En el verano boreal de 2020, los líderes de los Estados participantes iniciaron la construcción del elemento principal del futuro reactor: el Tokamak, un sistema de retención y calefacción del plasma. Sobre la contribución de los científicos rusos a uno de los proyectos más ambiciosos de la humanidad en el campo de la energía trata el nuevo material de Sputnik.
El mundo de la energía termonuclear
Las reacciones termonucleares se acompañan con la liberación de una tremenda cantidad de energía, pero el plasma, en el que tienen lugar estas reacciones, posee una temperatura de decenas y cientos de millones de grados, mientras que los materiales más resistentes al calor no pueden soportar más de 3.000-4.000 grados.
Es posible utilizar la energía termonuclear si el plasma se separa de las paredes del reactor debido a fuertes campos magnéticos, explicaron los científicos. La mejor trampa magnética para el plasma termonuclear, el Tokamak, fue propuesta por los académicos soviéticos Andréi Sájarov e Ígor Tamm a principios de la década de 1950 y se creó por primera vez en el Instituto Ígor Kurchátov.
En un reactor termonuclear, a diferencia del atómico, no ocurre la división de núcleos, sino su síntesis a una densidad de plasma 100.000 veces menor que la densidad del aire. Gracias a esto, enfatizan los científicos, una explosión es imposible, lo que hace que el reactor sea realmente seguro. Los desechos de dicho reactor serán helio y tritio inofensivos, que luego se utilizarán para mantener la misma reacción.
"ITER es la puerta de entrada a la energía termonuclear por la que debe pasar el mundo". Estas palabras pertenecen al iniciador del proyecto, el presidente honorario del Instituto Ígor Kurchátov, el académico Evgueni Vélijov. El objetivo del ITER, cuya idea surgió a mediados de la década de 1980, es demostrar la posibilidad de utilizar energía termonuclear a escala industrial.
Actualmente, el proyecto cuenta con siete participantes: la Unión Europea, la India, China, República de Corea, Rusia, Estados Unidos y Japón. La sede de ITER está en Cadarache (Francia) cerca del lugar de construcción del reactor.
Además de la contribución conceptual y de ingeniería fundamental, el ITER, según los científicos, ya está en deuda con Rusia por el desarrollo de una serie de elementos clave, incluidos el cable superconductor más avanzado y los mejores girotrones del mundo: dispositivos para calentar el plasma con radiación electromagnética de frecuencia ultraalta.
El desafío del tritio
La mezcla de isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio servirá de combustible para el ITER. El deuterio se obtiene con relativa facilidad a partir del agua, mientras que el tritio se elaborará en el propio reactor termonuclear. El ITER, como instalación experimental, aún no producirá electricidad, pero según los cálculos de los científicos, en los reactores termonucleares comerciales, un gramo de combustible dará la misma cantidad de energía que ahora producen de 10 a 20 toneladas de hidrocarburos.
Uno de los riesgos en el funcionamiento del reactor será la acumulación de tritio radiactivo en la cámara de descarga del Tokamak, por lo que su cantidad está limitada por normas de seguridad. Los materiales de la pared interna de la cámara, tungsteno y berilio, no acumulan mucho tritio, pero, sin embargo, como explicaron los científicos, los métodos de monitoreo remoto regular del nivel de tritio son necesarios para el funcionamiento estable del reactor.
La cantidad total de este isótopo en la cámara se puede determinar a partir del equilibrio del gas suministrado y evacuado. Para una medición local más precisa de su contenido en las paredes del reactor, los científicos decidieron utilizar la radiación láser: bajo su influencia, se producirá una especie de "evaporación" de la capa superficial de la pared, seguida de la captura y análisis de las partículas formadas.
La solución a este problema clave será abordada por un laboratorio creado especialmente en 2020 en el Instituto de Tecnologías de Láser y Plasma de MEPhI bajo el liderazgo de un joven científico, el profesor asociado del Departamento de Física del Plasma, Yuri Gasparián.
"Nuestro propósito es aprender a medir la concentración de isótopos de hidrógeno ligeros y altamente móviles con el menor impacto posible en la pared del reactor. Las pruebas están previstas tanto en las instalaciones del laboratorio como en el Tokamak Globus-M2 en el Instituto Físico Técnico Abram Ioffe", dijo el científico.
Polvo peligroso
La idea de aislamiento térmico del plasma en un campo magnético toroidal, es decir, "en forma de rosquilla", sobre la cual se basa el Tokamak, como explicaron los científicos de MEPhI, todavía no excluye la posibilidad de entrada de las partículas y radiación en las paredes del reactor. Bajo su influencia, los productos de erosión macroscópica o, simplemente, el polvo, se separarán de las paredes.
Los cálculos de los físicos muestran que las partículas de polvo se acumularán en el fondo de la cámara de descarga del Tokamak, lo que representa un peligro para el reactor: el polvo en sí conlleva el peligro de incendio y, además, acumula activamente tritio radiactivo.
Para controlar la cantidad y composición del polvo en el reactor, un grupo de científicos de MEPhI, encabezado por el profesor León Begrambékov, propuso utilizar una sonda especial con un potencial eléctrico aplicado.
En el campo eléctrico entre la sonda y la superficie de la pared, los granos de polvo serán electrificados y atraídos por un receptor especial. Moviéndose por encima de la superficie, la sonda, como una aspiradora, recogerá el polvo y luego lo sacará del reactor a través de las esclusas especiales.
Vanguardia científica
El equipo central del proyecto en Cadarache cuenta con 1.200 especialistas de todos los países participantes y decenas de miles de científicos e ingenieros colaboran en equipos locales.
"MEPhI, y en particular el Departamento de Física del Plasma, es uno de los participantes activos del proyecto, también en cuanto a la formación del personal. Durante más de medio siglo, nuestro departamento ha estado formando especialistas en el campo de la física del plasma caliente y la fusión termonuclear controlada. Nuestros graduados trabajan tanto en la central como en las agrupaciones locales del ITER, y la geografía de nuestras colaboraciones se extiende a casi todo el planeta", revela Valeri Kurnáev, jefe del Departamento de Física del Plasma de MEPhI.
Durante la existencia del departamento, sus especialistas han creado instalaciones que permiten estudiar la interacción del plasma y sus componentes (iones, electrones, átomos neutros) con diversos materiales. Se han desarrollado teorías y códigos para describir estos procesos y se ha capacitado a un gran número de científicos.
Entre los trabajos ya realizados por los especialistas del departamento para ITER se encuentran:
la creación de un método para la detección espectroscópica de fugas de agua al plasma a partir de elementos enfriados de la primera pared del reactor,
el desarrollo de métodos para estudiar el efecto de una descarga luminiscente de limpieza en los primeros espejos de sistemas láser de diagnóstico,
la creación de pantallas de seguridad para colectores de radiación electromagnética.
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