En 100 palabras...

El Laboratorio Nacional de Fusión (LNF) es el centro de referencia español en el ámbito de Fusión, a través del consorcio EUROfusion desde 2014 y de la Asociación Euratom-Ciemat hasta el año 2013. Actualmente, 30 organizaciones de investigación, y detrás de ellas alrededor de 150 entidades afiliadas, incluidas universidades y empresas, de 25 estados miembros de la Unión Europea más el Reino Unido, Suiza y Ucrania son miembros del consorcio. Las decisiones de EUROfusion son tomadas por la Asamblea General, el máximo órgano de toma de decisiones compuesto por representantes de todas las Unidades de Investigación.

El Laboratorio Nacional de Fusión forma parte del mapa de Infraestructuras Científicos y Técnicas Singulares  (ICTS) español y constituye un departamento del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), perteneciente al Ministerio de Economía y Competitividad. CIEMAT es un Organismo Público de Investigación por excelencia en energía y medioambiente. Desde su fundación en 1951 bajo la denominación de JEN (cambiado a CIEMAT en 1986), ha desarrollado actividades desde la tecnología de vanguardia hasta la investigación básica, con énfasis en proyectos que proporcionan un enlace entre la I+D y las necesidades de la sociedad.

La investigación del LNF, a nivel europeo e internacional, se articula en dos grandes paquetes de actividad: por un lado el estudio de los plasmas confinados a alta temperatura y por otro lado la tecnología necesaria para construir y operar los reactores de fusión: materiales, superconductores, generación de tritio, extracción de la energía, mantenimiento remoto, etc.

La primera actividad del Laboratorio Nacional de Fusión está relacionada con la  explotación científica del Heliac Flexible TJ-II dentro del marco del Programa de Fusión Europeo.

En la actividad de tecnologías de fusión, el LNF cuenta con la instrumentación necesaria para la modificación por radiación de materiales, así como de un Laboratorio de caracterización de materiales con técnicas para la evaluación de propiedades químicas, físicas y mecánicas. En la actualidad también se está desarrollando un nuevo laboratorio para estudiar las tecnologías de la regeneración tritio (lazo de Li-Pb, caracterización de «breeders», permeación de tritio, etc.). A la vez también se utilizan modelización y simulaciones computacionales para investigar la formación de defectos en materiales bajo irradiación (neutrón, ion, electron) y su evolución e interacción con la microestructura, que no son accesible a la técnicas de caracterización. Se usan distintas herramientas de simulación como la Dinámica Molecular, el Object kinetic Monte Carlo, la Binary Collision Approximation y la Rate Theory para estudiar los efectos de la radiación en materiales de interes para fusión a diferentes escalas de espacio y tiempo.

El LNF centraliza en España la investigación en fusión, liderando la participación española en la construcción del primer reactor termonuclear experimental ITER y ha sido una pieza clave para conseguir la localización de la Agencia Europea F4E en España. Asimismo ha asumido desde el inicio la participación española en el acuerdo «Broader Approach», firmado entre la Unión Europea y Japón, así como en los proyectos incluidos en la hoja de ruta ESFRI: el International Fusion Material Irradiation Facility (IFMIF) y el Tokamak JT-60SA, y en el programa europeo de fusión. Es importante destacar el impulso socioeconómico conseguido con sus actividades posicionando a la industria española como un suministrador altamente competitivo para la construcción de otros dispositivos de fusión, en particular ITER.

 La fusión nuclear es un proceso en el que dos núcleos atómicos ligeros se combinan para formar un núcleo más pesado, liberando energía. Estas reacciones suceden de forma natural en el núcleo de todas las estrellas. Sin embargo, conseguirlo en la Tierra es muy complicado porque núcleos atómicos, cargados positivamente, se repelen entre sí. Para fusionarlos, es necesario elevar su temperatura a millones de grados Celsius. A estas temperaturas, el hidrógeno se convierte en plasma, un gas de partículas cargadas. Esto se conoce como fusión termonuclear y puede ser una manera muy eficiente de producir energía limpia y prácticamente inagotable. Los elementos elegidos para las futuras reacciones de fusión son dos de los isótopos del hidrógeno, el deuterio y el tritio, ya que es la reacción

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más fácil de conseguir. Con ella se produce helio y un neutrón. Sin embargo, todavía quedan muchos retos por superar antes de que la fusión termonuclear sea una realidad comercial. 

Para poder producir energía, el plasma debe estar confinado durante un tiempo suficientemente largo. Esto supone un reto, ya que debe evitarse que el plasma dañe las paredes del reactor. Una forma de hacerlo es utilizar campos magnéticos que desvíen las partículas cargadas del plasma de forma que queden atrapadas y formen una jaula o botella magnética. Estos campos magnéticos deben tener forma de toroide o rosquilla retorcida sobre sí misma, es decir, un campo helicoidal. Existen dos tipos de dispositivos capaces de atrapar el plasma usando campos magnéticos. Son los tokamaks y los stellarators. La principal diferencia entre ellos es la forma en la que se retuerce el campo magnético toroidal, que se genera con bobinas más o menos circulares y situadas una al lado de la otra formando un toroide. En los tokamaks, el campo magnético helicoidal se consigue haciendo circular una corriente por el plasma. Sin embargo, en los stellarators, todos los campos magnéticos se generan con bobinas externas, que pueden tener formas muy complicadas. 

TJ-II es un stellarator tipo heliac de tamaño mediano. Su radio mayor, R0, es de 1.5 m, y su radio menor medio, a0, es ≤ 0,22 m. El volumen del plasma es de 1.1 m3 aproximadamente. En el TJ-II, la botella magnética se obtiene mediante varios conjuntos de bobinas que determinan completamente la forma que tendrá el plasma antes de su inicio. El campo toroidal se crea mediante 32 bobinas (azules). La torsión tridimensional del eje central de la configuración se genera mediante dos bobinas centrales: una circular (roja) y otra helicoidal (amarilla). La posición horizontal del plasma se controla mediante las bobinas de campo vertical (verdes). La acción combinada de estos campos magnéticos genera superficies magnéticas en forma de judía que guían las partículas del plasma para que no choquen con la pared de la cámara de vacío. El valor del campo magnético en el centro del plasma es de 1.1 T. Se puede obtener una amplia gama de configuraciones magnéticas variando la intensidad de las corrientes que circulan por las bobinas.

Las descargas del TJ-II duran alrededor de 0.25 s, con una frecuencia de repetición de unos 7-8 minutos. Normalmente, se utiliza hidrógeno como gas de trabajo. Los plasmas, típicamente se crean y mantienen utilizando dos sistemas de calentamiento. El primero funciona de forma equivalente a un horno microondas (frecuencia de las microondas = 2.45 GHz): se inyectan microondas con una frecuencia determinada (la frecuencia ciclotrónica de los electrones o los iones del plasma) de forma que resuenen con las partículas del plasma y las calienten. En TJ-II tenemos dos inyectores (frecuencia de las microondas = 53.2 GHz), que funcionan a la frecuencia ciclotrónica de los electrones, y se llaman ECRH - Electron Cyclotron Resonance Heating (planta de abajo. NO estarán en la maqueta, imagino). Cada uno inyecta una potencia de unos 200 kW Las densidades centrales de electrones, ne(0), y las temperaturas, Te(0), que pueden alcanzarse son ≤1.7x1019 m-3 y ≤ 2 keV ~23.2 millones de ºC, respectivamente. El segundo método consiste en inyectar átomos de hidrógeno acelerados que, al colisionar con las partículas del plasma, lo calientan. En primer lugar, el hidrógeno se ioniza y se acelera mediante una diferencia de potencial. Después, se neutraliza, ya que los iones son desviados por el campo magnético y no pueden entrar en el plasma. Se llama NBI, de Neutral Beam Injection. También hay dos inyectores (figura: NBI 1 a la izquierda y NBI 2 a la derecha, fuera de la foto), que usamos en algunos experimentos (30 keV, 2 x 600 MW, t ~300 ms). Pueden alcanzarse densidades y temperaturas centrales de electrones de ≤5x1019 m-3 y ≤ 400 eV ~4.6 millones de ºC, respectivamente. La temperatura del ion central alcanzada con ambos esquemas de calentamiento, es típicamente ≤120 eV ~ 1.4 millones de ºC.

En dispositivos de fusión como TJ-II se estudia el comportamiento del plasma en distintas condiciones. Por eso, la cámara de vacío (gris en la figura; supongo que también en la maqueta) tiene numerosas ventanas en las que se colocan los distintos diagnósticos.