materiales bajo cargas térmicas extremas
CIEMAT, Arranque de la nueva instalación OLMAT para el estudio de materiales bajo cargas térmicas extremas
23/07/2021
El pasado 2 de julio se dio por finalizado el arranque de la instalación OLMAT (Optimization of Liquid Metal Advanced Targets, Optimización de blancos avanzados de metal líquido) en el Laboratorio Nacional de Fusión. La Instalación es única de su especie en España y de las pocas existentes en Europa y sirve para probar materiales, tanto sólidos como líquidos, en condiciones de flujo de calor extremos, del orden de los que existen en la superficie misma del Sol.
Imagen. Blanco de estaño liquido en CPS de OLMAT sometido a pulsos NBI. Nótese como la malla de tungsteno ha sido destruida mientras que la parte mojada por estaño ( izquierda del disco) permanece inalterada.
Arranque de la nueva instalación OLMAT para el estudio de materiales bajo cargas térmicas extremasArranque de la nueva instalación OLMAT para el estudio de materiales bajo cargas térmicas extremas
Uno de los mayores retos actuales en el camino hacia un reactor de Fusión por confinamiento magnético es la selección de materiales directamente expuestos al plasma en la región de reactor conocida como Divertor. Dichos elementos deben soportar condiciones extremas de flujo de partículas y energía y a su vez producir una contaminación mínima del plasma.
A fecha de hoy, el tungsteno y algunas de sus aleaciones son los candidatos elegidos para el proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, Reactor Termonuclear Experimental Internacional), pero la mayor densidad de potencia, duración del pulso y flujo de neutrones hacen muy cuestionable su uso en un futuro reactor de fusión (DEMO, DEMOnstration Power Plant). Por ello, la comunidad internacional de fusión por confinamiento magnético ha iniciado un ambicioso plan experimental a la búsqueda de conceptos alternativos para los materiales del Divertor de DEMO. Entre dichos conceptos se incluye el uso de los metales líquidos como el litio y el estaño.
Los materiales candidatos se prueban en instalaciones (facilities) expresamente diseñadas al efecto ya que su exposición directa en un dispositivo de plasma fusión experimental complica enormemente su manejo y pone en riesgo toda la operación del mismo. Entre las facilities europeas más relevantes se encuentran el Magnum PSI, en DIFFER, Eindhoven (Países Bajos), la Judith y PSI-2, en Julich (Alemania), y la GLADIS en IPP Garching (Alemania). Todas ellas pueden exponer materiales sólidos a densidades de potencia superiores a 20 MW/m2, relevantes para DEMO, pero solo la primera ha expuesto también metales líquidos en soporte poroso tipo CPS.
La propuesta OLMAT (Optimization of Liquid Metal Targets) del Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT se generó como respuesta a la convocatoria de actividades financiables dentro del programa de Power Exhaust Experimenst de EuroFusion en 2016 y está actualmente parcialmente financiada dentro del Programa de Trabajo de Divertor Tokamak Divertor (DTT) bajo el epígrafe de Liquid Metal Divertor (LMD). Se ha solicitado la participación de la Agencia Estatal de Investigación, a través del Plan Nacional de I+D, Retos.
La instalación OLMAT fue concebida en 2016 y presentada al comité de expertos de EuroFusión en diversas ocasiones. Se basa en el uso de los haces de neutros (NBI) usados para el calentamiento del plasma en TJ-II (un stellarator flexible de tipo heliac del Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT) para irradiar materiales a densidades de potencia elevadas en una cámara auxiliar bien diagnosticada. Las muestras pueden ser sólidas o del tipo de metal liquido-CPS y pueden ser calentadas y giradas a vacío. Recientemente se ha procedido a la caracterización exhaustiva de las propiedades de la misma consiguiéndose los siguientes records: Potencia máxima inyectada en la muestra: 60 MW/m2; Máxima frecuencia de repetición: 2 pulsos por minuto; Duración máxima de pulso: 150 ms; Número de pulsos consecutivos: 100.
Todo esto hace de OLMAT una nueva facility europea competitiva y por ello EuroFusion la ha incorporado al conjunto de instalaciones de prueba de altas cargas térmicas de relevancia para DEMO.
Próximamente, la instalación contará también con un láser de fibra del kilovatio de alta frecuencia para la simulación de eventos transitorios en el rango del GW/m2 (ELMs). La instalación estará abierta para su uso para toda persona interesada en el tratamiento de materiales bajo las condiciones extremas referidas, más allá de su aplicación a Fusión.
Imagen. Blanco de estaño liquido en CPS de OLMAT sometido a pulsos NBI. Nótese como la malla de tungsteno ha sido destruida mientras que la parte mojada por estaño ( izquierda del disco) permanece inalterada.
