Nueva incorporación a las investigaciones sobre fusión: Croacia inaugura una instalación de doble haz de iones con el apoyo del OIEA

11 July 2019

Laura Gil, Oficina de Información al Público y Comunicación del OIEA

Actualmente se llevan a cabo investigaciones sobre fusión termonuclear controlada y física del plasma en más de 50 Estados Miembros del OIEA, con el fin de comprobar la factibilidad científica de la fusión como fuente de energía. (Fotografía: NASA/CC)

Se ha inaugurado en Zagreb (Croacia) una instalación de doble haz de iones que permite combinar de forma simultánea dos haces de iones de aceleradores distintos. Esta instalación fortalece las actividades de investigación sobre fusión de Croacia y amplía la disponibilidad mundial de instalaciones con este tipo de capacidades de vanguardia. Construida con el apoyo del OIEA, la instalación de fuente de iones de helio y de irradiación de materiales de fusión con doble haz del Instituto Ruđer Bošković ayudará a los científicos a ensayar y desarrollar nuevos materiales estructurales indispensables para que la energía de fusión sea una realidad. En el mundo existen apenas unas pocas instalaciones de este tipo.

Los investigadores e ingenieros especializados en fusión trabajan en el desarrollo de métodos para aprovechar la energía que genera la fusión de núcleos ligeros, un proceso comparable a la producción de energía de las estrellas y que encierra la promesa de una energía abundante, segura y sin emisiones de carbono.

Pero las reacciones termonucleares generan neutrones con gran carga energética y partículas alfa que, tras cierto período de exposición, pueden dañar las paredes del reactor. La tecnología de haces de iones como la de la instalación de doble haz de Croacia puede simular estas condiciones extremas y ayudar a desarrollar materiales nuevos suficientemente resistentes para soportarlas.

Según Milko Jasic, Científico Superior del Laboratorio de Interacciones de Haces de Iones del Instituto Ruđer Bošković, “la fuente de iones de helio en el acelerador tándem más pequeño de 1,0 MV era el único componente que le faltaba a la instalación de acelerador del Instituto, que ahora puede hacer una simulación más realista del entorno de fusión. Esta inversión permitirá además hacer un mayor uso de las técnicas de análisis con haces de iones para una gran variedad de otras aplicaciones”.

Danas Ridikas, Jefe de la Sección de Física del OIEA, añade que “entre otras cosas, permitirá a los investigadores e ingenieros comprobar si los materiales tienen la robustez suficiente para contener una reacción termonuclear. La instalación es una buena noticia para Europa y también para los Estados Miembros del OIEA de otras regiones”.

El Instituto Ruđer Bošković trabaja con el OIEA en el marco de un acuerdo de colaboración firmado en 1997. El Organismo ha proporcionado equipo al Instituto y le ha prestado asistencia mediante un programa de creación de capacidad. El OIEA puso en marcha recientemente un nuevo proyecto coordinado de investigación para facilitar los experimentos en las instalaciones de haces de iones de todo el mundo. Los científicos interesados de otros Estados Miembros del OIEA también tienen acceso al Instituto, incluida esta nueva instalación de doble haz de iones.

Progresos en las investigaciones sobre fusión

En un dispositivo de fusión, los núcleos se calientan hasta alcanzar temperaturas extremadamente altas para hacer que se fusionen y liberen energía. Según el Sr. Ridikas, en los últimos tiempos los investigadores de todo el mundo han logrado avances espectaculares en materia de fusión y física del plasma. Actualmente se llevan a cabo investigaciones sobre fusión termonuclear controlada y física del plasma en más de 50 países, con el fin de comprobar la factibilidad científica de la fusión como fuente de energía.

“En todo el mundo se están llevando a cabo iniciativas y experimentos complejos en el ámbito de la física del plasma”, señala el Sr. Ridikas. “Pero sigue habiendo preguntas importantes sin contestar. Por ejemplo, ¿cómo podemos saber si los materiales tendrán la solidez suficiente para resistir una reacción termonuclear tras años y años de exposición?”.

Una tecnología como la de la instalación de doble haz de iones de Croacia puede simular condiciones similares a las que estarían expuestos los materiales en un reactor de fusión, incluidos los productos generados por transmutación y los daños producidos por los neutrones de alta energía y las partículas alfa procedentes de la fusión.

El Sr. Ridikas explica que “con las mediciones correctas, un control adecuado de la temperatura y dos haces de iones simultáneos —el doble haz— incidiendo en los materiales, estamos creando una realidad simulada que nos permite obtener un indicio de cómo reaccionarán los materiales estructurales a la fuerza de la fusión. De esta forma podemos comprobar qué materiales resisten y durante cuánto tiempo”.

Los dos haces son dirigidos hacia una muestra de acero, que es el material que se utiliza normalmente en los reactores de fusión debido a su robustez, para simular cómo podría ser la interacción del plasma de fusión con este material y de qué manera podría modificarlo. Esta interacción nuclear, además de dañar posiblemente la estructura cristalina del material, genera productos gaseosos de transmutación, como helio e hidrógeno. Esto puede dar lugar a la formación de burbujas dentro del acero, que pueden hacer que el material se hinche. Saber cómo y cuándo se producen estas reacciones permite a los científicos adaptar los materiales para contrarrestar esos efectos no deseados.

El mes pasado, el OIEA y la Organización Internacional de la Energía de Fusión ITER acordaron fortalecer su cooperación en las investigaciones sobre fusión nuclear y las actividades conexas con el objetivo a largo plazo de hacer realidad la producción de energía de fusión en centrales a escala industrial. El ITER es un reactor experimental internacional que se está construyendo en Francia y es uno de los mayores y más avanzados experimentos sobre fusión que se están realizando en el mundo. En paralelo, las instalaciones de doble haz como la que se ha instalado en el Instituto Ruđer Bošković o la nueva iniciativa DONES en España —una fuente de neutrones específica para la fusión— liderada por la Unión Europea, harán avanzar las investigaciones relacionadas con el ensayo de materiales.

La instalación de fuente de iones de helio y de irradiación de materiales de fusión con doble haz se construyó en el Instituto Ruđer Bošković de Croacia con el apoyo del OIEA. (Fotografía: OIEA)

Advancing fusion research

In a fusion device, the nuclei are heated to extremely high temperatures to cause them to fuse and release energy. Researchers worldwide have made impressive progress in fusion and plasma physics lately, Ridikas said. Controlled nuclear fusion and plasma physics research is currently carried out in more than 50 countries to prove the scientific feasibility of fusion as an energy source.

“Complex experiments and initiatives are taking place around the world on plasma physics,” Ridikas said. “But important questions are still open. For example: how can we know that materials will be strong enough to withstand a fusion reaction after years and years of exposure?”

Technology like the dual-beam ion facility in Croatia can simulate similar circumstances — including the transmutation products and damage produced by high-energy neutrons and alpha particles that come from fusion — that a material would be exposed to in a fusion reactor.

“With the right measurements, right temperature control, and two simultaneous ion beams — hence, dual beam — hitting the material, we are creating a simulated reality where we can get an indication of how the structural material will react to the force of fusion,” Ridikas said. “This way, we can test which material holds up and for how long.”

The two beams are directed at a steel sample — the material typically used for fusion reactors due to its robustness — to simulate how fusion plasma could interact with and modify this material. This nuclear interaction, in addition to possibly damaging the crystal structure of the material, creates transmutation gas products such as helium and hydrogen. This might lead to the formation of bubbles inside the steel, which can cause the material to swell. Knowing how and when these reactions occur, scientists can adapt the material to counteract these unwanted effects.

Last month, the IAEA and the ITER International Fusion Energy Organization have agreed to strengthen their cooperation in nuclear fusion research and related activities with the long-term goal of realizing fusion energy production on an industrial, power-plant scale. ITER is an international experimental reactor under construction in France, and one of the most advanced and largest fusion experiments in the world. In parallel, dual-beam facilities like the one installed at the Ruđer Bošković Institute, or the new EU-led DONES initiative in Spain, a fusion-dedicated neutron source, will advance research in materials testing.

The 'He Ion Source and DiFU Dual-Beam Facility' was installed with IAEA support in Croatia’s Ruđer Bošković Institute. (Photo: IAEA)

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