Drones de fusión: técnicos “robot” para dispositivos nucleares Understand article

Traducido por Samuel Benaim y Gabriel Pinto (Universidad Politécnica de Madrid). Reparar un dispositivo de fusión puede ser un desafío para personas. Los drones pueden ser la solución.

Vista aérea del complejo del
ITER

Imagen cortesía de la ITER
Organization

Pocos lugares son demasiado peligrosos, sucios o difíciles para acceder con vehículos no tripulados, conocidos como drones. Parecidos a mini helicópteros, los drones fueron desarrollados principalmente para un uso militar, pero pronto se abrieron camino en el campo civil. La fotografía aérea, la vigilancia del tráfico o la supervisión medioambiental son sólo unos pocos ejemplos en donde los drones ya están en uso, actuando como nuestros ojos y oídos. Sus potenciales aplicaciones se están expandiendo rápidamente, y, según parece, los drones tienen un futuro prometedor en la investigación en fusión.

La física de la fusión

La fusión nuclear es el proceso que produce la energía de nuestro sol y las estrellas. Ocurre cuando átomos de elementos ligeros, como el hidrógeno, se fusiona para formar elementos más pesados, como el helio, liberando grandes cantidades de energía en el proceso. Los investigadores de la fusión replican el proceso aquí en la tierra usando dispositivos de fusión como los tokamaks o stellarators. El combustible más eficiente para la fusión es una mezcla de deuterio y tritio.  

Debido a que la fusión se basa en la colisión de núcleos de átomos, el primer requisito es exponer el núcleo quitando sus capas exteriores, sus electrones. Esto se hace con calor y campos eléctricos: los átomos se calientan y ceden sus electrones, creando un plasma – una “sopa” de núcleos con carga positiva y electrones con carga negativa –. Las partículas cargadas se repelen entre ellas, pero esto se puede vencer haciendo colisionar los núcleos a altas velocidades, lo que se consigue calentando el plasma a más de varios miles de millones de grados centígrados. A medida que el plasma se calienta, los núcleos empiezan a colisionar a altas velocidades y una pequeña fracción de ellos se unen, liberando una  gran cantidad de energía.

Un investigador utiliza el manejo remoto para controlar un brazo robótico en el interior del JET tokamak
Imagen cortesía de CCFE

Una mano amiga

Cuando sea aprovechada, la fusión tiene el potencial de proporcionar energía abundante y libre de emisiones de dióxido de carbono al mundo. Pero la energía de fusión no es fácil de conseguir –los dispositivos de fusión son máquinas complejas que requieren condiciones minuciosamente controladas y un mantenimiento periódico, con muchas aristas difíciles de alcanzar–.  

El interior de un dispositivo (o reactor) de fusión es extremadamente delicado, y su intrincada geometría hace que sea difícil maniobrar en él por personas. Cualquier daño al dispositivo puede significar reparaciones valoradas en millones de euros y la pérdida de tiempo experimental. Por esta razón, en la investigación de fusión, la tecnología de control remoto y los dispositivos robóticos no son nuevos. La tecnología más conocida entre los investigadores de la fusión es el “manejo remoto”, usado en el JET tokamak de EUROfusionw1,, que es actualmente el dispositivo de fusión más grande del mundo. Por el control remoto, los operadores manipulan los brazos robóticos para realizar tareas de mantenimiento en el interior de áreas del tokamak que son de difícil o imposible acceso para las personas.

Los dispositivos robóticos también se usan en el exterior de los reactores de fusión. En el ITER, el mayor experimento de fusión actualmente en construcción en Cadarache, Francia, los drones equipados con tecnologías de mapeo 3D en tiempo real proporcionan a los investigadores de la fusión imágenes detalladas de los reactores y permiten la inspección sobre el terreno, con el plus añadido de tomar algunas imágenes aéreas preciosas.

Vistas aérea del complejo del ITER
Imagen cortesía de la ITER Organization / EJF Riche

Compañeros de equipo robóticos

Vista interior de la cámara de
vacío del Jet con el mango de
manejo remoto

Imagen cortesía de EUROfusion

Antony Loving, director del grupo de control remoto de JET, piensa que sin duda hay sitio para los drones en la investigación en fusión. “Un dispositivo de fusión tiene muchos sitios donde el acceso está restringido, ya sea por la complejidad de la planta o las condiciones ambientales”, dice. “Puedo imaginar que un día, el dron pueda llevar herramientas para pequeñas inspecciones y mantenimiento a un lugar de trabajo muy adentro de las estructuras de fusión del tokamak y, autónomamente, realice tareas de mantenimiento.” 

De hecho, un equipo del Centro de Aplicaciones Remotas en Entornos Difíciles (RACE, por sus siglas en inglés)w2en el Centro Culham para Energía de Fusión, en el Reino Unido, está haciendo exactamente eso. “El principal uso de un dron es poner tus ojos en el lugar correcto, para recopilar los mejores datos visuales (y de otros tipos) sin necesidad de cables”, dice Rob Buckingham, director del RACE. “Pero, no es lo óptimo si tenemos que tener un operador de dron por cada uno”, dice. Y eso es por lo que el equipo de Rob está trabajando en desarrollar drones que puedan operar de forma autónoma. “Parece posible que avancemos desde las operaciones remotas a la supervisión remota con mayores niveles de autonomía, con vistas a la mejora de la eficiencia de las [futuras] instalaciones [de fisión]”, señala.

Richard Kembleton, coordinador de estudios socioeconómicos de EUROfusion, lleva esta idea aún más lejos. “Los drones son sólo una tecnología potencial para llegar a estos espacios. Los robots que se arrastran o andan pueden ser útiles también.” Si los drones y los robots pueden trabajar juntos en el interior de un dispositivo de fusión, podremos ver también un equipo de robots y drones autónomos que hagan las labores de inspección y mantenimiento.

El gran reto

Un dron típico usado para
fotografía aérea es de unos
35 cm de ancho.

Imagen de dominio público.
Fuente: Pixabay

El camino para usar drones en el interior de reactores de fusión no está exento de desafíos. “En funcionamiento normal, un reactor de fusión productor de energía sería demasiado radiactivo en el interior para la electrónica compleja”, dice Richard. “Las secuelas de la reacción [de fusión] deja un “baño” de rayos gamma que rápidamente degrada los componentes electrónicos, como los usados en drones.” La radiactividad dentro del reactor de fusión es mucho menor que la de un reactor de fisión y casi nunca escapa del recipiente del reactor, pero es suficiente para destruir el dron en el interior del recipiente. “La tecnología actual de drones es muy dependiente de la electrónica en placa, que necesitaría ser reforzada contra la radiación”, dice Antony.  

En el RACE, los investigadores trabajan en superar estos obstáculos. “Una de las cosas que estamos haciendo es trabajar con el NIST (US National Institute for Standards and Technology) para crear ensayos normalizados para robótica. Ahora tenemos tres escenarios de ensayo, incluyendo uno llamado ‘pajarera’. Como puedes suponer, este se usa para probar drones”, dice Rob. “Estamos a la expectativa de los primeros drones de prueba en esta área antes de movernos a la instalación de ensayo, y finalmente llevarlo al propio JET”, dice, pero puntualiza que el camino para realizar pruebas dentro del recipiente todavía es largo.  

“Desde luego, a todo investigador de drones le gustaría ser el primero en volar un dron el interior del JET”, dice Rob. “Y en ello reside otra belleza de la fusión. No sólo la fusión resolverá el deseo insaciable de energía de la humanidad, sino que también podemos legítimamente declararlo uno de los lugares más excitantes del planeta para trabajar … ¡La robótica y la fusión es una mezcla muy estimulante para unos cerebritos como nosotros!”

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Web References

  • w1 – EUROfusion gestiona y financia las actividades europeas de investigación en fusión, con el objetivo de obtener electricidad de fusión en 2050. El consorcio agrupa a 30 miembros de 26 países de la Unión Europea, así como de Suiza y Ucrania.

  • w2 – El Remote Applications in Challenging Environments Centre (RACE) forma parte de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido, que gestiona el proyecto de fusión JET en nombre de la Unión Europea. 

Resources

Institution

EUROfusion

Author(s)

Misha Kidambi es la directora de comunicaciones para EUROfusion, el Consorcio Europeo para el Desarrollo de la Energía de Fusión, que gestiona y financia las actividades europeas de investigación en fusión. Realizó su Máster en periodismo científico y tecnológico en la Universidad A&M de Texas, EEUU, y desde entonces ha trabajado en las oficinas de comunicaciones de organizaciones de investigación. Un aspecto de su trabajo en EUROfusion consiste en elaborar contenido de investigación en fusión para que este tema sea más accesible a un público no especialista.


Review

Se trata de un artículo cautivador y muy bien estructurado que despierta la imaginación y da una sensación de que “todo es posible”. Inspira a los lectores y les hace considerar el  futuro de la física e ingeniería.

El tema de la fusión normalmente tiene pocos recursos en un entorno escolar, por lo que este artículo es particularmente útil y puede ser usado como un ejercicio de comprensión o de discusión.

Las áreas clave que podrían considerarse incluyen:

  • Relaciona las condiciones para la fusión con la dificultad de hacer una central eléctrica de forma práctica y económica.
  • Explica las precauciones adoptadas para asegurar la seguridad de las personas expuestas a la radiación, incluida la limitación de su dosis.
  • Considera las implicaciones científico-sociales que supone que los robots realicen una gran cantidad de trabajo que actualmente desarrollamos los humanos; en especial, el impacto que esto puede tener en el empleo. Los estudiantes pueden ver los beneficios y los inconvenientes de incrementar la autonomía para aumentar la eficiencia.
  • Diseña un dron que necesite características especiales para protegerse de los altos niveles de radiación presente dentro de un tokamak.

Seren Essex, Bodmin College, Reino Unido



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CC-BY