así funcionará una de las mayores obras de ingeniería creadas por el hombre
ITER (Reactor termonuclear experimental internacional) es uno de los proyectos más ambicioso y complejo que enfrenta la humanidad. Su objetivo es imitar los procesos que permiten que las estrellas obtengan energía por la fusión de los núcleos de su combustible, que está compuesto por aproximadamente un 70% de protón, que es el isótopo de hidrógeno que carece de neutrones y, por tanto, tiene solo un protón y un electrón; entre 24 y 26% de helio y entre 4 y 6% de elementos químicos más pesados que el helio.
El problema es que simular los procesos de fusión nuclear que ocurren naturalmente en los núcleos estelares no es fácil. Y no es, entre muchas otras razones, porque no tenemos un aliado muy valioso que se lo ponga mucho más fácil a las estrellas: confinamiento gravitacional. Y es que su masa es tan descomunal que la gravedad es capaz de comprimir los gases del núcleo estelar lo necesario para recrear de forma natural las condiciones en las que los núcleos de hidrógeno comienzan a fusionarse de forma espontánea. Así es como las estrellas obtienen su energía.
Un desafío como este requiere un buen plan, y lo tenemos
En la Tierra, no podemos recrear estas mismas condiciones porque no tenemos el conocimiento y la tecnología necesarios para manipular campos gravitacionales. Nada parece indicar que algo así será posible en el futuro, y mucho menos que podamos generar un campo gravitacional. mínimamente cerca de una estrella.
Por esta razón, para desencadenar la fusión nuclear, no tenemos más remedio que calentar el combustible en nuestros reactores a una temperatura entre 150 y 300 millones de grados centígrados, que, curiosamente, es diez veces mayor que el núcleo del Sol. Solo entonces los núcleos de deuterio y tritio, que son los isótopos de hidrógeno que utilizamos como combustible, logran adquirir la energía cinética necesaria para supera tu disgusto natural y fusiona.
Este es el objetivo del ITER: producir 500 megavatios durante al menos 500 s utilizando solo 1 g de tritio como parte del combustible y después de invertir unos 50 megavatios de energía en el encendido del reactor.
El reactor de fusión nuclear ITER fue diseñado para demostrar que la fusión nuclear funciona a una escala que el hombre puede controlar. Y también que es rentable desde un punto de vista energético, porque genera más energía de la necesaria para invertir para iniciar el proceso.
Su objetivo es producir alrededor 500 megavatios de potencia durante al menos 500 segundos utilizando sólo 1 gramo de tritio como parte del combustible y después de invertir unos 50 megavatios de energía en la ignición del reactor de fusión.
Este es el interior del reactor DIII-D, un Tokamak de fusión nuclear experimental administrado por General Atomics en San Diego (Estados Unidos). La máquina que un consorcio internacional está desarrollando en la ciudad francesa de Cadarache es extraordinariamente complejo. De hecho, probablemente solo Detectores de partículas CERN Ellos rivalizan con el reactor de fusión nuclear ITER en complejidad de ingeniería.
Un proyecto de este tamaño solo es posible recolectando recursos de las mayores potencias del planeta, llevando a China, Japón, Rusia, la Unión Europea, Estados Unidos, India y Corea del Sur a unirse para realizar la increíble máquina en la que estamos a punto de sumergirnos.
El reactor Tokamak, en detalle
El corazón de ITER es tu reactor tipo Tokamak. Este proyecto fue concebido en la década de 1950 por los físicos soviéticos Igor Yevgenievich Tamm y Andrei Sakharov, lo que nos recuerda que llevamos casi siete décadas trabajando en la fusión nuclear, al menos desde un punto de vista teórico. La característica definitoria de los reactores Tokamak y que permite a cualquiera identificarlos de un vistazo es su forma de rosquilla.
La elección de esta geometría, como podemos imaginar, no es accidental; responde a la necesidad de confinar combustible extremadamente caliente (en estado de plasma) en el interior para recrear las condiciones necesarias para reacciones de fusión controladas tener lugar.
Todo en ITER es colosal. No solo su complejidad; también tus figuras. Pesará 23 mil toneladas, y la cámara donde se confina el plasma tendrá un radio de 6,2 metros y un volumen de 840 metros cúbicos.
Todo en ITER es colosal. No solo su complejidad; también tus figuras. Y cuando esté listo, pesará no menos de 23.000 toneladas. Datos más impactantes: el radio de la sección «rosquilla» en la que se confina el plasma mide 6.2 metros, y el volumen de la cámara de vacío que contiene el combustible a la monstruosa temperatura que mencioné en los primeros párrafos del ítem es 840m3.
Este es el reactor Tokamak más grande que la humanidad ha construido hasta ahora, y posiblemente solo será superada por DEMO, cuya construcción según el itinerario establecido por EUROfusion debería estar terminado a finales de la próxima década.
El cristiano
Este componente es una enorme cámara de acero inoxidable de 29 x 29 metros que pesa 3.850 toneladas y un volumen de 16.000 m3. Tienes la responsabilidad de proporcionar alto vacío necesario para que las condiciones requeridas para que la fusión de los núcleos de deuterio y tritio que forman el plasma ocurra a alta temperatura.
El criostato también se encarga de preservar el ambiente ultrafrío necesario para los imanes superconductores de los que hablaremos más adelante para hacer su trabajo. Algunos de los más de doscientos agujeros que podemos ver en su superficie cilíndrica se utilizan para mantenimiento, pero la mayoría de ellos se utilizan para acceder al sistema de refrigeración, equipo de diagnóstico o manto (manta) que cubre el interior del reactor, entre otras aplicaciones.
La cámara de vacío
Al igual que el criostato, esta cámara de 8.000 toneladas está fabricada en acero inoxidable, aunque su composición también contiene una pequeña cantidad de boro (alrededor del 2%). Fusiona los núcleos de deuterio y tritio, por lo que una de sus funciones más importantes es actuar como primera barrera de contención Radiación residual que puede no ser retenida por el manto (manta), un componente crucial que exploraremos un poco más adelante.
La cámara de vacío está cerrada herméticamente y su interior conserva el alto vacío necesario para que se produzca la fusión de los núcleos de plasma. Su forma toroidal contribuye a estabilización de gas, de modo que los núcleos roten a gran velocidad alrededor del orificio central de la cámara, pero sin tocar las paredes del toro en ningún momento.
La temperatura a la que está sometida esta cámara es muy elevada, siendo necesario introducir agua circulante en un compartimento alojado entre sus paredes internas y externas para enfriarla y evitar que llegue tu límite máximo de temperatura.
Los imanes
Los imanes superconductores colocados en el exterior de la cámara de vacío son los encargados de generar el campo magnético necesario para confinar el plasma dentro. También se encargan de controlar y estabilizar para evitar que toque las paredes del contenedor. Estos imanes pesan 10.000 toneladas y están hechos de una aleación de niobio y estaño, o niobio y titanio, que adquiere superconductividad cuando se enfría con helio supercrítico hasta alcanzar una temperatura de -269 ºC.
La estructura que puede ver sobre este párrafo es el corazón del complejo motor magnético de ITER. Su forma cilíndrica permite colocar este solenoide superconductor dentro del orificio central de la cámara de vacío, induciendo así una enorme corriente eléctrica en el plasma.
Además, este imán muy potente se utiliza para optimizar la forma del plasma, estabilizarlo y también ayuda a calentarte gracias a un mecanismo conocido como Efecto Joule, ayudando a elevar su temperatura por encima de los 150 millones de grados Celsius necesarios para que tenga lugar la reacción de fusión nuclear. Mide 18 metros de altura, 4 metros de diámetro y pesa 1.000 toneladas.
El animador
El enorme componente que podemos ver en esta fotografía es solo una de las 54 partes idénticas que componen la base de la cámara de vacío del reactor. Está hecho de acero inoxidable, aunque incorpora escudos de tungsteno que se encargan de soportar el bombardeo de neutrones de alta energía en plasma, transformando su energía cinética en calor.
El agua que circula por el interior es la encargada de liberar esta energía térmica y enfriar el desviador. Se eligió tungsteno para ajustar los escudos expuestos al plasma porque este es el metal con el punto de fusión más alto: no menos de 3.422 ° C. Además, el desviador se encarga de la purificación del plasma, permitiendo la extracción de cenizas e impurezas resultantes de la reacción de fusión nuclear y la interacción del plasma con la capa más expuesta del manto.
El manto (‘manta’)
La estructura que podemos ver en esta imagen es el manto que recubre el interior de la cámara de vacío del reactor. SUS un componente crítico que está a la vanguardia de la batalla porque está expuesta al impacto directo de neutrones de alta energía resultantes de la fusión de los núcleos de deuterio y tritio.
Además, se utilizará para regenerar el tritio necesitas usar como combustible. Para ello, es necesario recubrir la capa interna del manto con litio, elemento químico que nos permite obtener núcleos de tritio cuando los núcleos de litio son impactados por neutrones de alta energía.
El manto protege la cámara de vacío, el criostato y los imanes del calor y el impacto directo de neutrones de alta energía.
El manto también tiene la responsabilidad de proteger la estructura cámara de vacío de acero inoxidable, criostato e imanes por el calor y el impacto directo de neutrones de alta energía, que los degradarían en poco tiempo.
La energía cinética de los neutrones. se transforma en energía térmica cuando choca con el manto, y, de nuevo, el agua del sistema de refrigeración se encarga de evacuar ese calor, que será utilizado por las plantas para producir electricidad a través de un mecanismo muy similar al que utilizan actuales plantas de fisión nuclear.
Un último punto interesante para concluir el artículo: el elemento químico que constituirá la capa más superficial del manto es berilio porque sus propiedades fisicoquímicas le permiten resistir el estrés impuesto por el impacto de neutrones mejor que otros metales.
Las capas más profundas del manto son de cobre y acero inoxidable, aunque es posible que los elementos utilizados para fabricar el manto y el desviador del futuro reactor DEMO cambien si los técnicos involucrados en el el proyecto IFMIF-DONES encontrar materiales capaces de soportar mejor exposición directa al plasma a los que están sujetos estos componentes.
Imagenes | ITER | Rswilcox
Más información | ITER
