Cómo blindar los futuros reactores de fusión

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Cómo blindar los futuros reactores de fusión

El interior de los futuros reactores de energía de fusión nuclear será uno de los entornos más duros que se hayan producido en la Tierra. ¿Qué es lo suficientemente fuerte como para proteger el interior de un reactor de fusión de los flujos de calor producidos por el plasma, semejantes a los experimentados por los transbordadores espaciales cuando entraban en la atmósfera de la Tierra?

Zeke Unterberg y su equipo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía están trabajando actualmente con el principal candidato: el tungsteno, que tiene el punto de fusión más alto y la presión de vapor más baja de todos los metales de la tabla periódica, así como una muy alta resistencia a la tracción, propiedades que lo hacen muy adecuado para soportar dichas condiciones durante largos períodos de tiempo. Se centran en comprender cómo funcionaría el tungsteno dentro de un reactor de fusión, un dispositivo que calienta átomos ligeros a temperaturas más altas que en el núcleo del Sol, de modo que se fusionan y liberan energía. El gas de hidrógeno en un reactor de fusión se convierte en plasma de hidrógeno, un estado de la materia que consiste en gas parcialmente ionizado, que luego es confinado en una pequeña región por fuertes campos magnéticos o láseres.

«No querrás poner en tu reactor algo que solo dure un par de días», dijo Unterberg, científico investigador de la División de Energía de Fusión del ORNL. «Querrás tener una vida útil suficiente. Así que ponemos tungsteno en áreas donde anticipamos que habrá un bombardeo de plasma muy alto».

En 2016, Unterberg y el equipo comenzaron a realizar experimentos en el tokamak, un reactor de fusión que utiliza campos magnéticos para contener un anillo de plasma, en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en San Diego. Querían saber si el tungsteno podía ser usado para blindar la cámara de vacío del tokamak – protegiéndolo de la rápida destrucción causada por los efectos del plasma – sin contaminar fuertemente el plasma mismo. Esta contaminación, si no se maneja suficientemente, podría finalmente extinguir la reacción de fusión.

Unos investigadores del ORNL utilizaron tungsteno natural (amarillo) y tungsteno enriquecido (naranja) para rastrear la erosión, el transporte y la redeposición del tungsteno. El tungsteno es la principal opción para blindar el interior de un dispositivo de fusión. (Foto: Jaimee Janiga/ORNL)

«Estábamos tratando de determinar qué áreas de la cámara serían particularmente malas: donde el tungsteno era más probable que generara impurezas que pudieran contaminar el plasma», dijo Unterberg.

Para descubrirlo, los investigadores utilizaron un isótopo enriquecido de tungsteno, el W-182, junto con el isótopo no modificado, para rastrear la erosión, el transporte y la redeposición del tungsteno desde el interior del desviador. Observar el movimiento del tungsteno dentro del desviador – un área dentro de la cámara de vacío diseñada para desviar el plasma y las impurezas – les dio una imagen más clara de cómo se erosiona desde las superficies dentro del tokamak e interactúa con el plasma. El isótopo de tungsteno enriquecido tiene las mismas propiedades físicas y químicas que el tungsteno normal. Los experimentos en DIII-D utilizaron pequeños insertos metálicos recubiertos con el isótopo enriquecido colocados cerca, pero no en la zona de mayor flujo de calor. Por otra parte, en una región del desviador con los flujos más altos, el punto de ataque, los investigadores utilizaron insertos con el isótopo no modificado. El resto de la cámara DIII-D está blindada con grafito.

Esta configuración permitió a los investigadores recoger muestras con sondas especiales insertadas temporalmente en la cámara para medir el flujo de impurezas hacia y desde el blindaje del recipiente, lo que les podía dar una idea más precisa de dónde se había originado el tungsteno que se había filtrado del desviador a la cámara.

El equipo de Unterberg encontró, como esperaban, que tener el tungsteno lejos del punto de ataque de alto flujo aumentaba enormemente la probabilidad de contaminación cuando se exponía a los ELM de baja frecuencia que tienen un mayor contenido de energía y contacto con la superficie por evento. Además, el equipo encontró que esta región del desviador lejos del punto de ataque era más propensa a la contaminación aunque generalmente tiene flujos más bajos que el punto de ataque. Estos resultados aparentemente contrarios a la intuición están siendo confirmados por continuos esfuerzos de modelación de desviadores en relación con este proyecto y los futuros experimentos sobre el DIII-D.

El equipo publicó su investigación en la revista Nuclear Fusion. El trabajo podría beneficiar inmediatamente al Joint European Torus, o JET, y al ITER, que se está construyendo en Cadarache, Francia, los cuales utilizan armadura de tungsteno para el desviador.

«Pero estamos viendo las cosas más allá del ITER y el JET… estamos viendo los reactores de fusión del futuro», dijo Unterberg. «¿Dónde es mejor poner tungsteno, y dónde no debería ponerse? Nuestro objetivo final es blindar nuestros reactores de fusión, cuando lleguen, de una manera inteligente». (Fuente: NCYT Amazings)

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