Un paso más hacia la fusión. El proyecto IFMIF/EVEDA

REPASANDO IFMIF

En anteriores artículos ya hemos visto que la formidable energía desprendida por las estrellas -y el Sol es una de ella- es consecuencia de las reacciones de fusión que suceden en su interior. También sabemos que reproducir y controlar estas reacciones en nuestro planeta es un difícil reto para la ciencia, la tecnología y la industria. No obstante, la humanidad acomete este enorme desafío porque la fusión nuclear proporcionará para las generaciones futuras energía de forma muy segura, casi ilimitada y con escasísimos efectos ambientales.

Para recrear en la Tierra las colosales temperaturas y presiones que reinan en el Sol hay que alcanzar temperaturas superiores a los 150 MK. En estas condiciones, para resistir el intensísimo bombardeo de neutrones de alta energía que se producirá en la primera generación de futuros reactores de fusión, se necesitarán materiales robustos y avanzados. Esta es una de las principales exigencias tecnológicas para que las reacciones de fusión transcurran establemente y en continuo. IFMIF, que en esencia es una fuente de neutrones, surge precisamente con objeto de entender la degradación mecánica de los materiales en virtud del alto flujo neutrónico que sufren.

Por tanto, los propósitos de IFMIF son:

• Proporcionar datos para diseñar la ingeniería de las futuras plantas de fusión.
• Seleccionar y optimar los materiales más idóneos para las instalaciones de fusión.
• Proporcionar datos sobre el rendimiento tanto de estos materiales como de los distintos sistemas, con vistas a DEMO y a los reactores de fusión que, sobre ese patrón, se construirán más tarde.

Así pues, IFMIF es una etapa clave para construir plantas de energía de fusión eficientes y viables.

¿QUÉ ES IFMIF/EVEDA?

En 1994 la comunidad científica de la fusión de Japón, la Unión Europea, Estados Unidos y Rusia acordó iniciar los trabajos de diseño conceptual de IFMIF, en el marco de una colaboración internacional coordinada por la Agencia Internacional de la Energía. Desde 2007, estas labores se abordan en el proyecto International Fusion Materials Irradiation Facility/Engineering Design and Engineering Validation Activities (IFMIF/EVEDA), que es una de las actividades del Broader Approach Agreement, un acuerdo entre la UE y Japón cuyo objetivo es complementar el proyecto ITER y acelerar el desarrollo de la fusión.

El proyecto IFMIF/EVEDA lo integran cuatro subproyectos:

• Diseño de ingeniería de IFMIF.
• Validación en los sistemas del área de irradiación de muestras.
• Validación en el sistema del lazo de litio.
• Validación en el sistema de aceleradores.

Los tres primeros subproyectos finalizaron con éxito, pero aún está activo el que implica el sistema de aceleradores, que consiste en la construcción y puesta en marcha de un acelerador prototipo similar a los de IFMIF (conocido como LIPAc, siglas de Linear IFMIF Prototype Accelerator).

Así, tras coronar la primera etapa de IFMIF/EVEDA, en marzo de 2020 la UE y Japón firmaron una Declaración Conjunta que extiende el Broader Approach Agreement. En esta segunda fase IFMIF/EVEDA, por tanto, se centrará en mejorar el funcionamiento de LIPAc.

Ahora analizaremos con mayor detalle los subproyectos de validación en los sistemas tanto del área de irradiación de muestras, como del lazo de litio, dejando para futuros artículos los detalles de la instalación LIPAc.

Módulos de ensayo de muestras

El diseño y la validación de los módulos de ensayo de muestras se realizó en la UE, con el KIT (Karlsruhe, Alemania) como laboratorio principal, secundado por el CIEMAT (Madrid, España), el SCK-CEN (Mol, Bélgica) y el CRPP (Lausana, Suiza).

El diseño de los módulos de ensayo de muestras se hizo a la par que la creación de prototipos del Módulo de Ensayo de Alto Flujo (HFTM) y de los equipos para el examen de pequeñas probetas irradiadas y para el ensayo de fluencia en línea en el Módulo de Ensayo de Flujo Medio (CFTM). También se avanzó en la ingeniería de un diseño alternativo del HFTM, con objeto de permitir la irradiación a temperaturas muy altas, adecuadas para los ensayos de irradiación de carburo de silicio [1].

Blancos de litio

En 2011 se construyó y puso en marcha en el Centro de Investigación y Desarrollo de la JAEA (Oarai, Japón) un lazo de prueba de litio parecido al de la planta IFMIF, pero con un blanco de litio de menor anchura. El blanco se diseñó basándose en una única pieza fabricada en acero inoxidable. Sin embargo, la ENEA (Italia) construyó en Brasimone un diseño más ambicioso, con una placa trasera extraíble.

Las tareas relacionadas con la validación de la instalación del blanco de litio implicaron cuatro actividades, que se llevaron a cabo conjuntamente por la JAEA y la ENEA:

• Construcción y puesta en funcionamiento del lazo, incluidos los sistemas de purificación.
• Diagnóstico del blanco de litio.
• Pruebas de erosión/corrosión de los materiales estructurales del lazo.
• Manipulación remota del conjunto.

Sistemas de validación y purificación del flujo del ELTL

El lazo de prueba de litio de IFMIF/EVEDA (ELTL) inició su funcionamiento en febrero de 2011. Este lazo, de unos 20 m de alto, constaba de tres pisos y un foso (en el que estaba el tanque de descarga).

Conviene señalar que, tras los daños ocasionados por el Gran Terremoto de Japón Oriental, el lazo de litio volvió a ponerse en marcha en septiembre de 2012. Durante su reparación se realizaron pruebas para obtener datos decisivos sobre la estabilidad geométrica del flujo de litio y el rendimiento de la estructura de guía del flujo hasta una velocidad de flujo de 20 m/s, evidenciando que es posible controlar el flujo de litio de forma estable durante largos periodos de tiempo.

El depósito de litio podía almacenar 2.500 kg de este alcalino. Su puesta en funcionamiento fue especialmente compleja pues había que evitar la contaminación por aire y humedad (se garantizaron valores inferiores a 25 ppm).

Durante la primera fase EVEDA se concluyeron múltiples actividades de validación a escala de las instalaciones experimentales, diversas pruebas de componentes y varios experimentos de laboratorio para la instalación de blancos de litio.

Tales actividades han supuesto una valiosa realimentación sobre los procesos de diseño tanto en la misma fase de ingeniería como en las ulteriores etapas de desarrollo de IFMIF. En otras palabras: no sólo se ha comprobado la madurez práctica de las tecnologías implicadas, sino que las lecciones aprendidas aseguran que IFMIF será una instalación factible, eficiente y segura para probar materiales, un peldaño vital hacia la energía de fusión.

Diagnóstico del blanco de litio

Este diagnóstico reviste una importancia crucial, pues debe garantizarse una pantalla de litio suficiente para absorber la energía del haz. Para ello se ha desarrollado un dispositivo que, según parece, no genera perturbaciones visibles.

Pruebas de erosión/corrosión

Se planificaron ensayos de corrosión/erosión específicos en ENEA-Brasimone (Italia), pero ciertos inconvenientes en las actividades de validación aconsejaron la construcción, en 2010, de una nueva instalación de ensayos de litio líquido. El programa experimental preveía hasta 8.000 horas de pruebas de corrosión/erosión, que comenzaron en 2013 y concluyeron con éxito.

Validación de la manipulación remota

La JAEA desarrolló una máquina de soldadura láser orbital específica para soldar y cortar a distancia bridas de acero con labios de retén. El proceso de validación, mediante una maqueta del conducto de entrada del IFMIF, se realizó en colaboración con la Universidad de Osaka. Uno de los principales objetivos consistió en desarrollar normas de calidad aplicables a procedimientos a distancia.

Por su parte, la ENEA construyó una maqueta para simular la sustitución a distancia de muestras usando una placa trasera desmontable basada en el concepto de bayoneta. Las pruebas, que imitaron las restricciones geométricas de la celdilla de ensayo, emplearon un sistema de manipulación remota similar al previsto para IFMIF.

[1] Dentro del programa de fusión de la UE se están investigando materiales estructurales avanzados para usarse en DEMO y en los futuros reactores de fusión. Se espera que estos materiales, principalmente los aceros especiales, el tungsteno y los compuestos de carburo de silicio, presenten «baja activación» y «resistencia a la radiación» frente al elevado flujo de neutrones y que, además, sean compatibles con el tritio. Precisamente IFMIF surge para la certificación de estos materiales.

GLOSARIO

IFMIF: Siglas de International Fusion Materials Irradiation Facility (Instalación Internacional para la Irradiación de Materiales de Fusión).

DEMO: Acróstico de DEMOnstration Power Plant (Planta eléctrica de demostración basada en la fusión). Se trata de un reactor que aplicará los avances científicos y tecnológicos aprendidos en ITER, perfeccionándolos y dando lugar al patrón precursor de los reactores comerciales de fusión.

EVEDA: Siglas de Engineering Design and Engineering Validation Activities (Actividades de Diseño y de Validación de Ingeniería).

Broader Approach Agreement: Es el acuerdo bilateral de ampliación del enfoque de la tecnología de fusión firmado entre la UE y Japón sobre la base de varios importantes proyectos de investigación que se ejecutarán en Japón, cuya finalidad viene a complementar ITER, aunando esfuerzos e intereses científicos y técnicos para hacer realidad la energía de fusión.

LIPAc: Acróstico de Linear IFMIF Prototype Accelerator (Prototipo de Acelerador Lineal para IFMIF).

KIT: Siglas de Karlsruher Institut für Technologie (Instituto Tecnológico de Karlsruhe). Es una de las mayores y más prestigiosas instituciones alemanas de investigación científica.

SCK-CEN: Siglas de Studiecentrum voor Kernenergie-Centre d’Étude de l’énergie Nucléaire (Centro de Estudios Nucleares). Es el principal centro de investigación nuclear belga.

CRPP: Siglas de Center for Research in Plasma Physics (Centro para la Investigación de la física del plasma), es un organismo encuadrado en la Escuela Politécnica Federal de Lausana, que es una institución universitaria suiza, situada entre las más prestigiosas de Europa.

JAEA: Siglas de la Japan Atomic Energy Agency (cuya trasliteración japonesa es Nihon genshiryoku kenkyū kaihatsu kikō). Es una de las principales instituciones públicas independientes japonesas, dedicada a la investigación nuclear.

ENEA: Siglas de Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile (Agencia nacional para las nuevas tecnologías, la energía y el desarrollo económico sostenible). Es el segundo mayor organismo público de investigación italiano y está volcado en la investigación energética, particularmente, en la de índole nuclear.