{"id":1205,"date":"2017-02-03T12:49:44","date_gmt":"2017-02-03T11:49:44","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/?p=1205"},"modified":"2017-02-03T12:53:18","modified_gmt":"2017-02-03T11:53:18","slug":"materiales-en-iter","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/ingenieriamateriales\/2017\/02\/03\/1205\/","title":{"rendered":"Materiales en ITER"},"content":{"rendered":"

Por Patricia Mu\u00f1oz, Ingeniera de Materiales e investigadora en CIEMAT<\/span><\/p>\n

Esta entrada hace referencia a ITER, uno de los mayores proyectos cient\u00edficos, en el que intervienen varios pa\u00edses. Su objetivo es demostrar que es posible la fusi\u00f3n nuclear y que se puede aprovechar de una manera comercial. El reactor de fusi\u00f3n ITER que se est\u00e1 construyendo actualmente en Francia alcanzar\u00e1 su \u00abprimer plasma\u00bb en 2025, cinco a\u00f1os despu\u00e9s de lo previsto.<\/p>\n

El objetivo es generar energ\u00eda de un modo similar al que se genera en el sol, mediante la fusi\u00f3n de dos n\u00facleos de hidr\u00f3geno para generar helio: dos n\u00facleos at\u00f3micos se unen para dar lugar a otro n\u00facleo con mayor masa. Generalmente esta uni\u00f3n va acompa\u00f1ada con la emisi\u00f3n de part\u00edculas (en el caso de n\u00facleos at\u00f3micos de deuterio se emite un neutr\u00f3n) y energ\u00eda.<\/p>\n

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Reacci\u00f3n de fusi\u00f3n<\/figcaption><\/figure>\n

Por lo tanto el combustible para los reactores de fusi\u00f3n ser\u00e1 una mezcla de deuterio y tritio. Este combustible se calentar\u00e1 a millones de grados formando un plasma caliente. El dispositivo central del ITER es un tokamak, es decir el plasma se confina magn\u00e9ticamente en una c\u00e1mara de vac\u00edo toroidal. Los fuertes campos magn\u00e9ticos son producidos por bobinas superconductoras que rodean la c\u00e1mara.<\/p>\n

La elecci\u00f3n de los materiales para ITER ha sido una tarea complicada y controvertida. Hay que tener en cuenta la complejidad de la operaci\u00f3n y los m\u00faltiples factores que hay que estudiar para validar su uso en ITER. La evoluci\u00f3n de la microestructura en un reactor de fusi\u00f3n puede llevar a la degradaci\u00f3n de las propiedades f\u00edsicas: disminuci\u00f3n de la conductividad t\u00e9rmica y el\u00e9ctrica y degradaci\u00f3n de las propiedades mec\u00e1nicas. La formaci\u00f3n de gas puede causar un hinchamiento macrosc\u00f3pico del material, dando lugar a una p\u00e9rdida de estabilidad dimensional. Estos efectos son los principales factores que limitan la elecci\u00f3n de los materiales candidatos para los reactores de fusi\u00f3n. Adem\u00e1s de una buena resistencia al da\u00f1o por radiaci\u00f3n, los materiales deben mostrar alta capacidad de resistencia t\u00e9rmica, larga vida \u00fatil, alta fiabilidad y fabricaci\u00f3n sencilla con un coste razonable.<\/p>\n

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Secci\u00f3n transversal de la vasija del ITER y componentes m\u00e1s importantes<\/figcaption><\/figure>\n

Vasija de vac\u00edo<\/strong><\/p>\n

\u00a0<\/strong>La vasija de vac\u00edo es \u00a0una estructura de doble pared con forma de toroide de acero en cuyo espacio interior se confina el plasma, confinado mediante intensos campos magn\u00e9ticos producidos por bobinas superconductoras. La primera pared se fabricar\u00e1 de berilio. A continuaci\u00f3n habr\u00e1 una pared \u00a0de cobre para\u00a0 refrigerar el berilio y todo ello estar\u00e1 acoplado a una estructura de acero inoxidable.<\/p>\n

Este componente proporciona una barrera adecuada para la generaci\u00f3n y el mantenimiento de vac\u00edo, necesario para limitar la cantidad de impurezas dentro del plasma. Act\u00faa como escudo contra los neutrones y consta de diversas aperturas para los sistemas de calentamiento, equipos de vac\u00edo o refrigeraci\u00f3n y puertos de control del plasma.<\/p>\n

Divertor <\/strong><\/p>\n

La parte inferior, el divertor, estar\u00e1 constituido por una serie de piezas desmontables que tendr\u00e1n contacto directo con el plasma. Se encargar\u00e1 de limpiar el plasma de impurezas, como pueden ser las que se produzcan por la interacci\u00f3n entre el plasma y la primera pared. Esta parte del reactor es la que tendr\u00e1 que aguantar la mayor carga energ\u00e9tica de toda la vasija de vac\u00edo y para ello se recubrir\u00e1 de wolframio. Estos elementos se encuentran rodeados por una gran estructura de acero, el criostato, que mantiene el conjunto t\u00e9rmicamente aislado.<\/p>\n

Sistema magn\u00e9tico<\/strong><\/p>\n

\u00a0<\/strong><\/p>\n

Para confinar el plasma se utilizan campos magn\u00e9ticos producidos por varios electroimanes incluyendo un solenoide central alrededor de la vasija. Se espera que sea necesario un campo magn\u00e9tico elevado, por lo que los solenoides (o bobinas) de los electroimanes se construyen con materiales superconductores y para conseguir la superconductividad est\u00e1n refrigerados por helio l\u00edquido a \u2013268,5\u00baC mediante bombas de circulaci\u00f3n que operan a temperaturas criog\u00e9nicas.<\/p>\n

Sistemas de instrumentaci\u00f3n de ITER<\/strong><\/p>\n

Hay una serie de sistemas de instrumentaci\u00f3n 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 diagn\u00f3stico. Estos sistemas usan mayoritariamente materiales cer\u00e1micos como elementos aislantes en cables, bobinas, sondas y pasa-muros o como medio de transmisi\u00f3n para se\u00f1ales \u00f3pticas y magn\u00e9ticas.<\/p>\n

Breeder blanket<\/strong><\/p>\n

No es objetivo de ITER el uso de un manto f\u00e9rtil (generador de tritio por bombardeo neutr\u00f3nico del litio), pero habr\u00e1 m\u00f3dulos de prueba para probar la generaci\u00f3n de tritio al final del proyecto candidatos a ser usados despu\u00e9s en el proyecto DEMO (siguiente paso tras el proyecto ITER). Este elemento es clave para el proceso de fusi\u00f3n, puesto que deber\u00e1 autogenerar la cantidad de tritio necesaria para el funcionamiento del reactor, haciendo viable la fusi\u00f3n como fuente de energ\u00eda.<\/p>\n

El tritio, que apenas est\u00e1 presente en los recursos naturales, se obtiene mediante la reacci\u00f3n nuclear de un medio que contiene Li con los neutrones r\u00e1pidos procedentes del plasma.<\/p>\n

El manto (blanket) consiste en una serie de m\u00f3dulos con un sistema de anclaje mec\u00e1nico que permite su uni\u00f3n con la vasija de vac\u00edo y cuyas principales funciones son la protecci\u00f3n para los electroimanes y dem\u00e1s elementos contra las altas temperaturas y la radiaci\u00f3n, adem\u00e1s de ser el elemento donde se frenan los neutrones, transform\u00e1ndose su energ\u00eda cin\u00e9tica en calor, que ser\u00e1 recogido por el sistema de refrigeraci\u00f3n.<\/p>\n

El acero que se va a emplear como material estructural de estos m\u00f3dulos es el acero inoxidable 316LN y se har\u00e1n pruebas con el acero ferr\u00edtico\/martens\u00edtico Eurofer.<\/p>\n

Para ITER se han propuesto varios tipos diferentes de envolturas con distintos materiales:<\/p>\n