La palabra Tokamak, acrónimo del ruso тороидальная камера с магнитными катушками -toroidálnaya kámera s magnítnymi katúshkami- (en español: cámara toroidal con bobinas magnéticas), es un aparato cuyo objetivo es obtener la fusión de partículas de plasma, lo que generaría grandes cantidades de energía, para así conseguir la reacción nuclear de fusión de dos partículas ligeras en una partícula más estable de peso medio y producir una energía en relación con la equivalencia de Einstein:
Las ventajas de la fusión sobre la fisión (que se utiliza hoy en las centrales nucleares) son: a) no produce desechos radiactivos directos y b) no precisa de un combustible no renovable y tan escaso como el uranio. En cambio, es mucho más difícil de iniciar: Hasta la fecha no se ha alcanzado el punto de equilibrio entre la energía que se necesita para acelerar y confinar el plasma y la que se obtiene con la fusión de algunas partículas. Sin embargo, no hay razones teóricas para ello, sino sólo razones técnicas, que el proyecto internacional ITER trata de resolver.
El Tokamak fue ideado en los años 1950 por los físicos soviéticos Ígor Tam y Andréi Sájarov, basándose en las ideas propuestas por Oleg Lavréntiev en 1950.B. D. Bondarenko. (2001) «Papel de O. A. Lavréntiev en la formulación del problema y el inicio de la investigación en la fusión nuclear controlada en la URSS». Uspeji fizícheskij nauk (Physics-Uspekhi), vol. 171 (8), pág. 886–894
Historia thumb|275px|right|Interior de un reactor de fusión Tokamak. thumb|right|190px|Un sello de la URSS, 1987: Sistema termonuclear Tokamak
Primeros pasos En 1934, Mark Oliphant, Paul Harteck y Ernest Rutherford fueron los primeros en lograr la fusión en la Tierra, utilizando un acelerador de partículas para disparar núcleos de deuterio en una lámina metálica que contenía deuterio u otros átomos. Esto les permitió medir la sección transversal nuclear de varias reacciones de fusión, y determinaron que la reacción deuterio-deuterio ocurría a una energía más baja que otras reacciones, alcanzando un máximo de unos 100.000 electronvoltios (100 keV).
La fusión basada en un acelerador no es práctica porque la sección transversal del reactor es diminuta; la mayoría de las partículas del acelerador se dispersarán del combustible, no se fusionarán con él. Estas dispersiones hacen que las partículas pierdan energía hasta el punto de que ya no pueden someterse a la fusión. La energía puesta en estas partículas se pierde así, y es fácil demostrar que es mucha más energía de la que pueden liberar las reacciones de fusión resultantes.
Para mantener la fusión y producir energía neta, la mayor parte del combustible debe elevarse a altas temperaturas para que sus átomos choquen constantemente a gran velocidad; esto da lugar al nombre de termonuclear debido a las altas temperaturas necesarias para que se produzca. En 1944, Enrico Fermi calculó que la reacción sería autosostenible a unos 50.000.000 K; a esa temperatura, la velocidad a la que se desprende la energía de las reacciones es lo suficientemente alta como para calentar el combustible circundante con la suficiente rapidez como para mantener la temperatura contra las pérdidas en el medio ambiente, continuando la reacción.
Durante el Proyecto Manhattan, se creó la primera forma práctica de alcanzar estas temperaturas, utilizando una bomba atómica. En 1944, Fermi dio una charla sobre la física de la fusión en el contexto de una entonces hipotética bomba de hidrógeno. Sin embargo, ya se había pensado en un dispositivo de fusión controlado, y James L. Tuck y Stanisław Ulam lo habían intentado utilizando cargas conformadas que impulsaban una lámina metálica infundida con deuterio, aunque sin éxito.
Los primeros intentos de construir una máquina de fusión práctica tuvieron lugar en el Reino Unido, donde George Paget Thomson había seleccionado el pinzamiento como técnica prometedora en 1945. Tras varios intentos fallidos de obtener financiación, se dio por vencido y pidió a dos estudiantes de posgrado, Stanley (Stan) W. Cousins y Alan Alfred Ware (1924-2010), que construyeran un dispositivo con equipos de radar sobrantes. Este dispositivo fue operado con éxito en 1948, pero no mostró ninguna evidencia clara de fusión y no logró ganar el interés del Establecimiento de Investigación de Energía Atómica.
Carta de Lavréntiev En 1950, Oleg Lavréntiev, entonces sargento del Ejército Soviético destinado en Sajalín, escribió una carta al Comité Central del Partido Comunista de la Unión Soviética. La carta esbozaba la idea de utilizar una bomba atómica para encender un combustible de fusión, y luego pasaba a describir un sistema que utilizaba campos electrostáticos para contener un plasma caliente en estado estable para la producción de energía.
La carta fue enviada a Andréi Sájarov para que la comentara. Sájarov señaló que "el autor formula un problema muy importante y no necesariamente irremediable", y consideró que su principal preocupación en la disposición era que el plasma golpeara los cables de los electrodos, y que "las mallas anchas y una parte delgada conductora de corriente que tendrá que reflejar casi todos los núcleos incidentes de vuelta al reactor. Con toda probabilidad, este requisito es incompatible con la resistencia mecánica del dispositivo".
Un indicio de la importancia que se le dio a la carta de Lavréntiev puede verse en la rapidez con la que se tramitó; la carta fue recibida por el Comité Central el 29 de julio, Sájarov envió su revisión el 18 de agosto, en octubre, Sájarov e Ígor Tamm habían completado el primer estudio detallado de un reactor de fusión, y habían pedido financiación para construirlo en enero de 1951.
Confinamiento magnético Cuando se calienta a temperaturas de fusión, los electrones se disocian de los átomos, dando lugar a un fluido de núcleos y electrones conocido como plasma. A diferencia de los átomos eléctricamente neutros, un plasma es conductor de la electricidad y, por tanto, puede ser manipulado por campos eléctricos o magnéticos.
La preocupación de Sájarov por los electrodos lo llevó a considerar el uso del confinamiento magnético en lugar del electrostático. En el caso de un campo magnético, las partículas darán vueltas alrededor de las líneas de fuerza. Como las partículas se mueven a gran velocidad, sus trayectorias resultantes parecen una hélice. Si se dispone un campo magnético de forma que las líneas de fuerza sean paralelas y estén próximas, las partículas que orbitan las líneas adyacentes pueden colisionar y fusionarse.
Un campo así puede crearse en un solenoide, un cilindro con imanes envueltos en su exterior. Los campos combinados de los imanes crean un conjunto de líneas magnéticas paralelas que recorren la longitud del cilindro. Esta disposición impide que las partículas se desplacen lateralmente hacia la pared del cilindro, pero no evita que salgan por el extremo. La solución obvia a este problema es doblar el cilindro en forma de donut, o toroide, de modo que las líneas formen una serie de anillos continuos. En esta disposición, las partículas dan vueltas sin fin.
Sájarov discutió el concepto con Ígor Tamm, y a finales de octubre de 1950 ambos habían redactado una propuesta y la habían enviado a Ígor Kurchátov, director del proyecto de la bomba atómica en la URSS, y a su adjunto, Ígor Golovín. Sin embargo, esta propuesta inicial ignoraba un problema fundamental; cuando se disponen a lo largo de un solenoide recto, los imanes externos están uniformemente espaciados, pero cuando se doblan en forma de toroide, están más juntos en el interior del anillo que en el exterior. Esto provoca fuerzas desiguales que hacen que las partículas se alejen de sus líneas magnéticas.
Durante sus visitas al Laboratorio de Instrumentos de Medición de la Academia de Ciencias de la URSS (LIPAN, antecesor del Instituto Kurchátov), el centro de investigación nuclear soviético, Sájarov sugirió dos posibles soluciones a este problema. Una era suspender un anillo conductor de corriente en el centro del toro. La corriente en el anillo produciría un campo magnético que se mezclaría con el de los imanes del exterior. El campo resultante se retorcería en forma de hélice, de modo que cualquier partícula se encontraría repetidamente en el exterior y luego en el interior del toro. Las derivas causadas por los campos desiguales se producen en direcciones opuestas en el interior y en el exterior, por lo que en el transcurso de múltiples órbitas alrededor del eje largo del toro, las derivas opuestas se anularían. Como alternativa, sugirió utilizar un imán externo para inducir una corriente en el propio plasma, en lugar de un anillo metálico separado, lo que tendría el mismo efecto.
En enero de 1951, Kurchátov organizó una reunión en el LIPAN para estudiar los conceptos de Sájarov. Encontraron un amplio interés y apoyo, y en febrero se envió un informe sobre el tema a Lavrenti Beria, que supervisaba los esfuerzos atómicos en la URSS. Durante un tiempo, no se recibió respuesta alguna.
Richter y el nacimiento de la investigación sobre la fusión thumb|upright=1.5|Ronald Richter (izquierda) con Juan Domingo Perón (derecha). Las afirmaciones de Richter provocaron la investigación de la fusión en todo el mundo. El 25 de marzo de 1951, el presidente argentino Juan Perón anunció que un antiguo científico alemán, Ronald Richter, había logrado producir fusión a escala de laboratorio como parte de lo que hoy se conoce como el Proyecto Huemul. Científicos de todo el mundo se entusiasmaron con el anuncio, pero pronto llegaron a la conclusión de que no era cierto; cálculos sencillos demostraron que su montaje experimental no podía producir suficiente energía para calentar el combustible de fusión a las temperaturas necesarias.
Aunque los investigadores nucleares lo descartaron, la amplia cobertura de las noticias hizo que los políticos fueran repentinamente conscientes y receptivos a la investigación sobre la fusión. En el Reino Unido, Thomson recibió de repente una financiación considerable. En los meses siguientes, se pusieron en marcha dos proyectos basados en el sistema de pellizco. En Estados Unidos, Lyman Spitzer leyó la historia de Huemul, se dio cuenta de que era falsa y se puso a diseñar una máquina que funcionara. En mayo recibió 50.000 dólares para empezar a investigar su concepto de stellarator. Jim Tuck había regresado brevemente al Reino Unido y vio las máquinas de pellizco de Thomson. Cuando volvió a Los Álamos también recibió 50.000 dólares directamente del presupuesto de Los Álamos.
En la URSS ocurrieron hechos similares. A mediados de abril, Dmitri Efrémov, del Instituto de Investigación Científica de Aparatos Electrofísicos, irrumpió en el estudio de Kurchátov con una revista que contenía un artículo sobre el trabajo de Richter, exigiendo saber por qué habían sido derrotados por los argentinos. Kurchátov se puso inmediatamente en contacto con Beria para proponerle la creación de un laboratorio de investigación de la fusión independiente con Lev Artsimóvich como director. Sólo unos días después, el 5 de mayo, la propuesta había sido firmada por Iósif Stalin.
Nuevas ideas thumb|Plasma rojo en el EAST En octubre, Sájarov y Tamm habían completado una consideración mucho más detallada de su propuesta original, pidiendo un dispositivo con un radio mayor (del toro en su conjunto) de y un radio menor (el interior del cilindro) de . La propuesta sugería que el sistema podría producir de tritio al día, o reproducir de U233 al día.
A medida que se desarrollaba la idea, se vio que una corriente en el plasma podría crear un campo lo suficientemente fuerte como para confinar el plasma también, eliminando la necesidad de los imanes externos. En este punto, los investigadores soviéticos habían reinventado el sistema de pellizco que se estaba desarrollando en el Reino Unido, aunque habían llegado a este diseño desde un punto de partida muy diferente.