Llenar el vacío en materia de tecnología y materiales de fusión

La fusión es probablemente la labor de ciencia e ingeniería más compleja de la Tierra. Construir un reactor de fusión, lograr una reacción en cadena automantenida y transformar esa energía en electricidad casi inagotable son acciones que cambiarán para siempre a la humanidad y nuestra relación con la energía. Por muy atractivo que parezca, los avances no han sido fáciles ni homogéneos. Los desafíos técnicos relacionados con las estructuras, los combustibles y los materiales necesarios para mantener unidas esas máquinas tan complejas solo se han resuelto de forma parcial.

Para comprender las limitaciones técnicas y las lagunas de conocimiento que enfrenta hoy en día la fusión hay que comenzar por examinar el interior del propio reactor.

Dentro de un reactor tokamak un gas ionizado a temperatura elevadísima, llamado plasma, se calienta a más de 100 millones de grados Celsius (ºC) para inducir reacciones de fusión. Encerradas entre poderosos campos magnéticos, las paredes del reactor están protegidas del plasma volátil.

El plasma utilizado en la fusión nuclear suele estar compuesto de dos isótopos pesados del hidrógeno: el deuterio y el tritio, que luego se fusionan para producir helio y neutrones. En las centrales de fusión los ingenieros esperan poder “reproducir” o crear más tritio a partir de la propia reacción con un blindaje de manto de litio aún no probado que reacciona con los neutrones resultantes de la fusión.

“La energía de los neutrones generados por la fusión plantea grandes problemas a la primera pared y la cámara de vacío de la central de fusión, lo que significa que deben tenerse en cuenta los daños por la radiación, el blindaje biológico, la manipulación a distancia y la seguridad”, explica Ian Chapman, Presidente de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido.

La principal tarea de los ingenieros es desarrollar materiales de alto rendimiento capaces de soportar altas temperaturas y los intensos flujos neutrónicos derivados de la reacción. Para el futuro de las centrales de fusión a gran escala también es fundamental comprender el impacto de las condiciones de funcionamiento sobre los componentes expuestos al plasma.

Materiales fabricados para condiciones extremas

Una prioridad para los investigadores es crear materiales estructurales y resistentes al plasma capaces de soportar la degradación producida por los neutrones. Esos materiales deben tener características de seguridad, como baja radiactividad inducida por los neutrones, para reducir al mínimo la producción de desechos radiactivos. Hoy en día, sin embargo, no hay instalaciones de irradiación de materiales de fusión especializadas en las que se puedan poner a prueba mecanismos de degradación de la radiación y sea posible desarrollar y probar materiales en las condiciones necesarias.

El OIEA contribuye a abordar cuestiones asociadas al desarrollo de materiales de fusión y la investigación en la materia, coordinando la elaboración de directrices para las técnicas de ensayo de los materiales de referencia y llenando los vacíos de conocimiento en materia de diseño de instalaciones para el ensayo de materiales y componentes del reactor de fusión.

“Tecnologías como la instalación de doble haz de iones construida en 2019 en el Instituto Ruđer Bošković de Croacia con el apoyo del OIEA pueden estimular las condiciones a las que estaría expuesto un material en un reactor termonuclear. Entre ellas la transmutación de un producto y la simulación del daño producido por neutrones y partículas energéticos generados por la fusión”, señala Melissa Denecke, Directora de la División de Ciencias Físicas y Químicas del OIEA.

La parte principal de un reactor en la que el plasma entra en contacto directo con la vasija del reactor se conoce con el nombre de “diversor”, y los científicos y los ingenieros están procurando encontrar la configuración óptima para que ese dispositivo maneje mejor los flujos de calor que recibe. También están elaborando y verificando un marco de criterios para el diseño de reactores para todos los componentes internos de la vasija, incluido el diversor, para lo cual se sirven de los conocimientos y los datos recopilados de diversos experimentos de irradiación e instrumentos de simulación.

Un escape a altísimas temperaturas

El diversor, que en la mayoría de los diseños se sitúa en la parte inferior de un reactor donde se desvían las impurezas como la “ceniza” de helio, actúa como “caño de escape” del reactor termonuclear y es el lugar hacia el cual se encauza todo el calor excesivo. Esta configuración ayuda a producir plasmas “más puros” con un mejor confinamiento de energía —parámetro crítico para el rendimiento de un dispositivo de fusión—, lo que garantiza que el plasma se encuentre a una temperatura lo suficientemente elevada durante un lapso suficientemente largo para que puedan producirse reacciones de fusión mantenidas.

En el ITER, el experimento de fusión más grande del mundo, el diversor estará compuesto de hasta 54 módulos de 10 toneladas cada uno. Las condiciones impuestas a los módulos serán muy exigentes; al soportar flujos de calor constantes de entre 10 y 20 megavatios por metro cuadrado, con partes expuestas a temperaturas de entre 1000 ºC y 2000 ºC, los módulos tendrán que reemplazarse mediante un proceso de manipulación a distancia al menos una vez durante la vida útil del dispositivo. Para hacer frente al calor extremo y las partículas dañinas, los componentes expuestos al plasma estarán blindados con tungsteno, un material que tiene una baja absorción de tritio y la temperatura de fusión más elevada de todos los elementos naturales.

“Si bien el diseño del diversor del ITER refleja lo más avanzado de nuestros actuales conocimientos y capacidades desde un punto de vista físico y tecnológico, las futuras centrales de fusión necesitarán otros avances. Saber cuáles son esos avances es una de las múltiples misiones importantes del proyecto ITER”, dice Richar Pitts, Líder de la Sección de Experimentos y Operación del Plasma de la Organización ITER.

El diseño y la construcción de futuros reactores de fusión dependerán de los resultados técnicos, tecnológicos y materiales del ITER y de otras actividades de investigación y desarrollo bien establecidas coordinadas por múltiples países, pero la distancia entre nosotros y un futuro impulsado por la fusión sigue acortándose día a día.