El componente más expuesto al calor y la radiación es el manto que reviste el interior de la cámara de vacío
El fenómeno conocido como pulverización se produce cuando un átomo de tungsteno es expulsado por el impacto de un ion
Los reactores experimentales de fusión nuclear son unas máquinas extremadamente complejas. No solo tienen que ser capaces de recrear en el interior de la cámara de vacío las condiciones necesarias para que tenga lugar la fusión espontánea de los núcleos de deuterio y tritio; también tienen que ser capaces de soportar las distintas formas de radiación ionizante que se desencadenan durante la reacción de fusión.
Los físicos y los ingenieros involucrados en la puesta a punto de estas máquinas han aprendido mucho durante las últimas décadas gracias a reactores experimentales como JET (Inglaterra), JT-60 (Japón), Wendelstein 7-X (Alemania) o TJ-II (España), entre otros. Aun así, todavía queda mucho por aprender y refinar para que los primeros reactores de fusión con vocación comercial por fin estén disponibles.
El componente de un reactor de fusión que está más expuesto tanto al calor como a la radiación es el revestimiento interior de la cámara de vacío, conocido como manto (blanket). Sus capas más profundas, las menos expuestas, suelen ser de cobre y acero inoxidable (es posible que estos materiales cambien en los futuros reactores), mientras que la capa más superficial es de berilio y tungsteno debido a que estos elementos químicos soportan el estrés impuesto por la radiación mejor que otros metales.
El superordenador Marconi nos ha entregado una buenísima noticia
Para entender los rigores que tiene necesariamente que soportar el manto de la cámara de vacío nos interesa repasar brevemente cuáles son las agresiones que tienen lugar durante la reacción de fusión nuclear. La más evidente es la temperatura debido a que para que los núcleos de deuterio y tritio venzan su repulsión eléctrica natural y se fusionen es necesario someterlos a una temperatura de al menos 150 millones de grados Celsius. Solo así adquirirán la energía cinética necesaria para fusionarse.
No obstante, esto no es ni mucho menos todo. El campo magnético generado por los imanes superconductores del reactor es muy intenso, pero tiene un límite. Esto significa, sencillamente, que es capaz de contener aquellos iones que no superan un valor límite de energía, pero durante la reacción de fusión se producen algunas partículas que pueden adquirir una energía superior a aquella que es capaz de contener el campo magnético. Como es lógico, estas partículas escapan del confinamiento e interaccionan con el manto de la cámara de vacío.
Además, por si todo esto fuera poco, tenemos los neutrones de alta energía (unos 14 megaelectronvoltios) que se producen como resultado de la fusión de los núcleos de deuterio y tritio. La carga eléctrica global de estas partículas es neutra, por lo que el campo magnético no puede confinarlas y también acaban interaccionando directamente con el manto. Como hemos visto, los materiales del manto han sido seleccionados para soportar estas agresiones, pero los ingenieros de los reactores no conocen con precisión cuál será la durabilidad de este componente.
Este es el momento en el que, precisamente, entra en acción el superordenador italiano Marconi, que tiene una potencia total de cálculo de unos 12,5 petaflops por segundo. Esta máquina está a disposición de los científicos de EUROfusion, lo que ha animado a Evgeniia Ponomareva, una investigadora de la Universidad Aalto (Finlandia), a desarrollar una compleja simulación diseñada expresamente para predecir la rapidez con la que las agresiones que he descrito unas líneas más arriba pueden degradar el manto de los reactores de energía de fusión.
Cuando los iones y los neutrones de alta energía chocan con el manto penetran en su interior y pierden energía debido a que colisionan con los átomos del material que lo constituye. Como consecuencia de esas colisiones los átomos de tungsteno del manto pueden desplazarse, e, incluso, salir despedidos. Este fenómeno de expulsión se conoce como pulverización (sputtering), y, como es lógico, conlleva la degradación física del manto. La simulación diseñada por Evgeniia Ponomareva ha predicho que se produce cinco veces menos pulverización que la estimada inicialmente por los científicos, por lo que los componentes del reactor más expuestos a priori no tendrán que ser renovados frecuentemente.
No cabe duda de que es una buena noticia. Confiemos en que futuras simulaciones confirmen la longevidad de los materiales de los futuros reactores de fusión nuclear. Un último apunte: en la imagen de portada de este artículo podemos ver la interacción que se produce entre un ion que no ha sido confinado por el campo magnético y los átomos de tungsteno que conforman el manto de la cámara de vacío.
Imagen | Evgeniia Ponomareva / Aalto University
Más información | EUROfusion
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