MADRID, 31 Ago. (EUROPA PRESS) -
Un isótopo del tungsteno ha demostrado capacidad en dar la resistencia necesaria a los futuros reactores de energía de fusión nuclear, uno de los entornos más hostiles jamás producidos en la Tierra.
Los flujos de calor producidos por plasma en el inteiro de un reactor de fusión se presumen similares a los que resistieron los transbordadores espaciales cuando volvían a entrar en la atmósfera de la Tierra.
Zeke Unterberg y su equipo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía defienden como material de refuerzo para los reactores de fusión el tungsteno, que tiene el punto de fusión más alto y la presión de vapor más baja de todos los metales en la tabla periódica, así como una resistencia a la tracción muy alta, propiedades que lo hacen adecuado para el abuso durante largos períodos de tiempo.
Están enfocados en comprender cómo funcionaría el tungsteno dentro de un reactor de fusión, un dispositivo que calienta los átomos ligeros a temperaturas más altas que el núcleo del sol para que se fusionen y liberen energía. El gas 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 se confina en una pequeña región por campos magnéticos fuertes o láseres.
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 Ciencias del DOE en San Diego. Querían saber si el tungsteno podría usarse para blindar la cámara de vacío del tokamak, protegiéndola de la rápida destrucción causada por los efectos del plasma, sin contaminar mucho el plasma mismo. Esta contaminación, si no se maneja lo suficiente, podría finalmente extinguir la reacción de fusión.
"Estábamos tratando de determinar qué áreas de la cámara serían particularmente malas: dónde era más probable que el tungsteno generara impurezas que pueden contaminar el plasma", dijo Unterberg en un comunicado.
Para encontrar eso, los investigadores utilizaron un isótopo enriquecido de tungsteno, 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 de 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 de metal recubiertos con el isótopo enriquecido colocados cerca, pero no en, la zona de flujo de calor más alto, un área en el recipiente generalmente llamada región del objetivo lejano del desviador. Por separado, en una región desviadora con los flujos más altos, el punto de impacto, 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 recolectar muestras en sondas especiales insertadas temporalmente en la cámara para medir el flujo de impurezas hacia y desde la armadura del recipiente, lo que podría darles una idea más precisa de dónde se había filtrado el tungsteno que se había escapado del desviador hacia la cámara. originado. "El uso del isótopo enriquecido nos dio una huella dactilar única", dijo Unterberg.
Fue el primer experimento de este tipo realizado en un dispositivo de fusión. Uno de los objetivos era determinar los mejores materiales y la ubicación de estos materiales para el blindaje de la cámara, manteniendo al mismo tiempo las impurezas causadas por las interacciones plasma-material contenidas en gran medida en el desviador y sin contaminar el núcleo de plasma confinado al imán utilizado para producir la fusión.
Una complicación con el diseño y funcionamiento de los desviadores es la contaminación por impurezas en el plasma causada por modos localizados en los bordes, o ELM. Algunos de estos eventos rápidos y de alta energía, similares a las erupciones solares, pueden dañar o destruir componentes de la embarcación, como las placas de desvío. La frecuencia de los ELM, las veces por segundo que ocurren estos eventos, es un indicador de la cantidad de energía liberada del plasma a la pared. Los ELM de alta frecuencia pueden liberar cantidades bajas de plasma por erupción, pero si los ELM son menos frecuentes, el plasma y la energía liberados por erupción son altos, con una mayor probabilidad de daño. Investigaciones recientes han buscado formas de controlar y aumentar la frecuencia de los ELM, como la inyección de pellets o campos magnéticos adicionales en magnitudes muy pequeñas.
El equipo de Unterberg descubrió, como esperaban, que tener el tungsteno lejos del punto de impacto de alto flujo aumentaba en gran medida la probabilidad de contaminación cuando se exponía a ELM de baja frecuencia que tienen un mayor contenido de energía y contacto superficial por evento. Además, el equipo descubrió que esta región de objetivo lejano del desviador era más propensa a contaminar el SOL a pesar de que generalmente tiene flujos más bajos que el punto de impacto. Estos resultados aparentemente contrarios a la intuición están siendo confirmados por los esfuerzos de modelado de desviadores en curso en relación con este proyecto y los experimentos futuros en DIII-D.
El equipo publicó una investigación en línea a principios de este año en la revista Nuclear Fusion.
La investigación podría beneficiar de inmediato al Joint European Torus, o JET, y al ITER, ahora en construcción en Cadarache, Francia, que utilizan blindaje de tungsteno para el desviador.