Acelerando en el camino hacia la fusión: El acelerador LIPAc

Como ya se ha dicho en entregas anteriores, la futura instalación IFMIF-DONES requiere un acelerador lineal de potencia y corriente muy altas. Para probar y validar la tecnología de estas máquinas, y enmarcado en el proyecto IFMIF/EVEDA, en Rokkasho (Japón) se ha instalado el acelerador LIPAc (siglas en inglés de Linear IFMIF Prototype Accelerator), preparado para alcanzar una potencia de 1,125 MW, acelerando con intensidades de hasta 125 mA protones o deuterones hasta energías de 9 MeV. Estos exigentes requisitos de potencia, energía y corriente suponen un enorme reto para diseñar y desarrollar equipos y componentes, con una demanda tecnológica que está en la frontera del conocimiento.

La puesta en marcha del LIPAc, cuyos primeros subsistemas se trasladaron desde Europa a Japón en marzo de 2013, requería un programa de integración y una notable coordinación, debido, precisamente, a los distintos orígenes de cada equipo:

• Los diversos componentes de LIPAc [el inyector, el cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ), las líneas de transporte del haz de baja, media y alta energía, el linac superconductor de RF, los sistemas de detención del haz, los sistemas de RF de 175 MHz, los sistemas de control local, la instrumentación de control del haz] se diseñaron, fabricaron y probaron en múltiples laboratorios europeos (CEA, CIEMAT, INFN, SCK-CEN).

• Las instalaciones convencionales (el edificio principal y los sistemas auxiliares y de planta) y el sistema de control central estuvieron a cargo de la Agencia de Energía Atómica de Japón (JAEA, son sus siglas en inglés).

Como elementos esenciales del LIPAc se implantaron bases de datos y sistemas y procedimientos de gestión específicos para la documentación, las interfaces, el montaje y la configuración 3D de la instalación.

El haz de LIPAc lo genera un inyector que usa una fuente de deuterones (D⁺). El haz de D⁺, tras ser enfocado y filtrado adecuadamente a lo largo de la línea de transporte del haz de baja energía (LEBT), se acelera mediante dos sistemas sucesivos: un RFQ de cobre y 8 resonadores superconductores de media onda (HWR), ambos ubicados en el linac superconductor de RF (SRF). Tras el control y la medición de los parámetros del haz, la corriente de D⁺ se detiene mediante un bloque de parada de alta energía (Beam Dump). Entre estos dos sistemas, las líneas de transporte, tanto de media energía (MEBT) como de alta energía (HEBT), transportan el haz y adaptan sus propiedades a los componentes posteriores. Las cadenas de amplificación, que forman parte del sistema de potencia de RF, basadas en tetrodos y en amplificadores de RF de estado sólido, proporcionan la potencia de RF necesaria. Por otro lado, una planta criogénica mantiene el SRF linac a una temperatura de 4,5 K. La instrumentación para controlar y establecer los diagnósticos del haz está distribuida a lo largo de la máquina.

El edificio para contener el acelerador, que se construyó en Rokkasho y se terminó en marzo de 2010, consta de bóveda para el acelerador, zonas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), zona de intercambio de calor y agua de refrigeración para las zonas de radiación controlada y no controlada, un vestíbulo de acceso, una sala de control y un gran recinto para los sistemas de RF (fuentes de alimentación de alta tensión y cadenas de potencia de RF) y la planta criogénica de 4 K. Las paredes y el techo de la bóveda del acelerador son de hormigón de 1,5 m de espesor.

Ciertamente, el futuro acelerador IFMIF será el linac más potente del mundo. Sin embargo, LIPAc, que es su prototipo, ya lidera el nivel de potencia de los linacs mundiales y tiene al record de corriente de partículas (125 mA).

En resumen, la primera fase de la operación supuso caracterizar la fuente de protones y deuterones hasta una corriente de 125 mA. La siguiente etapa, con iones acelerados hasta energías de 5 MeV, sirvió para probar la eficacia tanto del sistema de aceleración por radiofrecuencia (denominado RFQ), como el sistema de transporte de haz de media energía (MEBT), los sistemas de RF que los alimentan y el módulo de diagnósticos del haz (DPLATE). Bajo la coordinación general de F4E, el CIEMAT (Madrid, España) participa en esta fase —junto con CEA (Saclay, Francia) e INFN (Legnaro, Italia)—, suministrando y poniendo a punto los sistemas RF, MEBT, DPLATE, la línea de transporte de alta energía (HEBT) y el bloque de parada de alta energía (Beam Dump), todo ello sin olvidar su contribución en el diseño y la construcción de componentes tales como el linac superconductor (SRF) y parte de la instrumentación de control ubicada a lo largo del acelerador.

Conviene señalar que los prototipos experimentales de diagnóstico e instrumentación, la MEBT y diversos componentes clave de los sistemas de RF son idénticos a los que se usarán en la instalación IFMIF-DONES. En consecuencia, validar con éxito la tecnología y el funcionamiento del LIPAC resulta vital para desarrollar la fuente de neutrones que se requiere para cualificar los materiales candidatos para los futuros reactores de fusión. El camino hacia la fusión cada vez está más despejado.