Fusión nuclear: ¿qué material puede contener una estrella en la Tierra? 

Ensamblaje de la cámara del reactor de fusión de confinamiento inercial del National Ignition Facility, ensamblada con paneles de aluminio de diez centímetros de grosor capaces de soportar haces de láser superpotentes. Lawrence Livermore National Laboratory , CC BY-NC-SA

La fusión nuclear como fuente de energía de las estrellas se describió en la década de 1920. Desde entonces, los científicos no hemos dejado de soñar con reproducir este proceso de forma controlada.

Generar energía mediante fusión es emular lo que hace el Sol, pero en la Tierra, y dentro de un recipiente. Uno de los cuellos de botella para lograrlo es el diseño de este recipiente, y más precisamente, dar con los materiales que podrán contener nada menos que una estrella.

Implosión en el interior de un reactor de fusión de confinamiento inercial.
Lawrence Livermore National Laboratory, CC BY-NC-SA

Materiales que aún no existen

A día de hoy nada soporta las condiciones extremas de irradiación y temperatura en las paredes de un reactor de fusión nuclear y nos encontramos con limitaciones técnicas para caracterizar materiales que aún no existen. Así que tenemos que inventarlos y, para saber si sirven, ponerlos a prueba.

Para caracterizarlos, necesitamos instalaciones experimentales que permitan ver cómo se comportan en condiciones de irradiación similares a las esperadas en un reactor de fusión. Ese es el objetivo de macro proyectos como el IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility) que está en marcha.

Crear nuevos materiales, materiales que aún no existen, y que puedan soportar el proceso supone otro desafío impresionante.

Tenemos que integrar fenómenos físicos que se producen en las más diversas escalas dimensionales, desde los nanómetros, como en el caso de los defectos inducidos por radiación, a los milímetros o centímetros, como ocurre en la propagación de fisuras/grietas. También a escalas temporales diferentes, desde los picosegundos a los días, meses o incluso años. Para probar tamaña diversidad, empleamos técnicas de simulación computacional multiescala en supercomputadoras.

Las simulaciones computacionales son un laboratorio virtual para investigación y desarrollo de nuevos materiales para fusión. Un claro ejemplo cuyo desarrollo fue acelerado con estas técnicas son los metales nanoporosos.

Traslado de la cámara de confinamiento.
Lawrence Livermore National Laboratory, CC BY-NC-SA

Los metales nanoporosos: una esponja de metal

Para imaginar cómo son los metales nanoporosos pensemos en una esponja de cocina, llena de huecos de tamaño visible. Esa misma esponja, si estuviera hecha de metal y con la misma proporción de huecos/material que la original pero cada uno 1 000 veces más pequeño que un pelo, sería un metal nanoporoso y tendría cerca de un cuarto de trillón de estos poros.

En estos materiales, la superficie total de los poros es mayor que el área de un campo de fútbol, y todo en el volumen de una esponja de cocina. En esta particularidad radica su potencial para muchas aplicaciones tecnológicas.

¿Y por qué nos interesa esto? Porque las superficies son sumideros para los defectos inducidos por radiación.

Las condiciones extremas de radiación en un reactor de fusión inducen innumerables defectos en la red cristalina del material. Si estos defectos se encuentran cerca de una superficie libre, migran a la misma y escapan del material. Así, los metales nanoporosos tienen, teóricamente, el potencial de autorepararse .

Metal nanoporoso. (a) Imagen obtenida mediante microscopía electrónica de barrido. (b) En IMDEA Materiales se simula la distribución de tensiones en la microestructura de la espuma en condiciones de operación.
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Los valores del tungsteno

Desde el Instituto IMDEA Materiales entramos en el terreno de los materiales para fusión con el proyecto Mechanics of Nanoporous Wunder irradiation (MeNaWir), financiado por el European Atomic Energy Community (Euratom) y el programa de Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA).

En MeNaWir creamos modelos computacionales para simular el comportamiento de metales en las condiciones de trabajo de los reactores. Así, podemos evaluar y encontrar materiales que resistan estas condiciones adversas.

Como estrategia, hemos elegido un marco computacional multiescala para la exploración de las propiedades mecánicas de materiales para fusión, y hemos puesto el foco en metales refractarios nanoporosos, en particular el tungsteno nanoporoso.

El tungsteno tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, a unos 3 400 grados, es muy resistente al calor y al desgaste y es uno de los metales menos susceptibles a los efectos de la radiación.

Sin embargo, tal vez incluso el tungsteno no sea suficiente para soportar las durísimas condiciones de radiación y temperatura en aplicaciones de fusión. Así, lo que se propone estudiar es tungsteno con una microestructura nanoporosa, tipo esponja.

El tungsteno nanoporoso combinaría las excelentes propiedades mecánicas en ambientes extremos de su material base con una nanoestructura que facilita la migración a la superficie de todos los defectos inducidos ocasionados por la radiación.

Impacto a largo plazo

El desarrollo de técnicas computacionales para simular el comportamiento de materiales para reactores de fusión supone claros beneficios para la industria nuclear: una selección y evaluación computacional de materiales, reduciendo enormemente el número de ensayos a realizar en condiciones reales.

En MeNaWir el marco computacional a desarrollar tiene una base multiescala y está específicamente orientado a estudiar el comportamiento mecánico de metales nanoporosos en las condiciones extremas de los reactores de fusión.

Con este marco resultaría posible, por ejemplo, determinar una ventana de microestructuras óptimas para las condiciones de estos reactores. Es más, el impacto del desarrollo de estas técnicas de simulación también podrían aplicarse a otros casos con gran interés técnico y condiciones de trabajo cercanas, por ejemplo, el estudio de metales nanoporosos en reactores de fisión de IV generación y reactores modulares pequeños.

Si funciona, habríamos dado nada menos que con el material capaz de contener una estrella en la Tierra.

Carlos J. Ruestes recibe fondos del programa de innovación y desarrollo Horizon Europe de la Unión Europea, bajo el contrato Marie Sklodowska-Curie no. 101062254. Carlos J. Ruestes es docente de la Fac. de Cs. Exactas y Naturales de la U. Nacional de Cuyo (Mendoza, Argentina) e Investigador Adjunto del CONICET. Es colaborador externo del Laboratorio National Lawrence Livermore, California, Estados Unidos de Norteamérica

Javier Segurado recibe fondos públicos de investigación de diversas fuentes, incluyendo el gobierno de España a través del pan estatal de investi gación científica, técnica y de innovación o la Unión Europea a través de proyectos del H2020. Además es colaborador habitual de Laboratorio Nacional de “Los Alamos”, en Estados Unidos.