Los requisitos de los materiales para una central de fusión son muy exigentes

En entregas anteriores hemos visto que, para la primera generación de centrales de fusión, la reacción nuclear más prometedora es la de deuterio-tritio. También sabemos que esta reacción genera neutrones con una energía de 14,1 MeV, que incidirán en la vasija del reactor y sus componentes. Este flujo de neutrones provocará daños estructurales debidos a la degradación del material, que suele cuantificarse en términos de «desplazamientos por átomo» (dpa) —una magnitud característica para medir la descomposición inducida por neutrones, que indica el promedio de átomos desplazados a posiciones intersticiales en el material bombardeado—. Un reactor de fusión comercial requerirá materiales capaces de soportar 150 dpa, una cantidad cuyas consecuencias están lejos de haber sido estudiadas. Por tanto, para diseñar un reactor viable (y, tanto más, para que el organismo regulador correspondiente autorice su instalación), urge comprender qué materiales pueden utilizarse y cómo variarán sus propiedades mecánicas durante la vida útil del reactor. Y aquí es donde entra en escena IFMIF, que es una herramienta única para aprender esto. Pero no adelantemos acontecimientos.

La necesidad de una fuente de neutrones  
Los reactores de fisión convencionales producen neutrones con una energía media de 1 o 2 MeV, inadecuados por tanto para cumplir las duras necesidades de los materiales de fusión. Tampoco sirven las fuentes de neutrones por espalación, pues, con ser su espectro energético más amplio, tienden a generar núcleos ligeros que modifican perjudicialmente las propiedades de las aleaciones por certificar. Por otro lado, las instalaciones de implantación de iones ofrecen un volumen de irradiación insuficiente para realizar pruebas estandarizadas de las propiedades mecánicas.  

En resumen, las condiciones de irradiación y temperatura influyen específicamente en la sensibilidad de los materiales. Así pues, para certificar la idoneidad de estos para usarse en un reactor de fusión se precisa una fuente con un flujo de neutrones comparable al de este exigente entorno. Y la reacción de deuterio-litio de la máquina IFMIF proporciona neutrones con el espectro energético adecuado.

Hace unos quince años se abrió un debate en la comunidad científica y tecnológica de la fusión: ¿probar los materiales directamente en la máquina ITER (lo que implicaba cambiar la primera pared del reactor y, en consecuencia, mantener el sistema parado durante largo tiempo)? ¿Construir un prototipo DEMO para probar todo simultáneamente y sustituir sólo lo que se degradara (opción de prueba y error)? ¿Construir una máquina que simulase el flujo de neutrones de un reactor de fusión comercial y ensayar muestras de materiales durante el tiempo necesario, sin interferir con los programas de física y tecnología de fusión, que evolucionarían en paralelo?

Esta última alternativa, propuesta a mediados de los años 90, es el llamado proyecto IFMIF (siglas de International Fusion Materials Irradiation Facility). Los resultados obtenidos a través de IFMIF, junto con los del ITER, permitirán diseñar DEMO: una central de fusión termoeléctrica de demostración que será el molde para la primera generación de centrales comerciales de fusión termonuclear. El proyecto IFMIF también exhibe otras ventajas, ya que no sólo puede seguir probando nuevos materiales para la próxima generación de centrales de fusión, también es una fuente muy útil de neutrones para otros usos científicos y tecnológicos.

Vinculación cualitativa temporal de los distintos proyectos encaminados a la fusión comercial.

IFMIF, un escalón esencial para desarrollar la fusión

El proyecto IFMIF es un programa de investigación científica iniciado en 1994. De carácter internacional —participan Japón, la Unión Europea, Estados Unidos y Rusia—, está gestionado por el Organismo Internacional de la Energía Atómica. Básicamente, la máquina IFMIF consta de dos aceleradores de deuterones que bombardean en paralelo un blanco de litio líquido de 20 x 5 cm. La energía del haz (40 MeV) y la corriente de ambos aceleradores (2 x 125 mA) se ajustarán para maximizar el flujo neutrónico producido con objeto de obtener un espectro de energía similar al que incidirá en la primera pared de un reactor de fusión comercial. Esta técnica de ensayo y certificación de muestras permitirá una caracterización mecánica completa de los materiales candidatos y comprender así su proceso de degradación. Esto conducirá al diseño de componentes capaces de soportar el bombardeo de neutrones durante la vida de un reactor comercial de fusión.

Esquema del dispositivo IFMIF.

IFMIF/EVEDA, preludio de IFMIF

En la década de 1990 ya se propuso un prediseño de IFMIF. Constaba de tres estructuras principales: dos aceleradores, un blanco de litio y una celda de pruebas. Sin embargo, en 2006 la situación financiera mundial aconsejó redefinir el proyecto, dividiéndolo en varias fases y lanzando IFMIF/EVEDA (siglas de Engineering Validation and Engineering Design Activities). La meta de esta fase era ambiciosa. Consistía en producir un diseño de ingeniería detallado, completo y totalmente integrado del dispositivo IFMIF y validar el funcionamiento continuo y estable de los prototipos de cada uno de sus subsistemas.

Las actividades de validación han sido objeto de una fructífera colaboración científica entre Japón y Europa a través del Acuerdo de Enfoque más Amplio en el ámbito de la investigación sobre la energía de fusión. Así, el diseño de la IFMIF durante la fase EVEDA se ha apoyado experimentalmente en la construcción de tres prototipos principales:

  • Un prototipo de acelerador (LIPAc) en Rokkasho (Japón), plenamente representativo del acelerador de baja energía (9 MeV) de la máquina IFMIF (con un haz de deuterones de onda continua, de 125 mA de corriente).
  • Un lazo de litio (ELTL) en Ōarai (Ibaraki, Japón), que integra todos los elementos de la instalación del blanco de litio, complementado por los experimentos de corrosión realizados en el lazo de litio LIFUS6 en Camugnano (Bolonia, Italia). De este modo, se han desarrollado los sistemas de diagnóstico y purificación necesarios para mostrar que el lazo de litio líquido diseñado para IFMIF es viable.
  • Un módulo de prueba de alto flujo y sus componentes internos, que será irradiado en un reactor de fisión y probado en el lazo de helio HELOKA en Karlsruhe (Baden-Wurtemberg, Alemania), complementado por el módulo de prueba de fatiga por fluencia, fabricado y probado a escala real en Villigen (Argovia, Suiza).

IFMIF-DONES

Paralelamente al Acuerdo de Enfoque más Amplio, firmado con Japón, el camino hacia la fusión que ha emprendido la UE pretende producir energía eléctrica a mediados de este siglo. Con esta meta, se ha acelerado la fase de diseño y construcción de DEMO, reduciendo el flujo máximo de neutrones que tendrán que soportar sus materiales en el escalón inicial. Esto aminora significativamente el nivel de daño esperado en ellos y, en consecuencia, también se rebajan los requisitos que debe cumplir la fuente de neutrones para certificarlos. Por tanto, IFMIF puede construirse por etapas. La primera de ellas, centrada en las necesidades de DEMO, se ha denominado IFMIF-DONES (DEMO oriented NEutron Source), lanzado en 2015. Además de proporcionar unas especificaciones técnicas de diseño más relajadas, IFMIF-DONES facilitará la distribución de las inversiones necesarias a lo largo del tiempo.

Así pues, IFMIF-DONES supone la construcción de una planta de irradiación de neutrones más sencilla, pero perfectamente escalable hasta coronar IFMIF por completo en el futuro, con el fin de proporcionar la información necesaria para diseñar y construir reactores de fusión comerciales.

En suma, el objetivo de IFMIF-DONES es obtener cuanto antes los datos experimentales necesarios sobre los daños neutrónicos en los materiales. Esto apresurará la madurez de ingeniería suficiente para determinar las especificaciones técnicas que debe cumplir la industria para fabricar los componentes y construir los edificios y los sistemas auxiliares para el diseño y el montaje de DEMO.

Cabe destacar que el proyecto IFMIF-DONES ya ha avanzado mucho en cuanto a su emplazamiento, en términos de seguridad, sismicidad, requisitos constructivos, etc. El Gobierno de España y la Junta de Andalucía han realizado un formidable esfuerzo en este punto. Y el apoyo de Croacia y otros socios europeos también ha sido esencial para impulsar esta ambiciosa iniciativa científica y tecnológica. Como resultado de esta intensa labor de colaboración ya nadie duda de que, si la planta se construye, se localizará en Granada.