El interior de los futuros reactores de energía de fusión nuclear figuran ser 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?, investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge parecen haber encontrado el candidato ideal
Zeke Unterberg y su equipo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Oak Ridge National Laboratory, ORNL, por sus siglas en inglés) 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 resistencia a la fatiga muy alta, propiedades que lo hacen muy adecuado para soportar el uso durante largos períodos de tiempo.
Los investigadores se centraron en comprender cómo funcionaría el tungsteno dentro de un reactor de fusión, un mecanismo que calienta los átomos de luz a temperaturas más calientes que el núcleo del sol para que se fusionen y liberen 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 quieres poner en tu reactor algo que sólo dura un par de días”, dijo Unterberg, un científico investigador senior de la División de Energía de Fusión de la ORNL. “Quieres tener suficiente vida útil. 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 planta para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE (Department of Energy’s) en San Diego.
Los investigadores 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 gravemente el propio plasma. Esta contaminación, si no se gestiona suficientemente, podría en última instancia, extinguir la reacción de fusión.
“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.
Isótopo de tungsteno enriquecido para blindar los reactores de fusión nuclear
Para averiguarlo, los investigadores utilizaron un isótopo de tungsteno enriquecido, 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. Observando 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.
Figura 1. Esta sección transversal del tokamak DIII-D muestra cómo los investigadores de ORNL utilizaron tungsteno natural (amarillo) y tungsteno enriquecido (naranja) para rastrear la erosión, el transporte y la redeposición del tungsteno.
El isótopo de tungsteno enriquecido tiene las mismas propiedades físicas y químicas que el tungsteno normal. En los experimentos en la instalación DIII-D se utilizaron pequeños insertos metálicos recubiertos con el isótopo enriquecido colocados cerca de la zona de mayor flujo de calor, pero no en ella, un área en el recipiente típicamente llamada la región de desviación del objetivo lejano.
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 en sondas especiales insertadas temporalmente en la cámara para medir el flujo de impurezas hacia y desde la armadura 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 uso del isótopo enriquecido nos dio una huella digital única”, dijo Unterberg.
Para más información visite: ornl.gov
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