Domar neutrones como a animales salvajes: el desafío crucial de la fusión nuclear

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Marcelo Roldán Blanco, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)

La fusión nuclear, el proceso que alimenta al Sol, tiene un potencial revolucionario para satisfacer nuestras necesidades energéticas sin los peligrosos residuos de la fisión nuclear tradicional.

Sin embargo, un obstáculo técnico se interpone en el camino: el daño por irradiación que causan los neutrones en los materiales estructurales de los reactores. Tenemos que “domar” esos neutrones para avanzar, porque son auténticos animales salvajes, y eso lo conseguiremos, con nuevos materiales mucho más resistentes.

Como bien dijo el Nobel de Física Pierre Gilles de Gennes sobre la fusión nuclear:

“Decimos que pondremos el Sol en una caja. La idea es atractiva, pero el problema está en que no sabemos cómo ni de qué hacer la caja.”

Animales salvajes

En el corazón del desafío que enfrenta la fusión nuclear están los neutrones de alta energía, criaturas impredecibles que juegan un papel dual en el escenario de la fusión.

Los neutrones son indispensables para la generación de tritio, un isótopo vital para sostener la reacción de fusión. Actúan del mismo modo que un fuelle que aviva un fuego, pero a escala atómica en este proceso revolucionario.

Al igual que los animales salvajes pueden alterar su entorno, los neutrones de alta energía cambian profundamente las propiedades mecánicas y físicas de los materiales estructurales de los reactores. Afectan a la integridad y, por tanto, al funcionamiento de la “caja” que tendrá que contener el futuro Sol de la Fusión Nuclear.

Hasta ahora, destruirían cualquier caja posible: bombardean a todos los materiales del reactor, provocan cambios en su estructura atómica, igual que una bola de billar desplaza a las otras bolas en el “break”, un neutrón desordena los átomos que forman las estructuras, degradando sus propiedades, haciéndolo menos resistente y más frágiles.

Así, mientras buscamos aprovechar el potencial ilimitado de la fusión nuclear como una fuente de energía limpia y abundante, nos enfrentamos al desafío de domar a estos “animales salvajes”. Buscamos formas de mitigar su impacto destructivo y asegurar la viabilidad a largo plazo de una tecnología prometedora.

Solo en su hábitat

Los avances en la investigación de materiales para reactores de fusión tienen un paralelismo fascinante con los estudios de animales salvajes.

Al igual que los zoólogos y los naturalistas pueden pasar mucho tiempo observando y analizando el comportamiento de las criaturas en su entorno natural, los científicos en el campo de la fusión nuclear dedican incontables horas a estudiar los efectos de la irradiación en los materiales. Pero no se observan con cámaras fotográficas: se emplean técnicas avanzadas como la irradiación con haces de iones o neutrones procedentes de reacciones de fisión.

No obstante, no es tan fácil. El animal salvaje debe estar en su hábitat para poder estudiarlo y aprender de él. Del mismo modo, el daño por radiación de los materiales debe haber sido generado por neutrones de energía similar a la de fusión. Y… ¿Cómo logramos producirlos?

Cuando estudiamos el efecto en los materiales de la irradiación de especies diferentes (iones o neutrones de fisión) no podemos replicar exactamente las condiciones extremas que tendrán en el futuro reactor de fusión. Obtenemos datos valiosos y aprendemos sobre la evolución microestructural de los materiales (cómo se adaptan los órganos del material al nuevo ambiente), pero siempre con la reserva de que estos entornos controlados no capturan completamente la ferocidad y el alcance total de la irradiación en condiciones de fusión real. Es decir, observamos que los materiales se degradan sin saber si ese daño será similar, mayor o menor.

La razón de IFMIF-DONES

El futuro de esta investigación promete un avance significativo con la construcción de instalaciones como IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility - Demo-Oriented Neutron Source), un acelerador de partículas diseñado para generar neutrones de energías similares a las producidas en las reacciones de fusión.

Esta instalación permitirá a los científicos estudiar los materiales después de haber sido sometidos a un bombardeo neutrónico que imita fielmente el ambiente hostil de un reactor de fusión. Esto representa una gran oportunidad para avanzar en esta disciplina científica, ya que, tras ser irradiado en DONES, el material mostrará realmente sus aptitudes para ser considerado candidato a formar parte del reactor. Podremos estudiar cómo se comporta en ese nuevo hábitat, y evaluar si cumple los requisitos o no. Es decir, si es capaz de domar a los neutrones salvajes, al mismo tiempo que soporta altas temperaturas y tensiones mecánicas.

Hasta que estas instalaciones estén operativas, continuamos aprendiendo de los “animales enjaulados”, reconociendo que, aunque estos estudios no replican perfectamente el entorno salvaje de un reactor de fusión, son pasos cruciales hacia el entendimiento y domesticación de neutrones.

Prismáticos para observarlos por dentro

La Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) es el equivalente a un potente par de prismáticos que permite observar el daño que ocasionan a escala íntima, además de ver los efectos de los neutrones en los materiales a nivel atómico y microscópico. Esto podría asemejarse al momento en que los naturalistas analizan los detalles más sutiles de la fauna en su hábitat natural, captando desde los patrones más comunes en el pelaje de un animal hasta el reflejo de la luz en sus ojos.

Esta técnica visualiza cómo afecta la irradiación a la estructura interna de los materiales, y revela los daños y transformaciones que ocurren en su “ADN”. Al entender estos cambios, podemos diseñar nuevos materiales que no solo sobrevivan al bombardeo de los neutrones, sino que prosperen.

Los parques nacionales de la fusión nuclear

Con estas investigaciones podremos dar con los materiales que resistirán las condiciones extremas de la caja que contendrá al Sol y trazarán el camino hacia una fuente de energía limpia y prácticamente ilimitada.

Sin abandonar la metáfora, el camino a seguir en la investigación de la fusión nuclear se asemeja a la expansión de una reserva natural. Para conservar ecosistemas, diferentes países y organizaciones unen fuerzas. ITER, o el mencionado IFMIF-DONES, son los futuros “parques nacionales protegidos de la fusión”. Y representan un esfuerzo conjunto para crear un entorno controlado donde se puedan observar las reacciones de fusión y probar tecnologías nunca antes imaginadas.

La observación detallada a través del TEM, la colaboración internacional en proyectos como el ITER y el uso avanzado de simulaciones computacionales traza un camino prometedor hacia la conquista de la energía de fusión. Así es como se logrará domar neutrones como si de animales salvajes se tratase. Pero, ¿será solo el principio?

Marcelo Roldán Blanco, Investigador de materiales para fusión nuclear., Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.