Un termómetro que alcanza los 200 millones de grados Understand article

Traducido por Rafael Martínez-Oña. Medir la temperatura dentro de un reactor de fusión no es una tarea fácil. Averigua cómo se hace – e inclusive simúlalo en la clase.

Imagen cortesía de
AMIDAPHAT / Flickr

El Joint European Torus (JET) es el mayor experimento del mundo sobre energía de fusión, se desarrollan métodos pioneros para producir energía abundante y limpia, con el mismo método utilizado por el Sol: fusión de átomos ligeros, como los de hidrógeno, para formar un átomo de helio más pesado.

Producción de energía en el
Sol: se fusionan dos núcleos
de hidrógeno para formar un
núcleo de deuterio, un
positrón y un neutrino. El
positrón encuentra
rápidamente un electrón, se
aniquilan entre sí, y sólo la
energía permanece. El núcleo
de deuterio pasa a fusionarse
con otro núcleo de hidrógeno
para formar helio-3. En el
paso final, dos núcleos de
helio-3 se fusionan para
formar helio-4 y dos núcleos
de hidrógeno. Haga clic sobre
la imagen para ampliarla.

Imagen cortesía de Mark Tiele
Westra

De hecho JET, en el Reino Unido – y su sucesor más grande ITER, que se construye en el sur de Francia – pretende operar miles de veces más eficientemente que el Sol, aunque esto requiere generar temperaturas dentro de la vasija de fusión diez veces más elevadas que en el centro del sol.

Sorprendentemente, los científicos e ingenieros han ideado maneras de calentar combustibles de hidrógeno a estas temperaturas, y luego impedir que fundan la vasija mediante su control con campos magnéticos muy elevados (tal como describe Rüth, 2012). En estos experimentos es fundamental, no sólo el seguimiento de las reacciones (ver Dooley, 2012), sino también medir el perfil de temperatura del combustible, desde su núcleo abrasador a los bordes más fríos, de manera que los investigadores puedan generar un entorno óptimo para que se produzca la fusión.

¿Cómo hacen los científicos
para medir la temperatura
dentro de una vasija de
fusión? Un termómetro
convencional se derretiría
en microsegundos.

Imagen cortesía de alxpin /
iStockphoto

A estas temperaturas el combustible de hidrógeno se convierte en el cuarto estado de la materia, el plasma. La medición de la temperatura de un plasma que es diez veces más caliente que el Sol presenta algunos retos – no se puede simplemente insertar un termómetro convencional: se fundiría en microsegundos. Las cosas se complican aún más porque el plasma se compone de dos partículas cargadas muy diferentes: electrones que han sido despojados de los átomos, e iones positivos más pesados formados por la eliminación de los electrones. La clave para generar una fusión es crear iones calientes que se fusionan, pero los electrones pueden responder a los sistemas de calentamiento de manera diferente a los iones – y ¡pueden alcanzar una temperatura diferente! Las complejas interacciones entre los electrones y los iones pueden afectar significativamente al éxito de un experimento de fusión.

A pesar de estos desafíos, los físicos del plasma han desarrollado varios métodos para estimar la temperatura (figura 1) – comparar los resultados de diferentes métodos aumenta la fiabilidad de sus medidas – de manera tal que puedan estar seguros de que están controlando lo que sucede en el interior uno de los lugares más calientes del sistema Solar.

Figure 1A: A stripped-back model
of the JET experiment, showing
only the temperature-measuring
systems. Electron cyclotron
emission (pale purple), LIDAR /
Thomson scattering (red), charge
exchange (bright green), and
X-ray spectroscopy (pale green).
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Figure 1B (inset): The path
of the LIDAR signal through
the plasma: the laser
enters horizontally from
left. A detector at the top
of the vessel picks up light
from this laser, which is
scattered by electrons.
Click on image to enlarge.

Images courtesy of EFDA

Temperatura del electrón

Lazo del lazo: ciclotrón de emisión de electrones

El primer “termómetro” se basa en el efecto que los campos magnéticos tienen sobre las partículas cargadas. Debido a que los electrones están cargados, se ven obligados a girar en espiral a lo largo de las líneas de campo magnético, lo cual genera microondas llamadas ciclotrón de emisión (figura 2). Conforme los electrones estén más calientes – y por tanto se muevan más rápidos – las microondas emitidas serán más intensas.

Las microondas también son sensibles al perfil de temperatura de los electrones, debido a la variación del campo magnético en la vasija donde se realiza la fusión: cuanto más fuerte sea el campo magnético, mayor será la frecuencia de la espiral. Un barrido de la intensidad en función de la frecuencia nos dice la temperatura para cada intensidad de campo magnético. Combinando esto con un mapa espacial de la intensidad de campo magnético, creado por otros sistemas, nos da un perfil de la temperatura de los electrones.

Figura 2: El campo magnético en el toro hace que los electrones sigan trayectorias helicoidales, emitiendo radiación a la frecuencia de su oscilación. Cuanto más fuerte sea el campo magnético (es decir, hacia el polo del toro – el agujero de la rosquilla), mayor será la hélice, lo que da lugar a una espiral más estrecha y por lo tanto una emisión de frecuencia más alta. La intensidad de la radiación viene determinada por la velocidad a la cual viajan los electrones – es decir, su temperatura. Cuanto más caliente esté el plasma, más fuerte será la señal. La intensidad del campo magnético se conoce ya por otras mediciones no discutidas aquí, y así la distribución de la temperatura del plasma se puede calcular mediante la correlación de frecuencia frente a intensidad. Haga clic sobre la imagen para ampliarla.
Imagen cortesía de EFDA

LIDAR ¡La trampa de velocidad!

El segundo “termómetro” del JET utiliza un sistema similar al de las cámaras de la policía para medir la velocidad de las partículas, excepto que utiliza luz láser (LIDAR) en lugar de ondas radioeléctricas. La luz del láser es dispersada por los electrones en un proceso conocido como dispersión de Thomson; si los electrones se están moviendo, entonces la luz dispersada será desplazada según el principio Doppler (figura 3). Estamos más familiarizados con desplazamientos Doppler del sonido: el sonido de los coches tiene un tono más agudo conforme se aproxima hacia nosotros que cuando se aleja. Del mismo modo, si la luz es dispersada por los electrones en movimiento, su frecuencia (color) será desplazada (según Doppler) a frecuencias más altas en los electrones que se mueven hacia el detector y a frecuencias más bajas para los que se alejen del mismo. Cuanto más rápido se mueve el electrón, tanto más grande es el cambio de frecuencia.

El efecto acumulativo de los muchos electrones en el plasma – unos moviéndose hacia el detector y otros alejándose del mismo – es que la banda estrecha de frecuencia original de la luz láser se ensancha (figura 1B). El grado de ensanche nos dice la velocidad de los electrones, y por lo tanto su temperatura.

Se puede generar un perfil bidimensional de temperatura mediante la combinación de datos provenientes de un número de haces disparados en diferentes ángulos a través del plasma. Esto es similar a la creación de imágenes de tomografía computarizada 2D a partir de múltiples fuentes individuales de rayos X.

Figura 3: El efecto Doppler en la dispersión de Thomson. La luz del láser, entrando desde la izquierda, es absorbida y luego re-emitida por los electrones, y un detector, situado en la parte superior, recoge la fracción de luz emitida hacia arriba. El movimiento de los electrones en relación al haz de láser y al detector hace que la frecuencia original de la luz dispersada sea desplazada por el efecto Doppler a frecuencias mayores o menores, dependiendo de la dirección del movimiento.

El electrón A se está moviendo hacia el láser y por lo tanto absorbe radiación desplazada al azul, mientras que el electrón D, que se está alejando, absorbe luz desplazada al rojo, que se dispersa luego a la longitud de onda absorbida. Los electrones B y C no se mueven en relación con el láser, por lo que la luz que absorben está en la frecuencia original. Sin embargo, debido a su movimiento hacia y desde el detector, respectivamente, la luz re-emitida sufre desplazamiento Doppler bien hacia el azul o el rojo, como se muestra. Haga clic sobre la imagen para ampliarla.
Imagen cortesía de EFDA

Temperatura del ión

Desafortunadamente, el LIDAR no es una forma efectiva de medir iones. Esto es debido a que el proceso de dispersión de Thomson se basa en las oscilaciones inducidas de una partícula cargada. Los iones más pesados oscilan menos – no son zarandeados por las ondas de láser tanto como por los electrones más ligeros.

La mayor masa de los iones también significa que su frecuencia de ciclotrón es demasiada baja para ser útil – las ondas son demasiado largas como para dar una medida precisa y llegan a coincidir con la frecuencia de absorción natural del plasma por lo que no escapan del plasma limpiamente.

Además, los iones de hidrógeno en un plasma se vuelven invisibles eficazmente, porque se eliminan todos sus electrones, desactivando el mecanismo de generación de radiación – electrones que saltan entre las órbitas.

Sin embargo, se ha encontrado un camino para medir la temperatura vía la determinación de las impurezas en el plasma. Mientras que grandes cantidades resultan indeseables, trazas de impurezas son útiles para dicho propósito.

Cambio de socios: intercambio de carga

La investigación sobre la
energía de fusión está
inspirada en el Sol, que
fusiona átomos ligeros,
como el del hidrógeno en
átomos más pesados,
liberando energía en el
proceso.

Imagen cortesía de EFDA

Uno de los contaminantes más comunes en el plasma es el carbono, que era el revestimiento de la pared de la vasija del JET hasta el año 2010. Aunque los paneles de carbono han sido reemplazados por otros de berilio y tungsteno, todavía hay rastros de carbono en el plasma. Por lo general, el carbono es invisible, como el hidrógeno, pero se puede hacer visible en un proceso llamado intercambio de carga. Esto conlleva lanzar un haz de átomos neutros de hidrógeno en el plasma a alta velocidad. Cuando estos átomos se encuentran con un ión de carbono, a veces un electrón salta de un átomo de hidrógeno a través del carbono, que a continuación emite un espectro de forma agudo que es fácil de medir.

Debido a la alta temperatura, los átomos de carbono se mueven muy rápido en todas las direcciones, de manera que las frecuencias de los pulsos estrechos del espectro se extienden de la misma forma que se dispersa la señal del LIDAR (figura 3).

Ojos de rayos X: impurezas de tungsteno

Un segundo método para medir la temperatura de los iones – de nuevo basado en las impurezas – se ha aprobado recientemente en el JET: un nuevo detector de rayos X. El tungsteno, inevitablemente, se ha eliminado de los nuevos paneles de la pared pues contamina el plasma en pequeñas cantidades. A diferencia de los átomos ligeros, el tungsteno caliente típicamente retiene aproximadamente la mitad de sus 74 electrones, incluso en el calor extremo del núcleo del plasma, por lo que no deja de ser visible – estos electrones saltan entre las capas de electrones y emiten rayos X. El ensanchamiento Doppler de este espectro de rayos X, causado por el movimiento de los iones, permite calcular la temperatura (como en la figura 3).

Los perfiles de temperatura de estos cuatro sistemas son esenciales para analizar la eficacia de los sistemas de calentamiento actualmente en uso en el JET – algunos de los cuales calientan los electrones, mientras que otros calientan los iones. Las mediciones también proporcionan información vital acerca del comportamiento de la energía en el plasma en diferentes circunstancias, incluyendo la interacción entre los electrones y los iones. Con este conocimiento, los científicos e ingenieros del JET puede controlar el plasma para maximizar el confinamiento de la energía, generando y manteniendo así las condiciones óptimas para la fusión.

 

Demostración del efecto Doppler

Para hacer un experimento en el que se ponga de manifiesto el efecto Doppler, hará falta una pequeña fuente de sonido a pilas que pueda emitir un sonido continuo o un conjunto de sonidos de frecuencia constante. Se puede utilizar un pequeño reloj despertador o un teléfono móvil con señal de llamada o alarma de un solo tono. Además hace falta un calcetín largo o una media – cuanto más larga mejor – y, por último, ¡mucho espacio!

De pie en medio del espacio, activar la alarma del reloj despertador, depositar el despertador en la media y girar ésta alrededor de su cabeza tan rápido como sea posible. Las personas que estén alrededor escucharán que el tono varía según la fuente de sonido se acerque o se aleje de ellos. La persona que esté haciendo girar la fuente de sonido no notará ninguna diferencia, ya que la fuente de sonido se mantiene a la misma distancia de ella.

Más sobre EFDA-JET

El Toro Común Europeo (JET por sus siglas en inglés)w1 investiga el potencial de la fusión como fuente de energía segura, limpia y prácticamente ilimitada para las generaciones futuras. En esta instalación se pueden generar en el plasma las condiciones (100-200 millones de grados C) suficientes para que se produzca la fusión de los núcleos de deuterio y tritio, y se ha logrado producir una energía de fusión máxima de 16 MW. Como instalación compartida por varios países, el JET es utilizado colectivamente por más de 40 laboratorios europeos de fusión. El Acuerdo Europeo para el Desarrollo de la Fusión (EFDA por sus siglas en inglés) proporciona la plataforma para la explotación del JET, y en la actualidad contribuye con más de 350 científicos e ingenieros de toda Europa al programa del JET.

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

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References

Web References

  • w1 – Para saber más sobre EFDA-JET.
  • w2 – EIROforum es una colaboración entre las ocho organizaciones intergubernamentales de investigación científica más grandes de Europa, que combinan sus recursos, instalaciones y experiencia para apoyar a la ciencia europea a que alcance su máximo potencial. Como parte de sus actividades de educación y divulgación, EIROforum publica Science in School.

Resources

Institution

EUROfusion

Author(s)

Dr Phil Dooley es el responsable de comunicación y temas educativos en EFDA-JET. Nació en Canberra, Australia, y completó un doctorado en física del láser en la Australian National University. Como alternativa a la labor académica, trabajó en TI en Rarotonga, Islas Cook, durante 18 meses, antes de volver a Australia y trabajar en la enseñanza de software. Su cariño e interés por la ciencia le llevó de nuevo a la física, esta vez como comunicador, dirigiendo el programa de extensión escolar en la Universidad de Sydney. En octubre de 2011 Phil se incorporó al equipo de EFDA-JET en Oxfordshire, Reino Unido.


Review

Este artículo describe cuatro métodos que son utilizados en la mayor instalación mundial de energía de fusión para estimar la temperatura dentro de la vasija de fusión. Debido a las altas temperaturas involucradas, cualquier termómetro se fundiría al instante.

Los cuatro métodos implican conceptos de diversas áreas de física y química, como la óptica, el electromagnetismo, la mecánica, la energía y la estructura atómica. Además, se presenta una actividad para el aula sobre la demostración del efecto Doppler, que explica en parte alguno de los cuatro métodos.

La serie de artículos sobre fusión en Science in School, de los cuales éste es uno (ver la lista de recursos), tiene un gran potencial interdisciplinario para los estudiantes superiores de Secundaria, ya que los artículos se podrían utilizar para tratar la energía de fusión: como fuente de futuro de energía sostenible, cómo funciona, y sus ventajas y desventajas.


Mariana Martinho, Portugal




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CC-BY-NC-ND