lo presión magnético. Es
decir
fl = 2jz0 p/B2 , con p ni T + n T.
De lo definición de Pf que habíamos dado
anteriormente es posible ver que lo máxima
densidad de potencia de fusión que puede

17. Tendencias Experimentales
hacia la lgnicio'n
00
iiaccRe:Ioui
.flÑ Igiucion
vuh1e por
ridIicidn de Brernistrah1un/
=n
Breido-esen-
/•»•
..
")
lo ..
/ •.
/
JFT•
TFTR
TFTR• • DIII D
/ ALCC•
/
•DIII-D
• DIII
ALC-AS •ASDEX
AS[)FX•
OPU
T.100 •oMAK
TFIRS •TFJ1
T:l(1166)
1 tÚ 100
Teniperaínra ceii*ral de los iones (keV)
.2
e.
1.
6
Figura 5

18. Relacidn Empi'rica
de Escalamiento
lo
•1
z
1.
• ñ-1
lj
=
t
cJ
w
lo -a
lo
Prediccidn de cca1aniiento de I3.(1esla_segw1LIo)
Figura 6

19. obtenerse en un plosma D-T, en el ron go de
temperaturas de interés, se escalo por n2 T2 , y
de la dfin!ción de fi se sigue que n2 T2 B4J92 .
ñhora bien, lo intensidad de! campo magnético
se limito por considerociones prácticos como
son los tensiones en los esfructuras de soporte
magnético y el campo crítico y densidad de
corriente del cable superconductor. Canse-
cuentemente, poro alcanzar un flujo neutrónico
de aproximadamente 3MW/rn2 en las pare-
des del reactor, requerimos un volar de fi de
aproximadamente 5% (con valores menores o
mayores a este promedio dependiendo de que
R/a 5 o R/a 3).
Sin embargo, cuando lo presión del plasmo
se incremento por calentamiento auxiliar, los
gradientes de presión pueden excitar inestabi-
lida des magnetohidrodinómicas. Experimen-
tos detallados así como predicciones teóricas
apuntan a que el umbrol para estas inestabil-
idades limito a fi zzi 3.5 x 10-8 I/B para los
perfiles de corrientes y presiones normalmente
observados en tokamaks.
Varios técnicos han sido desarrolladas re-
cientemente que permiten exceder este valor
límite para fi, como san la forma de la lo
sección transversal del plasmo. fldemós exis-
ten predicciones teóricas que sugieren un se-
gundo régimen de estabilidad paro valores más
altos de P. La confirmación experimental de
estas predicciones se busca activamente en lo
actualidad o fin de incrementar lo densidad
de potencia de fusión y también paro hacer
posibles los más atractivos reactores de fusión
del ciclo D-D y D-3 He.
El último parámetro clave del comportamien-
to de tokamaks es la eficiencia de impulso de
corriente.
Como habíamos mencionado anteriormente
lo corriente en un tokamak puede impulsarse ya
seo suministrando momentum a los electrones
del plasmo vía lnterncclón con ondas electro-
magnéticos en propagación o bien pat medio
de haces lónicos un!direccionales producidos
pat inyección tangencial de hoces neutros.
En cualquiera de los dos cosos, el flujo
de las especies portadoras de corriente es
obstaculizado por colisiones de! tipo Coulomb
con el grueso del plasmo.
Consecuentemente lo eficiencia de impulso
de corriente, que está dada por
'lcD =fleoRTp/PCD
con nec, = densidad central de electrones
4 = corriente de! plasmo
PCD = potencia de Impulso de corriente,
tiene un límite superior estrictamente debido a
colisiones binarios clásicas del tipo Coulomb.
Una 'lCD 3 x 10' A/m2 W y una corriente
de retroalimentación que alcance el 707. del
total requerido, son necesarios para lograr Q>
20, que es un valor de ganancia deseable para
un reactor de fusión en régimen estacionario y
económicamente atractivo.
Valores de 3.4x10' A/m2 W han sido
obtenidas en el tokamak JT-60 de Japón.
Estas eficiencias de impulso de corriente ya
logradas, combinadas con el efecto de retroim-
pulso, parecerían adecuadas paro para proveer
la corriente necesario para la operación de un
tokamak en rango estacionario.
Sin embargo, el logro de este tipo de o-
perocián aún presenta dificultades. Par ejem-
plo, para altas valores de 'lCD se requieren
altas temperaturas del plasmo y esto tiende a
generar un chisporroteo y erosión inaceptable

20. en las placas divertoros, al igual que distur-
bios repentinos en la corriente del plasmo que
lo terminan y rápidamente depositan grandes
cantidades de energía en ¡as placas divertoras.
Los avances alcanzados en los diversos
parámetros clave del plasmo versus los re-
queridos para un reactor D-T en operación en
el régimen estacionario se reflejan en ¡a si-
guiente tabla:
La Fig. 7, por otro lado, ilustro el progreso
importante alcanzado en los últimos 20 anios en
los valores máximos de generación de potencia
debido a lo fusión en diversos dispositivos
existentes a nivel mundial.
PI9O8LEm5 FOR ¡9ESOLVEi9 Y FUTUs9O
l desarrollo de la generación de energía
por fusión en el siglo XXI, requerirá de una
i9E19CTO9 D-T
n 16imn
Parámetro 7977 7951 1991 ESTi9cIon9RIO
Ti,, (keV) (Temperatura 0.5 7 35 30
central de ¡os iones)
T0 (keV) (Temperatura 1.5 3.5 15 30
central de los electrones
rE (seg.)(Tiempo de 0.007 0.02 1.4 3
confinamiento energético)
n 0 T10 rE(keV - seg./cm3 ) 1.5 x 1017
5.5 x 1018 9 x 1020 7 x 1021
Presión normalizada 0.1% 3% 11% 5%
delplasmo j3 =
Parámetro de Impulso 8 x 1018 3.4 x 1019 3 x 1019
de corriente +retraGii,n.
'7CD = T1 0 RI/PcD(A/m 2 W)
fleactividad de Fusión
D-0 reacc./seg. -- 3 x 10' 1 x 10 --
D-T reacc./seg. -- -- - 6 x 1017 1021

21. Potencia de Fusidn
103
cJ
lo 6
-
BpX ITE
TFTR JET
JETÁ /
,/,,,/7ç
TFT R
PLTI
•ALC
UDIUD
1 Logrado DI)
PDX DIII -
Pycr1daD-T
A Togrido ])-T
1 ATC, ALO-A
--
1070 1980 190 2D00 2010
Figura 7

22. Internacional ITER (Internacional Thermonuclear
Experimental Reactor) en el que participan E.
U., Rusia, Europa y Japón.
mayor comprensión de lo físico del plasmo y
del desarrollo de técnicos de ingeniería en ¡as
siguientes áreas:
ConfinamIento de plasmas de D-T poro va-
¡ores altos del producto triple n 0 T 0 r.
Estabilidad co!ectiva de componentes del
plasmo Con partículas cx-super-ñl fenicas.
Calentamiento por c'5 y control de quemado
estable de plasmas autocalen todos.
Diseño de divertores.
mecanismos de impulso de corriente en el
estado eslacionario y control de disturbios
en el plasmo.
¡9emoción de las cenizos de helio.
materiales de vida largo y bajo activación
por e/flujo neutrónico.
) Grandes sistemas magnéticos superconduc-
tores.
9) Diseño de cobertores para la cría de tri-
Li o. raro atacar estos problemas se han
diseñado varias estrategias, algunas de las
cuales involucran un importante programa
de colaboración internacional.
Los aspectos más relevantes de estas es-
trategias incluyen el diseño y construcción de un
experimento, compacto y con campo, magnético
alto, de un plasmo D-T paro estudiar ¡os
primeros 3 problemas; un experimento de física
de tokamaks avanzados de pulso-largos o es-
tado estacionario para investigar los puntos 4
0 6; una fuente neutrónica de 14mev para el
estudio de materiales estructurales y un re-
actor de pruebas de Ingeniería para integrar
las soluciones a todos los problemas listados.
Este último programa forma parte del proyecto
El diseño conceptual del ITER fue comple-
tado en 1990 con las siguientes parámetros:
R = 6rn.,a = 2.15m.,,c = 2.2,Ip = 22MA,BT =
4.85T. El dispositivo está diseñado para lograr
ignición y un régimen de combustión estacionario
y posteriormente funcionar como un reactor de
pruebas de ingeniería.
La decisión final poro la construcción de
ITER está programada paro 7996 y experimen-
tos con D-T empezarán cerca del año 2008.
fluevamente lo fusión controlada magnética-
mente parece estor a uno distancia de veinte
años de camino y sólo e/futuro podrá decidir
si esta fuente de energía será tecnológica y
c!entff(comente factible.
rara aquellos que han apostado con varias
decenas de miles de millones de dólares o que
la respuesta es j, la aventura ha sido científico,
tecnológica y estrotegicamente fascinante.
raro aquellos que han optado, conciente o
inconcientemente, por permanecer totalmente al
margen de esto actividad, el precio por pagar
en el futuro por su sobre vi vendo político y/o
económico, podrá ser aún mayor.