rector de fusion nuclear

MATERIALES PARA LA PRIMERA PARED DE LOS REACTORES DE FUSIÓN

1. Introducción

Entre los problemas técnicos que hay que vencer para diseñar un reactor de fusión rentable, uno de los más perentorios es el desarrollo de materiales estructurales que puedan soportar las condiciones extremas de operación a las que estarían sometidas en un reactor de fusión. Las características funcionales de estosmateriales, su fiabilidad durante la operación continuada del reactor, es lo que en gran medida determinaría su éxito comercial, o su fracaso. Este éxito lo establece la fiabilidad del reactor, la vida del reactor, la duración de las paradas para recarga de combustible, mantenimiento y reparaciones, la generación de residuos y el rendimiento del reactor, determinado por la temperatura de trabajode los materiales que forman la estructura de la primera pared de la vasija que contiene el plasma.

El actual programa internacional “fast track to fusión” establece la construcción de un reactor experimental denominado ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), y una gran instalación para irradiar materiales llamada IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility).ITER servirá para verificar los sistemas de control del plasma, de diseño y construcción. En IFMIF se ensayarían los materiales los materiales de fusión sometidos a condiciones semejantes a las que tendrían que soportar en un reactor comercial. La experiencia que se adquiera con la operación de estas dos instalaciones permitiría el diseño y construcción del primer reactor que demuestre la capacidadde la tecnología de fusión para producir energía de forma segura y rentable. Este futuro reactor es denominado DEMO.




2. El entorno de la primera pared

La reacción origina neutrones con un pico de enrgía en torno a 14 MeV, e iones He con energías entorno a 3,6 MeV. Los iones se mantienen confinados por el campomagnético. Los neutrones son absorbidos por los materiales de la vasija del reactor y el blindaje circundante transfiriendo su energía a los materiales También, los materiales absorben energía de la radiación térmica, electromagnética y de la corriente inducida. Parte de esta energía se transfiere mediante el circuito de refrigeración a las turbinas generadoras de energía eléctrica. El restola irradian, la mantienen almacenada o se ha invertido en alterar su estructura y composición. La operación del reactor causa los siguientes problemas a los materiales de su entorno:

1) Los neutrones en los materiales inducen transmutaciones que los hacen radiactivos, y además generan He y otras impurezas que alteran las propiedades de los materiales.
2) Los neutrones, al colisionarelásticamente con los átomos de los materiales, los desplazan de sus posiciones en la red cristalina creando vacantes e intersticiales. Este efecto se denomina daño de desplazamiento (displacement damage) y se cuantifica por el número medio de veces que un átomo del material sería desplazado durante su irradiación (dpa, displacement per atom).
prevista para un material estructural de uncomponente de la primera pared se estima en
550 ºC.

Vamos a tratar los dos problemas particulares de los materiales de fusión: la activación y el daño de desplazamiento. La elevada temperatura de trabajo no es un problema específico de los reactores de fusión.




3. La activación de los materiales de fusión

Al finalizar la vida útil de un material nuclear la concentración de radioisótoposalcanzada es tan elevada que el nivel de radiación en su entorno hace que sea tratado como un residuo radiactivo. Dependiendo del tipo de radioisótopos y de la concentración la actividad del material puede permanecer durante siglos, miles, millones o centenares de millones de años. El material tendrá que tratarse como un residuo nuclear. Además, el volumen de material a tratar como residuo...