Destino fusión Inspire article

Traducido por Pilar Bustos-Sanmamed. Cinco jóvenes investigadores trabajan para crear una estrella en la Tierra.

¿Qué es lo que te hace convertirte en un investigador sobre la fusión? Un área fascinante y multidisciplinaria, la fusión necesita de gente con diferentes conocimientos y experiencia. Desde física y ciencias de los materiales hasta ingeniería y administración, hay muchas cosas que se necesitan para que un experimento de fusión funcione.

La fusión es el proceso que suministra energía a las estrellas, incluido a nuestro Sol. Para simular el proceso de fusión en la Tierra, los investigadores han usado isótopos pesados de hidrógeno – deuterio, que se obtiene fácilmente del agua y, tritio – y temperaturas casi seis veces más elevadas que la que existe en el centro del Sol. Hay que decir que generar energía a partir de la fusión es uno de los grandes retos de la humanidad. Pero los científicos que investigan la fusión lo han aceptado ya que, una vez logrado, la fusión proporcionará energía casi ilimitada, limpia y segura.

EUROfusion, el consorcio de los institutos que investigan la fusión en la Unión Europea y Suiza, promueve la educación y la formación en el campo de la fusión a través de la financiación de jóvenes investigadores. Hablar con los becarios de EUROfusion, nos puede dar una idea de todo lo relativo a la investigación de la fusión. Para Llion Marc Evans, Mélanie Preynas, Gergely (Geri) Papp, Mike Dunne y Matthias Willendorfer, va más allá de la simple física e ingeniería. Es la emoción de trabajar en un campo multidisciplinar, de conseguir ver como los hogares de todo el mundo se iluminan gracias al proceso de fusión y, la emoción de ser parte de una solución energética futura.

Llion Marc Evans

Llion Marc Evans en el Joint
European Torus

Imagen cortesía de Haydn
Denman

Con un Máster en aeronáutica, el físico galés Llion Marc Evans se movía por el mundo de las carreras de Fórmula 1 cuando entró en boxes. Tras oír historias sobre la energía sostenible y el poder de la fusión, Llion cambió las pistas y condujo directo hacia la investigación sobre la fusión.

Fue en el año 2008, cuando Llion estaba evaluando sus opciones para hacer un doctorado que los informes sobre el cambio climático captaron todo su interés. “Vi un episodio de Horizon en la BBC sobre la energía de fusión y, eso me convenció de que investigar este campo podría ser apasionante y que podría contribuir en la lucha contra el cambio climático”, declaró Llion.

En Noviembre del 2014, después de que Llion finalizase su doctorado sobre los materiales usados en los reactores de fusión, EUROfusion le premió con una beca de investigación y, en Agosto del 2015, empezó a trabajar como becario de EUROfusión en el Centro Culham para la energía de fusión (Culham Centre for Fusion Energy) en Oxfordshire, Reino Unido. Actualmente, está trabajando en un método que permite convertir imágenes 3D obtenidas a partir de rayos X en modelos informáticos de alta resolución para la simulación de los componentes para la planta energética prevista DEMO. “Mediante la creación de una “copia digital” maquetas partes reales en vez de hacer un modelo idealizado”, explica. “Lograr una mayor precisión ayuda en el diseño del proceso y mejora nuestras predicciones sobre el rendimiento de las plantas energéticas”.

La delgada línea entre la física, la ingeniería y la ciencia de los materiales y, las bases establecidas en los campos experimentales, computacionales y teóricos son los que hacen apasionante investigar la fusión para Llion. A parte de varias tazas de café, dice, nada es típico en el día de alguien que investiga la fusión. “Un día, puedo usar una instalación concreta, como la fuente de neutrones ISIS, otro día uno de los ordenadores más potentes del mundo como el ARCHER o, puedo estar sentado en la biblioteca leyendo artículos de revistas científicas”, añade.

Pero finalmente, para Llion, el potencial para producir un cambio positivo a una escala global  es lo más atractivo de investigar sobre la fusión. “Mi esperanza es que yo pueda ver la primera planta energética de fusión generando electricidad en la red antes de retirarme y, así, haber contribuido en parte a ese momento”.

Mélanie Preynas

Mélanie Preynas en el
tokamak TCV del Centro
Suizo del Plasma
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Imagen cortesía de Olivier
Sauter

Cuando se habla de los estados de la material, el cuarto estado, el plasma, no es tan conocido como el estado sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, es la forma de la materia más abundante en el Universo, y es crucial para la fusión nuclear. Uno de los ingredientes necesarios para que resulte exitoso un experimento de fusión en un tokamak, uno de los aparatos de fusión más avanzados en la actualidad, es un plasma ordenado y estable pero, conseguir unas buenas condiciones y estabilidad no es sencillo. Este reto es uno de los que intenta abordar la física Mélanie Preynas. Con su trabajo, pretende controlar, a tiempo real, lo que se conoce como inestabilidades “magnetohidrodinámicas” en el plasma.

Solamente aclarar que, la magnetohidrodinámica se refiere al estudio de las propiedades magnéticas de conductores eléctricos como el plasma. Los campos magnéticos generan corrientes en los fluidos conductores, que en definitiva modifican la geometría y la fuerza de los propios campos magnéticos. ”Para lograr la estabilidad y un buen rendimiento del plasma, necesitamos controlarlo a tiempo real”, dice Mélanie. ”Una posibilidad es lanzar microondas en los tanques del tokamak para generar calor y dirigir la corriente”, explica.

Mélanie, que actualmente trabaja en el Centro Suizo del Plasma (Swis Plasma Center) de la Escuela Politécnica Federal de Lausan (École Polytechnique Fédérale de Lausanne), descrubrió el mundo de la investigación sobre la fusión durante su doctorado en el Instituto de Investigación de la Fusión Magnética (Institute of Magnetic Fusion Research) en Francia. La idea de desarrollar una nueva fuente energética es lo que inicialmente movió a Mélanie para investigar la fusión. Una vez que conoció esta área de investigación, le apasionó la naturaleza multidisciplinar de este campo. “Es una mezcla de científicos teóricos y experimentales trabajando con técnicos e ingenieros para obtener y entender los resultados experimentales de los dispositivos de fusión”, dice Mélanie.

La vida de una joven investigadora de la fusión puede ser excitante, divertida y competititva. El trabajo de Mélanie también es variado y algo más que trabajar en los tokamaks. “Paso mucho tiempo en mi oficina analizando resultados, o días enteros en la sala de control del dispositivo de fusión cuando hay una misión experimental o haciendo calibraciones del sistema de medida de la máquina”, señala. Mélanie mira al futuro y espera continuar investigando sobre la fusión.

Gergely (Geri) Papp

Geri Papp en el ASDEX
Upgrade
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Imagen cortesía de EUROfusion

¿Hasta dónde te pueden llevar las fantasías de la infancia? En el caso del becario EUROfusion Gergely (Geri) Papp, fueron las que pusieron los cimientos para su carrera como investigador sobre la fusión. Geri, que era (y aún es) un fanático de la ciencia ficción, aprendió que no hay nada de ficción en los reactores de fusión que aparecen con tanta frecuencia en las páginas de ciencia ficción. “Parte del motivo por el que me convertí en físico es porque quería trabajar en la fusión”, dice Geri, que inicialmente estudió física en Hungría, su país de origen, antes de realizar su tesis doctoral. 

Geri actualmente trabaja en el Instituto Max Planch para la Física del plasma (Max Plank Institute for Plasma Physics) en Garching, Alemania, que aloja el tokamak ASDEX Upgrade. ”Es una máquina fantástica para trabajar con ella porque te permite planificar y llevar a cabo experimentos en una escala de tiempo relativamente más corta en comparación con experimentos más grandes y, a su vez, te da resultados que son esenciales”, explica.

Uno de los proyectos en los que trabaja Geri está relacionado con los electrones fugitivos. Dentro de los reactores de fusión una mezcla de electrones calientes e iones positivos se mueven al azar. La mayoría de las partículas se desplazan sin causar daños, chocándose unas con otras, pero algunos electrones de movimientos rápidos, conocidos como electrones fugitivos, colisionan con las paredes de los tanques de fusión experimentales. “Nuestro objetivo es conocer mejor el proceso de formación de esos electrones y diseñar un sistema seguro para eliminarlos o mitigarlos”, explica Geri.

Desde llevar a cabo experimentos hasta desarrollar modelos teóricos, implementando códigos numéricos, dando clases, publicando artículos científicos y dando charlas, la vida de un investigador sobre la fusión es excitante. Pero el mayor motivador para Geri es la expectativa de conseguir energía de fusión. “Si se consigue, la fusión será lo más aproximado a una fuente de energía ideal: limpia, segura, abundante, accesible y controlable”. El hecho de que la energía a partir de la fusión pueda tardar décadas en llegar poco desalienta el entusiasmo de Geri. “A la humanidad le llevó más de 6000 años aprender cómo volar o construir ordenadores; incluso si lleva 50 años más conseguir la energía de fusión, puedo vivir con ello”.

Matthias Willensdorfer

Matthias Willensdorferat en
el ASDEX Upgrade
.
Imagen cortesía de EUROfusion

Cuando los experimentos se están realizando en el ASDEX Upgrade, podemos encontrar a Matthias Willensdorfer en la sala de control. Sentado entre otros 30 científicos, su tarea es asegurarse de que la temperatura de los electrones medida dentro del tokamak, el aparato responsable para producir reacciones de fusión controladas, sea la correcta.

En el caso de que exista un fallo en la configuración de los cálculos, Mathias tiene que resolverlo inmediatamente. Un pico de tensión puede alterar uno de los componentes u ocasionar que la señalización de uno de los dispositivos no funcione correctamente. Y, para todo esto solo tiene 20 minutos antes de que el siguiente ciclo del experimento comience. “Puede ser apasionante… y estresante”, dice con una sonrisa.

Matthias se unió al Instituto Max Planck de Física del Plasma en Garching, Alemania, como un becario EUROfusion tras completar su doctorado y trabajar como científico invitado en el ASDEX Upgrade. Dice que realizar experimentos es solo una faceta de su trabajo. “Puedes estar desde unos pocos meses a unos pocos años desarrollando y elaborando nuevos cálculos o planificando nuevos experimentos”, explica Matthias. Para él, el trabajo experimental y la predicción de resultados hace apasionante la investigación sobre la fusión. “La ciencia de la fusión combina varios campos como la dinámica de fluidos, la electrodinámica y la física del plasma…nunca te aburres”.

Al profundizar en la física, en el análisis de datos y la programación, Matthias está luchando por entender la respuesta del plasma ante las perturbaciones magnéticas externas producidas por colisiones adicionales. Los plasmas de fusión pueden desarrollar varios tipos de inestabilidades y algunas de ellas, como los modos localizados en el borde (edge localised modes, ELMs), tienen el potencial para dañar la cubierta interna de la pared de un tokamak. “Perturbaciones magnéticas externas, aunque pequeñas, pueden usarse para mitigar estos ELMs”, explica Matthias. “En teoría, el plasma puede debilitar o amplificar estas perturbaciones y puede además cambiar el comportamiento de estas inestabilidades en el borde. Mi función es medir y caracterizar esta respuesta y compararla con diferentes teorías”.

A parte de los experimentos, el análisis de datos y la programación, Matthias dice que hay también un idealismo detrás de su decisión de dedicarse a la investigación sobre la fusión. “El problema energético es enorme y, quiero hacer algo al respecto”. Y la investigación sobre la fusión sería una forma de hacerlo.

Mike Dunne

Mike Dunne en el ASDEX
Upgrade.

Imagen cortesía de EUROfusion

La decision de Mike Dunne de comenzar a investigar en el campo de la fusión fue algo más bien accidental. Tras completar su licenciatura en Astrofísica y Física, Mike estaba buscando alguna buena opción para realizar la Tesis doctoral cuando su professor le informó sobre un puesto para trabajar en física del plasma. “Como yo tenía planeado estudiar física de algún tipo de fluido o del plasma, no fue un gran cambio”, dice Mike, que obtuvo su doctorado antes de conseguir su actual puesto como becario EUROfusion en el Instituto Max Planck de Física del Plasma en Garching, Alemania.

Para Mike, ahora es quizás el mejor momento para participar en la investigación sobre la fusión. “Estamos justo en el límite de todo…el tema avanza rápidamente ya que ITER [la próxima generación de experimentos de fusión] están siendo diseñados, se está haciendo la planificación para realizar las pruebas en los reactores y, (es apasionante) saber que tú puedes estar en mitad de todo esto, intentando descifrar los puntos claves y comprender qué está pasando”.

Ser parte del juego que puede cambiar el panorama energético es en sí excitante, pero para un físico, la investigación sobre la fusión es verdaderamente fascinante. Mike trabaja en lo que se ha llamado la frontera de la física: qué es lo que ocurre por fuera del plasma en un experimento de fusión. “Hay dos partes diferenciadas aquí”, explica, “una que está dentro del plasma confinado y, otra fuera. La capa interna es bastante estrecha, solo 2 cm de los 50 que tiene de radio el plasma, pero desprende una gran cantidad de calor desde el interior, donde tiene lugar la fusión y, la externa más fría, en la zona donde está ya la pared de la máquina. En la capa externa del plasma confinado es en donde las particulas y el calor son expulsados desde el plasma y bombeados hacia el exterior”.

El calor en la capa interna es directamente proporcional al poder de fusión que puede ser extraido desde una eventual planta energética. “En lo que he trabajado últimamente es en como estas dos [capas] interaccionan entre ellas”, añade. Comprendiendo esta interacción se adaptará el diseño y las condiciones operativas en las futuras plantas energéticas de fusión.

Debido a la expectación y agitación que genera la tecnología y la energía de fusión, Mike dice que la comunidad que trabaja sobre la fusión en Europa es brillante y colaborativa. “Hay más opciones de comunicación, para discutir nuestros resultados e ideas con otras personas”, explica. “La ciencia se basa en colaboración y comunicación, además, analizar datos, realizar experimentos y programar, leer los artículos de otra gente, escuchar conferencias y seminarios, preparar pósters y charlas para los congresos son todo parte de un día típico,” dijo. “Todo eso y café…el café definitivamente también está implicado”.
 

EUROfusion

El Consorcio Europeo para el desarrollo de la Energía de Fusión (EUROfusionw1) incluye representantes de 28 estados miembros europeos junto con Suiza y, gestiona las actividades de investigación sobre la fusión en el seno de Euratom. Más de 40 laboratorios europeos sobre la fusión comparten el Joint European Torus (JET), que ha sido el aparato de fusión magnética más grande del mundo desde su construcción en 1983. Trabajos nacionales más pequeños realizados en Alemania, Suiza y Reino Unido complementan el programa experimental. El objetivo es generar electricidad de fusión para el año 2050.

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Institution

EUROfusion

Author(s)

Misha Kidambi es jefe de comunicación para EUROfusion dentro de la unidad de gestión del programa EUROfusion en Garching, Alemania.




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