Ver la luz: controlar los experimentos de fusión nuclear Understand article

Traducido por José L. Cebollada. No es fácil saber qué ocurre en el interior de un reactor experimental de fusión a 100 millones de grados, pero hay maneras ingeniosas de averiguarlo.

El recipiente del JET donde
se realizan los
experimentos tiene forma
de rosquilla

Imagen cortesía de Pink
Sherbet Fotografía; fuente de
la imagen: Flickr

El Joint European Torus, JET, es el mayor experimento mundial de fusión nuclear, muy cerca de Oxford, en el Reino Unido. Como dijo en un artículo anterior (Rüth, 2012), nuestros científicos están desarrollando una fuente de energía limpia para el futuro, la fusión de átomos ligeros en un recipiente con forma de rosquilla de unos 6 metros de diámetro.

No se trata de romper átomos ni de usar uranio – intentamos fusionar deuterio y tritio, isótopos del hidrógeno para formar helio. Obligar a que los hidrógenos se fusionen requiere una gran cantidad de energía, pero la fusión libera mucha más energía.

El interior del reactor JET
cuando viaja un pulso de
alta energía. La parte
central del plasma es
incolora porque los
isótopos del hidrógeno
están totalmente ionizados
y no hay transiciones
electrónicas que puedan
emitir radiación visible–
excepto una pequeña zona
algo más fría en el extremo
inferior

Imagen cortesía de EFDA-JET

En el experimento, el combustible (generalmente deuterio; sólo en ocasiones se mezcla tritio, otro isótopo radiactivo) se calienta hasta que los electrones abandonan el núcleo. Ese gas ionizado se llama plasma y es el medio ideal para provocar las colisiones necesarias que producen la fusión. El plasma está a una temperatura diez veces superior a la del centro del Sol y se mueve en el interior del reactor girando y rodando en el interior de una compleja jaula magnética diseñada por los científicos que controlan la máquina.

Conseguir materia a esas temperaturas es un gran logro, pero confinarla para que se produzca un número significativo de reacciones de fusión es mucho más difícil- por la naturaleza extremadamente turbulenta del plasma y por la tendencia a atrapar impurezas de los componentes del reactor. Por eso se han desarrollado sofisticados mecanismos de control para monitorizar completamente el plasma durante los experimentos, hacer ajustes para mantenerlo estable y tan limpio como sea posible, o detenerlo si se vuelve demasiado turbulento (ver EIROforum, 2012).

¿Pero sabemos qué sucede en el interior de un recipiente hermético a 100 millones de grados? Cualquier detector que introdujeras en el plasma se destruiría –sublimado en plasma en segundos. Incluso una ventana que mostrara el interior del reactor daría poca información, pues el plasma es casi transparente. Porque el núcleo del plasa está tan caliente que todos los electrones se han arrancado del núcleo, así no pueden suceder transiciones electrónicas –el origen de la luz visible.

Pero hay otras maneras de saber lo que sucede en el plasma. Lo que podemos averiguar de ese revoltijo de partículas a altísimas velocidades procede de unos cien datos: cámaras, sensores, detectores, láseres, radiaciones… por nombrar sólo unas pocas. Discutiremos alguna de estas en el artículo.

Una visión esquemática del experimento JET. A Corte del reactor en forma de rosquilla. B y C: Señalados en rojo la posición de los bolómetros horizontal y vertical. Las líneas rojas indican las líneas de visión de los bolómetros. D: El sistema de detección horizontal de rayos gamma se muestra en azul que canaliza la radiación fuera del reactor a través de las gruesas paredes de hormigón hasta la zona, en un área aparte, donde se encuentran los detectores.  Haga clic sobre la imagen para ampliarla
Imagen cortesía de EFDA-JET

¡Conseguimos la fusión! Rayos gamma

El detector de rayos gamma
del JET funciona de manera
parecida al geiger que
muestra la figura. El geiger
se usa para medir varias
radiaciones ionizantes,
entre ellas los rayos
gamma

Imagen cortesía de Radioactive
Rosca; fuente de la imagen:
Flickr

El principal producto de la fusión son los neutrones rápidos. Podemos estimar el número de fusiones cotejando los datos procedentes del número de neutrones generados con el de rayos gamma.

Además de la principal reacción entre el deuterio y el tritio en la  fusión también se producen otras reacciones en menor escala en el plasma caliente, algunas de la cuales liberan núcleos en estados excitados de energía, que liberarán ese exceso de energía en forma de radiación electromagnética. Mientras que los electrones emiten radiaciones visibles o UV, los niveles de energía nuclear son muy elevados y emite rayos gamma.

Los rayos gamma atraviesan la mayoría de las cámaras y por eso es preciso un sistema de detección especial. El reactor está rodeado por muros de hormigón de 2 metros para retener la radiación, pero hay unas tuberías que transportan rayos gamma a través de los muros hasta el laboratorio de detección. Allí utilizamos un sistema similar al contador Geiger, que genera corriente eléctrica cuando los rayos gamma atraviesan una pequeña cámara e ionizan el gas en su interior. Contamos los pulsos eléctricos de dos sistemas: uno vertical y otro horizontal y nos informan del número de reacciones de fusión que han sucedido.

Bolometría: medir las pérdidas de energía

Para hacer un buen experimento de fusión una de las claves es el confinamiento, intentar que la energía no se escape del plasma. Y aunque mantengamos el plasma confinado, puede haber  pérdidas de plasma en forma de radiación electromagnética. Aunque parece transparente, el plasma emite una radiación que no podemos ver. Para medir estas pérdidas en forma de radiación necesitamos un aparato que, al contrario que nuestros ojos, pueda ver todas las longitudes de onda: un bolómetro, que es sorprendentemente simple, una tira de metal. Las ondas electromagnéticas, sean de tipo que sean –UV, radio, o rayos gamma- calientan el metal y cambian su resistencia, que se puede medir fácilmente.

Los campos magnéticos
mantienen al plasma, que
se encuentra a elevadas
temperaturas, alejado de
las paredes Estos campos
magnéticos son muy
superiores a los que se
pueden conseguir con un
imán de metálico, que
puede visualizarse con
unas limaduras de hierro

Imagen cortesía de daynoir;
fuente de la imagen: Flickr

Una de las principales causas de la radiación son las impurezas del plasma, la mayoría de las cuales se forman en las paredes del reactor. Es importante saber dónde las impurezas END-UP en los límites del plasma no es un problema difícil, pero las impurezas en el núcleo pueden eliminar energía de la zona más importante.

Con un único bolómetro no se puede saber si la radiación procede del centro del plasma o de la parte exterior pero se puede crear un mapa del origen de las radiaciones en 3D usando varios. Esto se consigue colocando cada bolómetro detrás de un par de agujeros muy pequeños para disminuir su campo de visión. Entonces, los datos obtenidos desde la parte central con los de la parte externa y otros- se procesan para crear una imagen en 3D. Esta construcción a partir de muchas medidas individuales utilizan una técnica similar al escáner TAC (tomografía axial computerizada), que genera una imagen en 3D a partir de muchas radiografías tomadas desde diferentes ángulos.

Cámaras: vigilar los puntos calientes

Imagen del reactor del JET
durante el experimento, se
aprecian puntos calientes
donde el plasma toca la
pared del reactor.Haga clic
sobre la imagen para
ampliarla

Imagen cortesía de EFDA-JET

Parece sorpendente que el plasma, a más de 100 millones de grados pueda contenerse en un recipiente de metal. Los enormes campos magnéticos alrededor del JET hacen la mayor parte del trabajo, manteniéndolo alejado de las paredes, que han sido remodeladas con placas de berilio, metal que funde a sólo 1287º. Una de las razones de que funcione esta instalación es el conjunto de cámaras de vídeo utilizadas para asegurar que el plasma no se aproxime a las paredes.

Sabemos que el plasma se ha acercado demasiado a las paredes porque genera una zona a más temperatura y emite lo que conocemos como radiación del cuerpo negro. A unos 500º el metal se pondría al rojo, a unos 1000º sería naranja. Sin embargo se puede detectar bastante antes analizando la radiación infrarroja que emite cuando su temperatura es superior a la de sus regiones vecinas.

Como la mayoría de las cámaras puede detectar el infrarrojo (se usa en la llamada ‘visión noctura’), se ha desarrollado un sistema de detección basado en la detección en el infrarrojo. En cuanto se forma una zona caliente, el plasma se puede ajustar, -por ejemplo, alejando el campo magnético de la pared o disminuyendo la potencia para bajar la temperatura- antes de que se produzca ningún daño.

Visualizar el infrarrojo: actividad de apoyo

Arriba: Al contrario que
nuestros ojos, la cámara es
sensible al infrarrojo
procedente del mando a
distancia.
Abajo: Aunque la luz
visible no puede atravesar
un refresco de cola, la
infrarroja, sí puede. Haga
clic sobre las imagenes
para ampliarlas

Imágenes cortesía de EFDA-JET

La mayoría de las cámaras, incluso las de los móviles, captan el infrarrojo. Apunta con el mando a distancia de la televisión a tu móvil y verás las señales infrarrojas que emite que codifican cada canal.

A continuación se muestra el poder de penetración de las radiaciones a través de los materiales y por eso se necesita un material diferente construir detectores que monitorizan las radiaciones emitidas por el reactor. Mira a una linterna a través de un vaso de refresco de cola: el refresco absorbe la luz visible de la linterna, y se ve marrón. Ahora apunta con el mando a distancia a través del vaso de refresco mientras enfocas con la cámara: la luz infrarroja viaja a través del líquido sin apenas atenuación.

 

Más sobre EFDA-JET

Como empresa conjunta, JET (Joint European Torus)w1 es utilizado colectivamente por más de 40 laboratorios de fusión europeos. El Acuerdo Europeo para el Desarrollo de la Fusión (EFDA) proporciona la plataforma para el aprovechamiento de JET, con más de 350 científicos e ingenieros de toda Europa contribuyendo en la actualidad al programa JET.

EFDA-JET es miembro de EIROforumw2, editor de Science in School.

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References

Web References

Resources

Institution

EUROfusion

Author(s)

El Dr Phil Dooley trabaja en la sección de educación y prensa en EFDA-JET. Nació en Camberra, Australia, y complete su doctorado en f´siica del láser en la Australian National University. Para alejarse del mundo universitario aceptó un trabajo como informático en Rarotonga, Cook Islands, durante 18 meses y después volvió a Australia para trabajar como formador en software. Su amor por la ciencia le devolvió a la física, esta vez como comunicador, dirigiendo el programa de divultación en la Unversidad de Sydney. En octubre de 2011 se unió al equipo de EFDA-JET en Oxfordshire, Reino Unido.


Review

Este artículo, continuación de uno anterior (Rüth, 2012), ofrece una visión clara de las posibilidades de los detectores en la investigación sobre fusión nuclear. Los profesores pueden usar este artículo para dar información sobre cómo monirotizar la fusión nuclear, las dificultades y los retos a los que se enfrentan los científicos a temperaturas tan elevadas.
Algunas cuestiones para analizar la comprensión y fomentar el debate:

  • ¿Por qué hace falta tanta energía para producir la fusión?
  • ¿Qué tipo de materials deben usarse en las paredes del reactor?, ¿por qué?
  • ¿Con qué aparatos se monitoriza lo que sucede en el interior del plasma?
  • ¿Cómo se confina el plasma para que no toque las paredes del reactor?
  • ¿Cómo se pueden detectar las pérdidas de energía?

La discussion con los estudiantes podría continuar analizando aspectos medioambientales, de sostenibilidad y sobre la importancia de estos experimentos.


Catherine Cutajar, Malta




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