Uno de los mayores desafíos que plantea la fusión nuclear es, en realidad, un problema de ingeniería de materiales. Para entender con precisión qué aporta la innovación en la que vamos a indagar en este artículo necesitamos repasar brevemente algunos conceptos básicos acerca de la fusión nuclear. El plasma que contiene la cámara de vacío de los reactores experimentales de fusión nuclear alberga núcleos de deuterio y tritio, que son dos isótopos del hidrógeno.
Cuando la temperatura de este gas alcanza al menos los 150 millones de grados Celsius estos núcleos adquieren la energía cinética necesaria para vencer su repulsión natural (ambos tienen carga eléctrica positiva), y en estas circunstancias los núcleos de deuterio y tritio comienzan a fusionarse de manera espontánea. El resultado de esta reacción es un núcleo de helio-4 y un neutrón que sale despedido con una energía media de 14 MeV (megaelectronvoltios).
Este neutrón es muy importante debido a que es la partícula que va a permitir la generación de electricidad utilizando un reactor de energía de fusión. No obstante, los neutrones tienen carga eléctrica global neutra, por lo que no pueden ser confinados por el campo magnético. La consecuencia es que escapan al confinamiento magnético y chocan con el revestimiento interior de las paredes de la cámara de vacío, degradándolo.
El revestimiento de la cámara de vacío está expuesto a una agresión extrema
La cámara de vacío de un reactor de fusión nuclear es el compartimento en cuyo interior, como acabamos de ver, tienen lugar las reacciones de fusión entre los isótopos del hidrógeno. Su revestimiento interior tiene que ser capaz de minimizar la degradación que conlleva la acción de los neutrones de alta energía, pero esta no es en absoluto su única amenaza. Y es que el campo magnético que se responsabiliza del confinamiento de los núcleos no es capaz de retener todas las partículas.
Las partículas cuando se producen adquieren energías muy variadas, de manera que algunos núcleos de helio-4 escapan al confinamiento magnético y se acumulan junto al revestimiento interior
Por muy potente que sea, este campo magnético siempre tiene un límite, de modo que consigue retener aquellos núcleos que no superan un valor de energía determinado. Sin embargo, las partículas cuando se producen adquieren energías muy variadas, de manera que algunos núcleos de helio-4 escapan al confinamiento magnético y se acumulan junto al revestimiento interior de la cámara de vacío. El problema es que la acumulación de helio en el interior de las paredes del reactor las degrada y desencadena la formación de grietas. Y las grietas amenazan la integridad estructural del reactor y provocan la pérdida del vacío.
Para resolver este problema es imprescindible poner a punto un material que se pueda utilizar en el revestimiento interior de la cámara de vacío con el propósito de minimizar la degradación que provocan tanto los neutrones de alta energía como la acumulación de núcleos de helio-4. Hay muchos grupos de investigación trabajando en ello, pero el que lidera el profesor Ju Li en el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) ha puesto a punto un material extraordinariamente prometedor. Al menos sobre el papel.
Y es que estos investigadores han analizado más de 50.000 materiales con propiedades diferentes hasta dar con el que parece ser el ideal: el silicato de hierro. Una vez que se utiliza para revestir el interior de la cámara de vacío es capaz de dispersar las acumulaciones de helio-4 con mucha eficacia. Estos científicos lo justifican con detalle en el artículo que han publicado en ScienceDirect.
Y si este material es tan eficaz como prometen tiene la capacidad de dilatar perceptiblemente la vida útil de los reactores de fusión. Además, el silicato de hierro es compatible con la impresión en 3D, lo que simplifica mucho su manipulación y administración. Ya tenemos un motivo más para otear el horizonte de la fusión nuclear con un optimismo razonable.
Imagen | PSFC
Más información | ScienceDirect
