Hito significativo en las contribuciones europeas y japonesas al proyecto de energía de fusión ITER
El proyecto de energía de fusión ITER celebra un hito crucial con la finalización de 19 bobinas de campo toroidal, esenciales para el confinamiento magnético en la energía de fusión. Desarrolladas durante dos décadas mediante un esfuerzo multinacional, estas piezas representan un paso adelante en la producción de una fuente de energía limpia y abundante. Este proyecto es un ejemplo destacado de colaboración internacional e innovación tecnológica, involucrando a más de 30 países y numerosas empresas de alta tecnología.
Después de dos décadas de diseño, producción, fabricación y ensamblaje en tres continentes, el histórico proyecto multinacional de energía de fusión ITER celebra la finalización y entrega de sus enormes bobinas de campo toroidal desde Japón y Europa.
Masahito Moriyama, Ministro de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón, y Gilberto Pichetto Fratin, Ministro de Medio Ambiente y Seguridad Energética de Italia, asistirán a la ceremonia junto con funcionarios de otros países miembros de ITER.
¿Cómo funciona la fusión?
Una pequeña cantidad de gas de deuterio y tritio (hidrógeno) se inyecta en una gran cámara de vacío con forma de donut, llamada tokamak. El hidrógeno se calienta hasta convertirse en un plasma ionizado, similar a una nube. Gigantescos imanes superconductores, integrados en el tokamak, confinan y moldean el plasma ionizado, manteniéndolo alejado de las paredes metálicas. Cuando el plasma de hidrógeno alcanza los 150 millones de grados Celsius, diez veces más caliente que el núcleo del Sol, ocurre la fusión. En la reacción de fusión, una pequeña cantidad de masa se convierte en una gran cantidad de energía (E=mc²). Neutrones de ultra alta energía, producidos por la fusión, escapan del campo magnético y golpean las paredes metálicas de la cámara del tokamak, transmitiendo su energía como calor. Algunos neutrones reaccionan con el litio en las paredes metálicas, creando más combustible de tritio para la fusión. El agua que circula en las paredes del tokamak recibe el calor y se convierte en vapor. En un reactor comercial, este vapor impulsará turbinas para producir electricidad.
Cientos de tokamaks se han construido, pero ITER es el primero diseñado para lograr un plasma de “combustión” o auto-calentamiento en gran medida.
Colaboración global en energía de fusión
Diecinueve gigantescas bobinas de campo toroidal han sido entregadas al sur de Francia. Serán componentes clave en ITER, el mega-proyecto experimental de fusión que utilizará el confinamiento magnético para imitar el proceso que da energía al Sol y a las estrellas, proporcionando luz y calor a la Tierra.
La investigación en fusión busca desarrollar una fuente de energía segura, abundante y respetuosa con el medio ambiente.
ITER es una colaboración de más de 30 países socios: la Unión Europea, China, India, Japón, Corea, Rusia y Estados Unidos. La mayor parte de la financiación de ITER proviene de componentes aportados. Este arreglo impulsa a empresas como Mitsubishi Heavy Industries, ASG Superconductors, Toshiba Energy Systems, SIMIC, CNIM y muchas más a ampliar su experiencia en las tecnologías de vanguardia necesarias para la fusión.
Las bobinas de campo toroidal en forma de D se colocarán alrededor del recipiente de vacío de ITER, una cámara en forma de donut llamada tokamak. Dentro del recipiente, núcleos atómicos ligeros se fusionarán para formar núcleos más pesados, liberando una enorme cantidad de energía de la reacción de fusión.
Ingeniería del futuro energético
El plasma se calentará a 150 millones de grados, 10 veces más caliente que el núcleo del sol. A esta temperatura, la velocidad de los núcleos atómicos ligeros es suficientemente alta para que colisionen y se fusionen. Para dar forma, confinar y controlar este plasma extremadamente caliente, el tokamak de ITER debe generar una jaula magnética invisible, conformada con precisión a la forma del recipiente de vacío metálico.
ITER utiliza niobio-estaño y niobio-titanio como material para sus gigantescas bobinas. Cuando se energizan con electricidad, las bobinas se convierten en electroimanes. Al enfriarse con helio líquido a -269 grados Celsius (4 Kelvin), se vuelven superconductoras.
Los componentes clave de ITER
Para crear los campos magnéticos precisos requeridos, ITER emplea tres diferentes conjuntos de imanes. Los dieciocho imanes de campo toroidal en forma de D confinan el plasma dentro del recipiente. Los imanes de campo poloidal, un conjunto apilado de seis anillos que rodean horizontalmente el tokamak, controlan la posición y forma del plasma.
En el centro del tokamak, el solenoide central cilíndrico usa un pulso de energía para generar una potente corriente en el plasma. Con 15 millones de amperios, la corriente de plasma de ITER será mucho más poderosa que cualquier cosa posible en los tokamaks actuales o anteriores.
Diez bobinas fueron fabricadas en Europa, bajo los auspicios de la Agencia Doméstica Europea de ITER, Fusion for Energy (F4E). Ocho bobinas más una de repuesto fueron hechas en Japón, gestionadas por ITER Japón, parte de los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuántica (QST).
Cada bobina completa es enorme: 17 metros de altura y 9 metros de ancho, y pesa aproximadamente 360 toneladas.
Las bobinas de campo toroidal funcionarán juntas, efectivamente, como un solo imán: el más poderoso jamás creado.
Generarán una energía magnética total de 41 gigajulios. El campo magnético de ITER será aproximadamente 250,000 veces más fuerte que el de la Tierra.
Fabricación de las bobinas de campo toroidal
El proceso de fabricación comenzó con la producción de alambre de niobio-estaño. Se necesitaron más de 87,000 kilómetros de alambre fino para crear las 19 bobinas de campo toroidal. Este alambre se produjo en China, Europa, Japón, Corea, Rusia y Estados Unidos.
Cientos de alambres de niobio-estaño se enrollaron junto con alambres de cobre en un conjunto similar a una cuerda, y se insertaron en una funda de acero, con un canal central para acomodar el flujo forzado de helio líquido.
El resultado, un “cable en conducto” o simplemente “conductor”, forma el elemento central de las bobinas. Este material conductor se envió a Japón y Europa para iniciar el proceso de fabricación.
La fabricación real fue aún más desafiante. Para empezar, se doblaron aproximadamente 750 metros del conductor en una trayectoria de doble espiral y se trataron térmicamente a 650 grados Celsius. Luego, se ajustaron con precisión en una “placa radial” en forma de D, una estructura de acero inoxidable con ranuras en ambos lados en las que se acopla el conductor.
El conductor se envolvió e aisló usando cinta de vidrio y Kapton. Se ajustaron y soldaron las placas de cobertura. Esto creó un “doble panqueque”, un subcomponente enorme pero delicado hecho de dos capas de conductor. Todo el doble panqueque se volvió a envolver en cinta aislante y se inyectó con resina para agregar resistencia estructural, usando vacío para eliminar cualquier bolsa de aire.
En la siguiente etapa, se apilaron siete dobles panqueques para formar un “paquete de bobinado”, formando el núcleo del eventual imán. Cada doble panqueque se unió al siguiente para la continuidad eléctrica. El paquete de bobinado completo se aisló, se trató térmicamente y nuevamente se inyectó con resina.
Finalmente, el paquete de bobinado se insertó en una carcasa de acero inoxidable enorme, diseñada a medida, que pesa alrededor de 200 toneladas, lo suficientemente fuerte como para resistir las inmensas fuerzas que se generarán durante la operación de ITER.
Más de 40 empresas y más de 1000 técnicos expertos participaron en la creación de las bobinas de campo toroidal (TF). Algunas de las principales empresas europeas incluyen:
- ASG Superconductors fabricó 70 dobles panqueques TF y 10 paquetes de bobinado.
- CNIM fabricó 35 placas radiales TF.
- SIMIC fabricó 35 placas radiales TF y completó 10 bobinas TF.
- Iberdrola coordinó la fabricación de 10 paquetes de bobinado de bobinas TF.
- Elytt Energy fabricó las herramientas para los 70 dobles panqueques TF.
- BNG completó la prueba en frío, a 80 Kelvin, de 10 paquetes de bobinado TF.
Japón fue responsable de fabricar las 19 carcasas de las bobinas TF, en una colaboración entre Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba Energy Systems y Hyundai Heavy Industries. Además, las empresas clave involucradas en la fabricación de las bobinas TF de Japón incluyen:
- Mitsubishi Electric Corporation fabricó 5 paquetes de bobinado TF.
- Arisawa Manufacturing fabricó todas las cintas de aislamiento.
- Mitsubishi Heavy Industries completó 5 bobinas TF.
- Toshiba Energy Systems completó 4 bobinas TF.
“La finalización y entrega de las 19 bobinas de campo toroidal de ITER es un logro monumental”, dijo Pietro Barabaschi, Director General de ITER. “Felicitamos a los gobiernos miembros, a las Agencias Domésticas de ITER, a las empresas involucradas y a las
muchas personas que dedicaron innumerables horas a este esfuerzo notable”.
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