Las reacciones nucleares de fusión generan neutrones de alta energía que producirán en los materiales de los futuros reactores de fusión:
- daño (desplazamiento de átomos de sus posiciones en la red)
- reacciones de transmutación nuclear que generan impurezas de helio e hidrógeno principalmente
En la actualidad se trabaja en el diseño de fuentes de neutrones de energías y flujos relevantes capaces de irradiar los materiales de los futuros reactores de fusión y validar/estudiar su comportamiento frente a la radiación, en condiciones similares a las que se darán en un reactor.
Mientras estas instalaciones se construyen, las irradiaciones simultáneas con iones pesados e iones ligeros (H y He) constituyen una aproximación razonable para emular la tasa de daño y la generación de impurezas (productos de transmutación) ocasionadas por la irradiación con neutrones de fusión, permitiendo avanzar en el conocimiento de los mecanismos de daño por irradiación. Así, con iones de alta energía es posible complementar el estudio de parámetros equivalentes de:
- daño: mediante el uso de un haz de iones pesados del mismo tipo que el material de estudio (por ejemplo, Fe y Cr en aceros)
- efecto de las impurezas de Helio e Hidrógeno generados por las reacciones de transmutación nuclear: se puede conseguir por medio de la implantación con haces de iones H y He
El estudio y modificación de materiales por medio de haces de iones múltiples (doble o triple haz de iones) en confluencia, simulando los efectos de la irradiación neutrónica, presenta grandes ventajas y un grandísimo potencial frente a la irradiación con neutrones, principalmente por el hecho de permitir la caracterización de materiales/componentes in-situ con reducida activación de las muestras, consiguiendo altas tasa de daño y dosis de implantación en un tiempo reducido.
Sin embargo, existen sólo unas pocas instalaciones internacionales (Jannus-Francia, Tiara-Japón, MIBL-EEUU) en las que se pueden realizar irradiaciones con haces triples de iones. Además, estas instalaciones presentan diferencias importantes con la irradiación neutrónica, principalmente por tener severas limitaciones en energía de aceleración y así bajo rango de penetración del haz, poca posibilidad de variación de tasa de daño lejos de la superficie del material, ángulo de incidencia muy elevado y control de las dosis aplicadas limitado. Por lo tanto, es necesario el desarrollo de una nueva instalación diseñada específicamente para el estudio y validación de materiales bajo irradiación con iones, que sea capaz de complementar el estudio del daño de los materiales de fusión.
instalación Technofusión CIEMAT ION DEVICES (CID)
La instalación Technofusión CIEMAT ION DEVICES (CID) ha sido diseñada para cubrir las deficiencias de las actuales instalaciones de triple haz en confluencia, siendo sus principales características:
- Generación de un volumen de irradiación homogéneo hasta profundidades de 20-25 µm por medio de degradadores de haz (ver Figura 1)
- Posibilidad de variar la tasa de dosis varios órdenes de magnitud
- Posibilidad de variar la generación de H y He varios órdenes de magnitud
- Control total de corriente y dosis durante la irradiación
- Ángulo de irradiación 4º o inferior
- Temperatura del blanco controlada simulando las condiciones de un reactor de fusión
- Generación de neutrones mono-energéticos para la comparación de daño ion/neutrón y calibración de sensores de neutrones rápidos
La propuesta de irradiación de doble haz ya presenta grandes ventajas con respecto a las instalaciones existentes (ver Tabla 1), permitiendo realizar estudios de gran relevancia para el campo de Materiales, ya que no existe en la actualidad ninguna instalación de este tipo con posibilidad de realizar irradiaciones prolongadas de alta energía, variando órdenes de magnitud la tasa de daño y la generación de H y He.
El proyecto consiste en la construcción en el CIEMAT de una instalación de irradiación simultánea con triple haz de iones basada en el uso de:
- Dos aceleradores lineales tipo tándem de alta energía para implantar iones ligeros
- Un ciclotrón de alta energía para iones pesados
El edificio 11 del CIEMAT albergará el proyecto, distribuido en 4 plantas (ver Figura 2):
- planta 2ª donde estarán las fuentes de los aceleradores tándem,
- planta 1ª o sala de los aceleradores, donde además será posible disponer de una sala diáfana para futuro uso como laboratorios,
- planta cero, donde se ubican la sala experimental para irradiación de doble-triple haz horizontal
- planta sótano para realizar irradiaciones verticales con triple haz y donde se puede instalar el TEM bajo irradiación vertical múltiple (hasta triple haz)
En las Figuras 3 y 4 se puede observar una sección vertical del modelo del edificio realizado para los cálculos de blindajes y un esquema de la distribución de los aceleradores verticales dentro del edificio 11. Finalmente, en la figura 5 se detalla el esquema 2D de la distribución de líneas y cámaras de irradiación.
Desarrollo del proyecto
El proyecto se desarrollará en dos fases:
- Primera fase (2022-2027) durante la que se instalarían dos aceleradores lineales verticales, tipo tándem, de alta energía, que se usarán para irradiar simultáneamente mediante un haz de iones pesados y otro de iones ligeros a modo de doble haz
Tándem A: Energía de 6 MV con dos (2) fuentes independientes para:
- Iones ligeros, H-D-He (H-D@12 MeV, He@18 MeV) Corrientes entre de 100 pA hasta 40 μA (H/D) and 2-3 μA Fe
- Iones pesados, con blancos sólidos, ej. Fe, Si, C, W, etc (energía máxima de entre Fe@42-54 MeV)
- Corrientes de 100 pA hasta 1.7 μA (Fe)
Tándem B: Energía de 3-4 MV con dos (2) fuentes independientes para:
- Iones ligeros, H-D-He (H-D@8 MeV, He@12 MeV) Corrientes entre de 100 pA hasta 40 μA (H/D) and 2-3 μA Fe
- Iones pesados, con blancos sólidos, ej. Fe, Si, C, W, etc (energía máxima de entre Fe@24-32 MeV) Corrientes de 100 pA hasta 1.4 μA (Fe)
- Segunda fase (a partir de 2025) en la que se instalaría el ciclotrón de alta energía K=130-140 (Fe@385 MeV) con corriente de hasta 10 µA (Fe+14) consiguiendo triple haz de iones en confluencia a alta energía
A lo largo del 2018 y 2019, y dentro de la Fase I, ha sido posible realizar los principales estudios de viabilidad y diseños conceptuales de la instalación, teniendo en cuenta dos geometrías de implantación, posición horizontal y vertical de los aceleradores tándem.
En 2020, se están desarrollando las tareas científico-técnicas para el diseño en detalle de los aceleradores, equipos auxiliares, fuentes de iones, líneas de transmisión, componentes de las líneas (imanes, dipolos, degradadores, escáner de barrido, etc) y cámaras de irradiación de doble y triple haz en confluencia. Además, al mismo tiempo se está preparando el proyecto básico y de ejecución de la instalación.
Figura 1. Rango de penetración para una irradiación equivalente de triple haz de iones de Fe, He y H en confluencia sobre hierro, donde el rango deseado para caracterizaciones de materiales de fusión se encuentra por encima de 20 µm. En azul se observa el rango de energías máximas de irradiaciones con triple haz en confluencia de la instalación CID, siendo el haz de hierro el haz limitante.
Tabla 1: Comparación de los efectos producidos por la irradiación de los neutrones de fusión, las dos fases de la instalación propuesta y otras instalaciones experimentales existentes.
Figura 2: Distribución interior de la planta cero del edificio 11 del CIEMAT, donde se instalarán los tándems verticales y el ciclotrón.
Figura 3: Modelo 3D realizado para los cálculos nucleares del blindaje observándose un corte vertical Este-Oeste del edificio 11 de CIEMAT. …. Elegir esta foto como “botón” para entrar en “CID”.
Figura 4. Esquema Norte-Sur de la distribución de plantas del edificio 11 de CIEMAT.
Figura 5: Esquema 2D de la distribución de aceleradores y de líneas de transmisión de iones hasta cámaras experimentales del triple haz CID.