Domar neutrons com a animals salvatges: el desafiament crucial de la fusió nuclear

Immersos en la cerca d'una font d'energia neta i pràcticament inesgotable, la humanitat s'enfronta a un desafiament crític que podria definir el curs del nostre futur energètic. La fusió nuclear, el procés que alimenta al Sol, té un potencial revolucionari per a satisfer les nostres necessitats energètiques sense els perillosos residus de la fissió nuclear tradicional.

No obstant això, un obstacle tècnic s'interposa en el camí: el mal per irradiació que causen els neutrons en els materials estructurals dels reactors. Hem de “domar” eixos neutrons per a avançar, perquè són autèntics animals salvatges, i això ho aconseguirem, amb nous materials molt més resistents.

Com bé va dir el Nobel de Física Pierre Gilles de Gennes sobre la fusió nuclear:

“Diem que posarem el Sol en una caixa. La idea és atractiva, però el problema està en el fet que no sabem com ni de què fer la caixa.”

Animals salvatges

En el cor del desafiament que enfronta la fusió nuclear estan els neutrons d'alta energia, criatures impredictibles que juguen un paper dual en l'escenari de la fusió.

Els neutrons són indispensables per a la generació de triti, un isòtop vital per a sostindre la reacció de fusió. Actuen de la mateixa manera que una manxa que aviva un foc, però a escala atòmica en este procés revolucionari.

Igual que els animals salvatges poden alterar el seu entorn, els neutrons d'alta energia canvien profundament les propietats mecàniques i físiques dels materials estructurals dels reactors. Afecten la integritat i, per tant, al funcionament de la “caixa” que haurà de contindre el futur Sol de la Fusió Nuclear.

Fins ara, destruirien qualsevol caixa possible: bombardegen a tots els materials del reactor, provoquen canvis en la seua estructura atòmica, igual que una bola de billar desplaça a les altres boles en el “break”, un neutró desordena els àtoms que formen les estructures, degradant les seues propietats, fent-ho menys resistent i més fràgils.

Així, mentre busquem aprofitar el potencial il·limitat de la fusió nuclear com una font d'energia neta i abundant, ens enfrontem al desafiament de domar a estos “animals salvatges”. Busquem maneres de mitigar el seu impacte destructiu i assegurar la viabilitat a llarg termini d'una tecnologia prometedora.

Només en el seu hàbitat

Els avanços en la investigació de materials per a reactors de fusió tenen un paral·lelisme fascinant amb els estudis d'animals salvatges.

Igual que els zoòlegs i els naturalistes poden passar molt de temps observant i analitzant el comportament de les criatures en el seu entorn natural, els científics en el camp de la fusió nuclear dediquen incomptables hores a estudiar els efectes de la irradiació en els materials. Però no es veuen amb càmeres fotogràfiques: s'empren tècniques avançades com la irradiació amb feixos d'ions o neutrons procedents de reaccions de fissió.

No obstant això, no és tan fàcil. L'animal salvatge ha d'estar en el seu hàbitat per a poder estudiar-lo i aprendre d'ell. De la mateixa manera, el mal per radiació dels materials ha d'haver sigut generat per neutrons d'energia similar a la de fusió. I… com aconseguim produir-los?

Quan estudiem l'efecte en els materials de la irradiació d'espècies diferents (ions o neutrons de fissió) no podem replicar exactament les condicions extremes que tindran en el futur reactor de fusió. Obtenim dades valuoses i aprenem sobre l'evolució microestructural dels materials (com s'adapten els òrgans del material al nou ambient), però sempre amb la reserva que estos entorns controlats no capturen completament la ferocitat i l'abast total de la irradiació en condicions de fusió real. És a dir, observem que els materials es degraden sense saber si eixe mal serà similar, major o menor.

La raó d'IFMIF-DONS

El futur d'esta investigació promet un avanç significatiu amb la construcció d'instal·lacions com IFMIF-DONS (International Fusion Materials Irradiation Facility - Demo-Oriented Neutron Source), un accelerador de partícules dissenyat per a generar neutrons d'energies similars a les produïdes en les reaccions de fusió.

Esta instal·lació permetrà als científics estudiar els materials després d'haver sigut sotmesos a un bombardeig neutrónico que imita fidelment l'ambient hostil d'un reactor de fusió. Això representa una gran oportunitat per a avançar en esta disciplina científica, ja que, després de ser irradiat en DONS, el material mostrarà realment les seues aptituds per a ser considerat candidat a formar part del reactor. Podrem estudiar com es comporta en eixe nou hàbitat, i avaluar si compleix els requisits o no. És a dir, si és capaç de domar als neutrons salvatges, al mateix temps que suporta altes temperatures i tensions mecàniques.

Fins que estes instal·lacions estiguen operatives, continuem aprenent dels “animals engabiats”, reconeixent que, encara que estos estudis no repliquen perfectament l'entorn salvatge d'un reactor de fusió, són passos crucials cap a l'enteniment i domesticació de neutrons.

Prismàtics per a observar-los per dins

La Microscòpia Electrònica de Transmissió (TEM) és l'equivalent a un potent parell de prismàtics que permet observar el mal que ocasionen a escala íntima, a més de veure els efectes dels neutrons en els materials en l'àmbit atòmic i microscòpic. Això podria assemblar-se al moment en què els naturalistes analitzen els detalls més subtils de la fauna en el seu hàbitat natural, captant des dels patrons més comuns en el pelatge d'un animal fins al reflex de la llum en els seus ulls.

Esta tècnica visualitza com afecta la irradiació a l'estructura interna dels materials, i revela els danys i transformacions que ocorren en el seu “ADN”. En entendre estos canvis, podem dissenyar nous materials que no sols sobrevisquen al bombardeig dels neutrons, sinó que prosperen.

Els parcs nacionals de la fusió nuclear

Amb estes investigacions podrem donar amb els materials que resistiran les condicions extremes de la caixa que contindrà al Sol i traçaran el camí cap a una font d'energia neta i pràcticament il·limitada.

Sense abandonar la metàfora, el camí a seguir en la investigació de la fusió nuclear s'assembla a l'expansió d'una reserva natural. Per a conservar ecosistemes, diferents països i organitzacions uneixen forces. ITER, o l'esmentat IFMIF-DONS, són els futurs “parcs nacionals protegits de la fusió”. I representen un esforç conjunt per a crear un entorn controlat on es puguen observar les reaccions de fusió i provar tecnologies mai abans imaginades.

L'observació detallada a través del TEM, la col·laboració internacional en projectes com l'ITER i l'ús avançat de simulacions computacionals traça un camí prometedor cap a la conquesta de l'energia de fusió. Així és com s'aconseguirà domar neutrons com si es tractara d'animals salvatges. Però serà només el principi?

Marcelo Roldán Blanco, Investigador de materials per a fusió nuclear., Centre d'Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT)

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. 

Traduït per Àgora CT