El súper frío colisiona con el súper calor Understand article

Traducido por Rafael Martínez-Oña. Para recargar su reactor, la instalación EFDA-JET dispara pequeñas bolas (pellets) de hidrógeno congelado al plasma que está a 150 millones °C. Pero estas bolitas también tienen otro objetivo.

Imagen cortesía de EFDA JET

En EFDA-JET, cerca de Oxford, en Inglaterra, estamos trabajando para desarrollar la fusión nuclear – la reacción que se produce en el interior del sol – como una nueva fuente de energía. La energía de fusión se produce cuando los núcleos colisionan y se combinan. JET utiliza como combustible dos isótopos pesados de hidrógeno: el deuterio, que tiene un neutrón y un protón, y el tritio, que tiene dos neutrones y un protón. Cuando un núcleo de deuterio colisiona con un núcleo de tritio y se fusiona para crear un núcleo de helio, la energía liberada es tan grande que 1 g de combustible de deuterio-tritio puede producir tanta energía como la que se genera cuando se queman 10 toneladas de carbón. En la máquina JET calentamos el combustible de fusión a más de 150 millones de grados centígrados. A esta temperatura, el combustible se convierte en plasma, el cuarto estado de la materia, conforme se van eliminando los electrones de los átomos para crear un gas de iones y electrones. Este plasma se mantiene confinado mediante campos magnéticos muy elevados dentro de la cámara de reacción que tiene forma toroidal.

Uno de los retos que tiene planteada la investigación de fusión es cómo introducir el hidrógeno de manera eficiente en el plasma que se encuentra a elevadas temperaturas – la solución a este reto resuelve dos problemas.

Alimentar el plasma

En un reactor nuclear de
fusión, la energía se produce
cuando colisiona un núcleo
de hidrógeno muy pesado
(tritio) con uno de hidrógeno
pesado (deuterio), se
transforman en helio y
liberan un neutrón

Imagen cortesía de Nicola Graf

Si simplemente sólo introdujésemos gas deuterio-tritio en la cámara, la mayor parte del mismo se perdería y nunca llegaría al centro de plasma. Sin embargo, a temperaturas tan altas, las moléculas de gas encuentran partículas de plasma cargadas tan pronto alcanzan los bordes del plasma. Estas partículas cargadas colisionan con el gas, lo ionizan, y el gas ionizado se convertirá en parte del plasma. Debido a que la mayor parte de esta ionización ocurre en el mismo borde del plasma, estas partículas ionizadas se moverán a lo largo de las líneas de flujo magnético. Aquellas partículas que están demasiado lejos estarán en líneas de campo que no se cierran; en lugar de convertirse en parte del plasma, golpearán la pared de la cámara y se perderán. Incluso las partículas que están en el interior del plasma pero cerca del borde son susceptibles de salir fuera del mismo cuando colisionen con otras partículas del plasma.

Una solución más eficiente es disparar bolitas de hidrógeno congelado dentro del plasma. Si estas pastillas se mueven con mucha rapidez, pueden penetrar en el interior del plasma antes de evaporarse y pasar a formar parte del mismo, es decir sólo se perderá una pequeña cantidad y casi todas las partículas de las pastillas se quedarán dentro del plasma. Así, aunque en última instancia tenemos que calentar el combustible a cientos de millones de grados, lo primero que hay que hacer es enfriarlo a temperaturas cercanas al cero absoluto, de manera que el hidrógeno se congele para convertirse en sólido. En los últimos 20 años se han desarrollado y probado sistemas, en distintas máquinas y también en JET, para inyectar dichas pastillas en plasmas.

Beneficios añadidos

Recientemente, se ha descubierto que cuando las pastillas de hidrógeno congeladas colisionan en el borde del plasma de fusión, pueden generar lo que se llama un modo localizado en el borde (ELM por sus siglas en inglés), una breve y abrupta expulsión de energía del plasma – algo así como una pequeña llamarada solar.

Estas expulsiones de energía se han convertido en un tema importante en la investigación de fusión, ya que algunas son lo suficientemente grandes como para dañar las paredes de la cámara de reacción. En JET, hemos recubierto recientemente las superficies con metales de wolframio y berilio, que tienen la ventaja de absorber menos combustible de hidrógeno que las superficies de carbono utilizadas anteriormente. Sin embargo, esto tiene un precio, las nuevas paredes son más propensas a sufrir daños por estos ELM.

El inyector de pastillas
(“pellets”)

Imagen cortesía de EFDA JET

Los ELM no sólo están generados por las pastillas de hidrógeno – se producen espontáneamente en casi todos los plasmas de «alto rendimiento» y se están desarrollando muchas estrategias para reducir su impacto. Los ELM se producen a intervalos regulares, y entre los ELM, la presión en el plasma se acumula hasta que alcanza un nivel que ya no puede ser mantenido. En ese momento, las partículas y la energía son liberadas abruptamente en el próximo ELM. Estamos tratando de encontrar maneras de evitar los ELM, pero su eliminación conlleva un alto precio, dando lugar a plasmas de bajo rendimiento. En cambio, ahora nos estamos moviendo en la dirección opuesta, tratando de inducir ELM pequeños y con mayor frecuencia de manera que no causen ningún daño.

Aquí es donde resulta importante el hecho de que las pastillas de hidrógeno den a lugar a la aparición de los ELM – además de recargar el reactor, pues también sirven para controlar sus características. Se puede decir que es como si las pastillas de hidrógeno “cosquilleasen” el borde del plasma y le hiciesen estornudar. Para hacerle “cosquillas” al plasma en su borde, las pastillas no tienen que penetrar mucho en su interior de manera que podríamos utilizar bolitas mucho más pequeñas que las necesarias para poner combustible en el centro del plasma. Esto está muy bien, ya que necesitaríamos activar los ELM hasta 50 veces por segundo y estaríamos poniendo demasiada cantidad de deuterio-tritio en el plasma si utilizásemos pastillas de tamaño estándar.

En el sistema de inyector de pellets del JET, el inyector PELIN de alta frecuencia (HFPI por sus siglas en inglés) produce pastillas de 1 a 4 mm de diámetro y se transmiten a través de tubos de 1 cm de diámetro a través de distancias de 10-15 m a velocidades de hasta 50 pastillas por segundo. Después de que las pastillas son lanzadas por el HFPI, en la zona de diagnóstico se utilizan cámaras para comprobar el tamaño y la velocidad de las pastillas. A continuación, las pastillas se introducen en uno de los tres tubos que las lanzan al plasma; cada uno de ellos entra en la cámara de reacción en un lugar diferente. En esta representación esquemática, el tamaño del HFPI se ha exagerado con un factor de 3, aproximadamente, respecto a la máquina JET
Imagen cortesía de EFDA JET

Con este nuevo objetivo, se ha puesto en funcionamiento en el JET un nuevo inyector de pastillas versátil y de alta frecuencia. Funciona, algo así, como una ametralladora y puede disparar largas secuencias de pastillas de distintos tamaños en el plasma. Se pueden inyectar hasta 15 pastillas grandes (de 10-50 mm3) por segundo para alimentar el plasma, pero también se puede utilizar este dispositivo para inyectar hasta 50 pastillas pequeñas (2-3 mm3) por segundo con el fin de generar ELM pequeños.

Este dispositivo para inyectar el combustible ha contribuido a acercar la fusión como fuente de energía inagotable, no uno, sino dos pasos. El proceso de alimentar un plasma caliente es ahora más eficiente y un efecto colateral, aparentemente problemático, se ha controlado para que resulte beneficioso. Ahora sabemos cómo hacer frente a los ELM, uno de los retos más difíciles para operar un reactor de fusión.

Fotografía de una larga y pequeña pastilla de deuterio congelado cuando penetra el plasma a 150 millones de grados centígrados
Imagen cortesía de EFDA JET

El inyector de pellets, fabricado por la empresa PELIN de San Petersburgo en Rusia, produce un flujo continuo de deuterio helado en el interior de un tornillo vertical, refrigerado por helio líquido. Con la temperatura por encima del punto de congelación del deuterio en la parte superior del tornillo y con la temperatura por debajo del punto de congelación en la parte inferior, el deuterio entra en forma de gas en la parte superior antes de la condensación y se va congelando conforme avanza, por el interior, hacia la parte inferior del tornillo. Cuando el tornillo gira, por la parte inferior va saliendo deuterio a 18 K (-255 ° C). A partir de este material helado (sólido), se van cortando pastillas, con forma de pequeños cilindros, antes de ser disparadas hacia el plasma con una especie de pistola de aire comprimido. Si el hielo está demasiado caliente, las pastillas se funden en su camino hacia el plasma; si está demasiado frío, el hielo es tan rígido que se hace añicos cuando se corta. Pero cuando las pastillas salen del “cañón” aún no han acabado sus problemas; tienen que recorrer un viaje bastante tortuoso, entre 10 y 20 metros de largo, una montaña rusa de tuberías antes de que puedan llegar al plasma y hacer su cometido.

 

Más acerca de EFDA-JET

The Joint European Torus (JET)w1 investiga el potencial de la fusión como fuente de energía segura, limpia y prácticamente ilimitada para las generaciones futuras. Puede conseguir las condiciones necesarias (100-200 millones de grados centígrados) en el plasma para que se produzca la fusión de los núcleos de deuterio y tritio, ya se ha logrado una producción de energía de fusión máxima de 16 MW. La instalación del JET es utilizada colectivamente por más de 40 laboratorios europeos de fusión como una instalación compartida. El Acuerdo Europeo para el Desarrollo de la Fusión (EFDA) proporciona la plataforma para explotar el JET, en la actualidad contribuye al programa del JET con más de 350 científicos e ingenieros de toda Europa. Mientras que el combustible de deuterio-tritio se utiliza en las plantas de energía de fusión, los experimentos de fusión normalmente utilizan reacciones de deuterio-deuterio para evitar trabajar con tritio radiactivo. El JET es actualmente la única instalación de fusión con licencia para trabajar con tritio, aunque lo hace muy raramente para experimentos específicos.

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

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Web References

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

Resources

Institution

EUROfusion

Author(s)

Hasta hace poco tiempo, el Dr. Phil Dooley fue responsable de comunicación (noticias y educación) en EFDA-JET. Nació en Canberra, Australia, y completó un doctorado en física del láser en la Universidad Nacional de Australia. Para salir del mundo académico trabajó durante 18 meses en tecnologías de la información en Rarotonga, Islas Cook, antes de regresar a Australia y trabajar en software para formación. Su amor por la ciencia lo llevó de nuevo a la física, esta vez como comunicador, desarrollando un programa de extensión escolar en la Universidad de Sídney. En octubre de 2011, Phil se unió al equipo EFDA-JET en Oxfordshire, Reino Unido. La nostalgia lo llevó de vuelta a Australia, donde ahora trabaja como escritor de temas científicos en la Universidad Nacional de Australia y la revista Cosmos.

Morten Lennholm es un ingeniero en el JET. Se graduó en la Universidad Técnica de Dinamarca, y se especializó en Microondas y Control de Sistemas. Morten completó su tesis de maestría en el CERN en Ginebra y, después de haber disfrutado del entorno internacional, se presentó a diferentes oportunidades de trabajo en varios laboratorios de todo Europa. Se unió a EFDA en 1987 con la intención de permanecer durante dos años y aún sigue allí. Hoy en día uno de sus puestos de trabajo está relacionado con la operación del inyector de pastillas (“pellets”) de alta frecuencia.


Review

En este artículo se describen las actividades de investigación realizadas para el desarrollo de un método para producir energía eléctrica a partir de la fusión de núcleos atómicos ligeros – al igual que lo hace el sol. En la actualidad, el JET es el mayor experimento de fusión y se encuentra en Culham, Reino Unido.

El artículo presenta a los profesores de física o ciencias un breve resumen de cómo funciona la fusión y describe en detalle cómo alimentar con combustible a un reactor de fusión utilizando bolitas de hidrógeno congeladas. Por lo tanto, este artículo podría ser útil no sólo para la asignatura de física, sino también para la de química o para los debates sobre generación de energía y sostenibilidad.

Este artículo estimula el planteamiento de preguntas como:

  • ¿Cómo funciona la fusión en general?
  • ¿Qué es el plasma? Describe maneras de generar el plasma.
  • Describe los diferentes estados de la materia.
  • Describe una manera de alimentar un reactor de fusión tipo tokamak. ¿Qué problemas pueden ocurrir?

Gerd Vogt, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Austria




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CC-BY-NC-ND