Muy cerca de la fusión: Materiales de revestimiento

Desde que Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz enunció definitivamente la ley de conservación de la energía en 1847, los científicos trataron de averiguar la causa de la luz del Sol. Y las primeras conjeturas verosímiles sobre este interrogante fueron meteóricas. Formuladas éstas por Julius Robert Mayer y John James Waterston, suponían que cuantiosas precipitaciones de meteoroides nutrían de energía a este astro. Sin embargo, estos argumentos pronto se abandonaron al advertir que incluso semejante bombardeo no podría generar la energía requerida. Así, a partir de 1860 se aceptó la hipótesis de Helmholtz-Kelvin, que atribuía la luz solar a una permanente conversión en calor de la energía gravitatoria conforme el Sol se iba contrayendo. La idea se admitía no sin reticencias, pues los cálculos de Kelvin efectuados sobre esta base pronosticaban para el Sol una edad no superior a los 30 millones de años, en agudo conflicto con los modelos geológicos aceptados, el registro fósil y la teoría evolutiva de Darwin.

La solución del acertijo puede fecharse en 1939. Aquel año Hans Albrecht Bethe demostró sin asomo de dudas que las estrellas son crisoles donde los núcleos de hidrógeno se fusionan, liberando la formidable energía que anunciaba la celebérrima fórmula relativista de Albert Einstein. No obstante, anticipándose casi dos décadas, Jean Baptiste Perrin y Arthur Stanley Eddington ya habían aventurado algunas ideas al respecto [1]. De hecho, este último afirmó, en 1920 durante una conferencia pronunciada en Cardiff, que «las estrellas disponen de una colosal reserva de energía cuya exacta naturaleza aún desconocemos. Esta reserva no puede ser otra que la energía subatómica que, ya lo hemos averiguado, abunda en toda la materia. A veces soñamos con que la humanidad aprenda un día a liberarla y a usarla a su servicio. Y la reserva es casi inagotable […]. Hay suficiente en el Sol para mantener su producción de calor durante 15.000 millones de años».

Se ha bromeado mucho tiempo con que producir comercialmente electricidad mediante fusión siempre estaba a cincuenta años vista. Ahora, muchos investigadores estamos seguros de que se ha roto la «constante» de los cincuenta años, y nuestra generación, acaso más cerca de la tradición de Vesta que de la de Prometeo, tendrá la fortuna de ver cumplido el sueño de Eddington. Por segunda vez en la historia la humanidad controlará el fuego. Y esta vez se trata del que arde en el corazón de las estrellas.

Pero no nos engañemos: Como hemos ido viendo en esta serie de artículos, embotellar establemente un plasma en condiciones de ignición —en cuanto a tiempo, temperatura y densidad, tal como nos enseñó John David Lawson, en 1957— sigue siendo un desafío peliagudo [1]. Y no sólo eso. El funcionamiento de un reactor de fusión requiere que sus componentes estructurales, particularmente su vasija, cumplan estrictas normas de seguridad. Estas condiciones limitan considerablemente la cantidad disponible de materiales. ¿Qué características deben reunir estos para poder utilizarse en el entorno de la fusión?

En el interior de un reactor de fusión

Ya se ha dicho en otras entregas que la reacción más prometedora para alimentar la primera generación de centrales eléctricas comerciales de fusión es la de deuterio y tritio (D-T), más precisamente la del deuterón (²H⁺) y el tritón (³H⁺), pues a las temperaturas de un plasma en ignición, superiores a 150 MK, necesarios para vencer la repulsión de Coulomb entre núcleos de igual carga, todos los átomos están ionizados [1]:

²H⁺ + ³H⁺ → α (3,52 MeV) + ¹n (14,06 MeV).

Como se ve, las partículas alfa y los neutrones son los principales productos de esta reacción. A través de estos últimos se libera el 80 % de la energía de la reacción D-T, y como son eléctricamente neutros, se escapan del confinamiento magnético y pueden dañar cuanto encuentren a su paso, incluida la primera pared y el manto fértil. Pero, recordemos que el provecho de esta reacción se extraerá de la energía cinética (14,06 MeV) de este flujo neutrónico. Por tanto, la pared de la vasija tiene que ser capaz de transferir y canalizar óptimamente esta energía cinética para generar electricidad siguiendo el contrastado esquema de las plantas térmicas. El 20 % restante de la energía que emite la reacción D-T se hace a través de partículas α y otras partículas, que también pueden provocar efectos indeseables (erosión, formación de ampollas, etc.) en los materiales de revestimiento del plasma.

El neutrón tiene una masa casi idéntica a la del protón, pero, a diferencia de éste, aquél es eléctricamente neutro y, por tanto, no tiene que traspasar barrera de Coulomb alguna. Así pues, un neutrón puede interactuar vigorosamente con los átomos con que colisione, provocando daños de diversa naturaleza en la estructura de los materiales:

• Unos, debidos a choques inelásticos, pueden producir transmutaciones (transformando un elemento químico en otro diferente) que generan He, H y otras impurezas.
• Otros, a través de colisiones elásticas, desplazan a los átomos, causando defectos cristalinos al sacarlos de sus posiciones reticulares. Los componentes de los futuros reactores comerciales de fusión tienen que ser capaces de soportar varias decenas de dpa [los daños debidos a la degradación del material ocasionada por los neutrones suelen cuantificarse en términos de «desplazamientos por átomo» (dpa)].

Insistamos en que la seguridad es una de las señas distintivas de la comunidad de científicos y tecnólogos de la fusión. Ciertamente, los futuros reactores serán máquinas ambientalmente seguras, y para ser así los materiales para su construcción tienen que elegirse adecuadamente sobre la base de sus propiedades, no sólo mecánicas en el duro entorno de los reactores de primera generación, sino también radiológicas (actividad, calor de descomposición, radiotoxicidad) y, por supuesto, de su compatibilidad con otros materiales y los sistemas de refrigeración.

Sin duda un plasma de fusión, a temperaturas superiores a 150 MK, es una fiera difícil de domar. Para amansarla se usan diversas y complejas herramientas, no sólo para controlarla sino también para transferir eficazmente la energía producida y eliminar las impurezas surgidas durante la reacción D-T, que además la entorpecerían. Entramos de lleno, pues, en los denominados materiales de revestimiento del plasma. Estos, además de proteger la vasija frente a las partículas de plasma calientes, tienen que transferir activamente los enormes flujos de energía existentes.

Materiales de baja activación

Los neutrones que emite la reacción D-T, ya se ha dicho, son capaces de provocar transmutaciones, transformando átomos estables en radiactivos. Así pues, para que la producción eléctrica mediante fusión sea un proceso ambientalmente limpio los materiales empleados tienen que elegirse con tino para impedir que se produzcan desechos radiactivos de larga vida.

Desde esta perspectiva, buscando las propiedades deseadas, los elementos más satisfactorios son Be, C, Cr, Fe, Si, Ta, Ti, V y W, sobre cuya base se están desarrollando aceros ferrítico-martensíticos de baja activación (como, por ejemplo, los aceros EUROFER97 y F82H). Estos, desarrollados para soportar temperaturas de hasta 900 K, además de tener propiedades termofísicas muy adecuadas y una notable resistencia al hinchamiento y la fragilización a altas temperaturas, muestran gran compatibilidad con los refrigerantes a base de agua o He y los reproductores de Li (usando una capa de protección).

La difícil gestión del calor (y su transferencia)

Sin embargo, la baja activación neutrónica no es el único requisito que deben satisfacer los materiales de revestimiento del plasma. Recordemos que, procedente de éste, existe un continuo y enorme flujo de calor, con valores de hasta 20 MW/m² (piénsese, para comparar, que el flujo de radiación superficial en el Sol, dada por la ecuación de Stefan-Boltzmann, es de 63,2 MW/m²). Y hay que manejar este flujo.

Para preservar la integridad estructural del material sometido a tales cargas y transferir eficientemente semejantes flujos térmicos, cobran valor dos atributos: el punto de fusión y la conductividad térmica, que deben ser ambos elevados.

El wolframio, con el mayor punto de fusión de todos los metales (3.695,2 K) y una conductividad térmica (170 W·m^-1·K^-1) que octuplica la del acero convencional, afortunadamente cumple con el requisito de ser de baja activación. El wolframio, pues, parecería ser el candidato perfecto para afrontar las duras condiciones operativas para la primera pared de un reactor de fusión. Pero, como suele ocurrir, nada es perfecto. El wolframio presenta dos inconvenientes manifiestos. Por un lado, su alto número atómico hace que apenas una insignificante cantidad de este metal baste para que, al contaminar el plasma, éste se enfríe abruptamente y se apague. Por otro, el wolframio es muy frágil. Esto supone, además de grandes dificultades de mecanización, que las tensiones termomecánicas existentes provoquen grietas con facilidad.

Fijémonos en el carbono. También es un elemento con bajo calor de activación y un punto de fusión suficientemente elevado (de hecho, este elemento no se derrite, sino que se sublima directamente a 3.915 K de temperatura). Además, por su menor número atómico, aunque contamine el plasma supone un menor peligro de que lo apague. Por ello, los compuestos cerámicos SiC-SiC reforzados con fibra de carbono se estudiaron con interés para el revestimiento del plasma (además, tienen gran resistencia mecánica a temperaturas cercanas a 1.300 K y buena compatibilidad con el He). Desafortunadamente, también se han descubierto diversos reparos para el carbono. Uno de los peores, además de su capacidad para atrapar tritio (lo que lo descarta para usarse en la primera pared), es que cuando se lo somete incluso a pequeñas dosis de irradiación neutrónica (de apenas 0,2 dpa), alcanzables en apenas un par de días de funcionamiento del reactor, su conductividad térmica decrece más de un 80%. En consecuencia, el material pronto acaba sobrecalentándose, pues el flujo térmico incidente no puede disiparse con suficiente eficacia[1]. Por el contrario, en condiciones comparables de irradiación neutrónica el wolframio apenas pierde su conductividad térmica. El SiC también presenta una amorfización importante y problemas de mecanización.

El hoy y el mañana de los materiales para la fusión. El proyecto IFMIF-DONES

Los reactores de fusión de primera generación son entornos de trabajo inclementes que requieren materiales que no colapsen y que protejan la integridad de la máquina. De las diversas alternativas analizadas en la actualidad (aceros ferrítico-martensíticos, aleaciones de W y Ti y compuestos cerámicos SiC-SiC) las de mayor madurez tecnológica son los aceros ferrítico-martensíticos. No obstante, en ITER el protagonismo de los materiales lo desempeñará el acero inoxidable 316, apto para resistir bien las temperaturas y las presiones relativamente bajas de un reactor experimental que funcionará en campañas intermitentes. Pero en el proyecto DEMO —cuyo objetivo, como sabemos, es construir un reactor que será el primero en inyectar electricidad a la red, confirmando que la fusión puede ser una fuente de energía comercialmente competitiva— el flujo neutrónico será continuo y mucho más intenso, exigiendo aceros ferrítico-martensíticos, bastante más robustos (el horizonte de empleo de las demás alternativas aún es lejano). Además, los aspectos radiológicos, no muy relevantes en el caso post-ITER, resultan decisivos para la industria energética comercial, que debe absorber su coste durante el funcionamiento y posterior desmantelamiento de la planta.

En consecuencia, para que la fusión sea económicamente viable aún se necesita invertir mucho esfuerzo en el estudio de los materiales. Apresurémonos a decir que desarrollar tales materiales supone un reto que está en la frontera del conocimiento científico y tecnológico, muchos de cuyos perfeccionamientos son fruto de la investigación de la interfaz plasma-pared, que es una de las áreas principales de trabajo. Sin embargo, para comprender no sólo la naturaleza de estos materiales y cómo varían sus propiedades mecánicas al cabo de la vida útil del reactor, sino también para cualificar su aptitud para ser usados en los componentes del reactor, surgió IFMIF y, más tarde, el proyecto IFMIF-DONES. Como hemos visto en esta serie de artículos, la instalación IFMIF-DONES, que proporcionará flujos neutrónicos con intensidad y energía similares a los que existen en los reactores de fusión, es la única vía en el futuro cercano que permitirá a los investigadores examinar cómo resisten los diferentes materiales en las condiciones reales de fusión.

Seguimos avanzando.