Materiales en ITER - UPMateriales

Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales e investigadora en CIEMAT

Esta entrada hace referencia a ITER, uno de los mayores proyectos científicos, en el que intervienen varios países. Su objetivo es demostrar que es posible la fusión nuclear y que se puede aprovechar de una manera comercial. El reactor de fusión ITER que se está construyendo actualmente en Francia alcanzará su «primer plasma» en 2025, cinco años después de lo previsto.

El objetivo es generar energía de un modo similar al que se genera en el sol, mediante la fusión de dos núcleos de hidrógeno para generar helio: dos núcleos atómicos se unen para dar lugar a otro núcleo con mayor masa. Generalmente esta unión va acompañada con la emisión de partículas (en el caso de núcleos atómicos de deuterio se emite un neutrón) y energía.

Por lo tanto el combustible para los reactores de fusión será una mezcla de deuterio y tritio. Este combustible se calentará a millones de grados formando un plasma caliente. El dispositivo central del ITER es un tokamak, es decir el plasma se confina magnéticamente en una cámara de vacío toroidal. Los fuertes campos magnéticos son producidos por bobinas superconductoras que rodean la cámara.

La elección de los materiales para ITER ha sido una tarea complicada y controvertida. Hay que tener en cuenta la complejidad de la operación y los múltiples factores que hay que estudiar para validar su uso en ITER. La evolución de la microestructura en un reactor de fusión puede llevar a la degradación de las propiedades físicas: disminución de la conductividad térmica y eléctrica y degradación de las propiedades mecánicas. La formación de gas puede causar un hinchamiento macroscópico del material, dando lugar a una pérdida de estabilidad dimensional. Estos efectos son los principales factores que limitan la elección de los materiales candidatos para los reactores de fusión. Además de una buena resistencia al daño por radiación, los materiales deben mostrar alta capacidad de resistencia térmica, larga vida útil, alta fiabilidad y fabricación sencilla con un coste razonable.

ITER2 — Sección transversal de la vasija del ITER y componentes más importantes

Vasija de vacío

La vasija de vacío es una estructura de doble pared con forma de toroide de acero en cuyo espacio interior se confina el plasma, confinado mediante intensos campos magnéticos producidos por bobinas superconductoras. La primera pared se fabricará de berilio. A continuación habrá una pared de cobre para refrigerar el berilio y todo ello estará acoplado a una estructura de acero inoxidable.

Este componente proporciona una barrera adecuada para la generación y el mantenimiento de vacío, necesario para limitar la cantidad de impurezas dentro del plasma. Actúa como escudo contra los neutrones y consta de diversas aperturas para los sistemas de calentamiento, equipos de vacío o refrigeración y puertos de control del plasma.

Divertor

La parte inferior, el divertor, estará constituido por una serie de piezas desmontables que tendrán contacto directo con el plasma. Se encargará de limpiar el plasma de impurezas, como pueden ser las que se produzcan por la interacción entre el plasma y la primera pared. Esta parte del reactor es la que tendrá que aguantar la mayor carga energética de toda la vasija de vacío y para ello se recubrirá de wolframio. Estos elementos se encuentran rodeados por una gran estructura de acero, el criostato, que mantiene el conjunto térmicamente aislado.

Sistema magnético

Para confinar el plasma se utilizan campos magnéticos producidos por varios electroimanes incluyendo un solenoide central alrededor de la vasija. Se espera que sea necesario un campo magnético elevado, por lo que los solenoides (o bobinas) de los electroimanes se construyen con materiales superconductores y para conseguir la superconductividad están refrigerados por helio líquido a –268,5ºC mediante bombas de circulación que operan a temperaturas criogénicas.

Sistemas de instrumentación de ITER

Hay una serie de sistemas de instrumentación que son necesarios para lograr tener plasma en el interior del reactor y para el correcto funcionamiento de los componentes de ITER. Entre ellos destacamos los sistemas de diagnóstico. Estos sistemas usan mayoritariamente materiales cerámicos como elementos aislantes en cables, bobinas, sondas y pasa-muros o como medio de transmisión para señales ópticas y magnéticas.

Breeder blanket

No es objetivo de ITER el uso de un manto fértil (generador de tritio por bombardeo neutrónico del litio), pero habrá módulos de prueba para probar la generación de tritio al final del proyecto candidatos a ser usados después en el proyecto DEMO (siguiente paso tras el proyecto ITER). Este elemento es clave para el proceso de fusión, puesto que deberá autogenerar la cantidad de tritio necesaria para el funcionamiento del reactor, haciendo viable la fusión como fuente de energía.

El tritio, que apenas está presente en los recursos naturales, se obtiene mediante la reacción nuclear de un medio que contiene Li con los neutrones rápidos procedentes del plasma.

El manto (blanket) consiste en una serie de módulos con un sistema de anclaje mecánico que permite su unión con la vasija de vacío y cuyas principales funciones son la protección para los electroimanes y demás elementos contra las altas temperaturas y la radiación, además de ser el elemento donde se frenan los neutrones, transformándose su energía cinética en calor, que será recogido por el sistema de refrigeración.

El acero que se va a emplear como material estructural de estos módulos es el acero inoxidable 316LN y se harán pruebas con el acero ferrítico/martensítico Eurofer.

Para ITER se han propuesto varios tipos diferentes de envolturas con distintos materiales:

HCLL (Helium Colled Lithium Lead), que usa LiPb como generador de tirio y como multiplicador neutrónico y EUROFER y aleaciones W como material estructural.
HCPB (Helium Cooled Pebble Bed), Usa cerámicas de Li4SiO4 o LiTiO3 como generador de Tritio, berilio como multiplicador y EUROFER como material estructural.
DCLL (Dual Coolant Lithium Lead),Usa helio como refrigerante de la primera pared y PbLi actúa de segundo refrigerante. El cual está asilado térmicamente y eléctricamente del material estructural mediante flow channels inserts.
WCCB ( Water Cooled Ceramic Breeder), usa cerámicas de Li2TiO3 como generador de Tritio, berilio como multiplicador y acero F82H como material estructural.
HCCB ( Helium Colled Ceramic Breeder), usa cerámicas de Li4SiO4 como generador de Tritio , berilio como multiplicador neutronico y aceros ferriticos martensiticos como material estructural.
LLCB ( Lithium Lead Ceramic Breeder), usa cerámicas de Li2tio3 y aleación de LiPB como materiales generadores de Tritio. Hay dos refrigerantes, helio para la primera pared y aleación LiPB para refrigerar las cerámicas. Este concepto usa recubrimientos cerámicos para los canales de LiPb.