Estudio en el CNA de iones rápidos y sus pérdidas en los reactores de fusión nuclear

*En los plasmas de los dispositivos experimentales de fusión nuclear se generan iones energéticos, “iones rápidos”, que pueden escaparse del plasma, lo que provocaría daños en la primera pared de la vasija del reactor.

*Para estudiar estas pérdidas, en el CNA se ha empleado una técnica conocida como ionoluminiscencia. 

La evolución hasta la situación actual medioambiental, ha motivado que en los últimos tiempos se intensifique la búsqueda de nuevas fuentes de energía limpias.

Una de estas posibles fuentes de energía es la fusión nuclear, el proceso por el cual se produce la energía en las estrellas. Pero, ¿qué es la fusión nuclear? En primer lugar, no debemos confundirla con la fisión. Podríamos entender la fusión, como el proceso inverso a la fisión, es decir, en la fisión, rompemos el vaso en trocitos más pequeños, mientras que en la fusión, unimos los trocitos, obteniendo como resultado el vaso completo y energía.

El gran interés de la fusión nuclear radica en el hecho de que los elementos que se emplearían, hidrógeno y sus isótopos, son tremendamente abundantes en la Tierra y que la cantidad de energía que se genera en la fusión es enorme.

Debido a que se hace necesario hoy en día el uso de fuentes de energía limpias y cuya producción no suponga un gasto excesivo, los avances en fusión nuclear se han convertido en un foco de estudio de gran importancia.

Centrados en este punto, el grupo de Fusión Nuclear y de Física del Plasma del CNA, PSFT (Plasma Science and Fusion Technology), en colaboración con la Universidad de Sevilla y el Instituto Max Planck de de Física del Plasma de Munich, participan en un proyecto internacional llamado ITER, el mayor experimento del mundo en fusión en el que colaboran 35 países. En el CNA estudiamos los iones rápidos que pueden escapar del plasma del reactor, empleando para ello una técnica conocida como ionoluminiscencia, la cual permite contabilizar los iones observando la emisión de luz cuando impactan sobre los distintos detectores. Para ello, según nos indica el Dr. Rodríguez Ramos, “se han empleado dos tipos de materiales centelleadores con el fin de seleccionar el mejor candidato para su utilización en los detectores de iones rápidos”.

En este estudio, aparte de la caracterización de las propiedades luminiscentes (rendimiento absoluto, daño por radiación y respuesta temporal) de dos tipos de materiales centelleadores, el TG-Green y el P56, desde el punto de vista instrumental, destaca por el diseño, instalación y puesta a punto de una nueva cámara de vacío acoplada al acelerador Tándem de 3 MV del Centro Nacional de Aceleradores, hecho que ha permitido aplicar, por primera vez en el CNA, la ionoluminiscencia en un rango de temperaturas entre temperatura ambiente y 500°C.

Esquema de la línea de ionoluminiscencia del CNA

Los centelleadores analizados en esta nueva instalación se han irradiado con iones ligeros de diferentes masas (deuterones, protones y partículas alfa) de energías del orden del MeV y a diferentes temperaturas de operación. Las condiciones experimentales se han elegido para reproducir el comportamiento de estos materiales en un entorno lo más parecido posible al que hay en los reactores de fusión donde trabajan los detectores de iones rápidos.

A partir de los resultados obtenidos, se concluye que el material P56 es el más adecuado para la operación en diagnósticos a altas temperaturas que no precisen una respuesta temporal rápida, mientras que el TG-Green es más adecuado para poder seguir las rápidas fluctuaciones existentes en plasmas de fusión.

Por lo tanto los resultados obtenidos en este trabajo constituyen un compendio de resultados originales e innovadores sobre las propiedades luminiscentes de materiales que pueden ser usados en diagnósticos a altas temperaturas, lo cual es altamente demandado por la comunidad científica de diagnósticos de fusión nuclear.

El comportamiento observado con la temperatura del material TG-Green también ha servido para un rediseño del detector de iones rápidos que se tenía planificado para el futuro reactor de fusión ITER.

El Centro Nacional de Aceleradores es una ICTS de localización única que forma parte del Mapa de ICTS actualmente vigente, aprobado el 7 de octubre de 2014 por el Consejo de Política Científica, Tecnológica y de Innovación (CPCTI).

Referencia bibliográfica:

Temperature response of several scintillator materials to light ions

Rodríguez-Ramos, M.C. Jiménez-Ramos, M. García-Muñoz, J. García López

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 403, 7-12 (2017)

http://dx.doi.org/10.1016/j.nimb.2017.04.084

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