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Física

Alta frecuencia

Científicos desarrollan junto a una industria brasileña un aparato destinado al mayor laboratorio de fusión nuclear del mundo, con sede en el Reino Unido

Mantenimiento del reactor de fusión en el Laboratorio JET, en Inglaterra

LATINSTOCK/MAXIMILIAN STOCK LTD/SCIENCEMantenimiento del reactor de fusión en el Laboratorio JET, en InglaterraLATINSTOCK/MAXIMILIAN STOCK LTD/SCIENCE

Investigadores del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP) y de la empresa paulistana Politron desarrollaron y construyeron un nuevo amplificador de ondas de radiofrecuencia que funcionará en el principal laboratorio de fusión nuclear controlada de la actualidad: el Joint European Torus (JET), o la Cámara Toroidal Conjunta Europea, administrada por la Unión Europea en la ciudad de Culham, en el Reino Unido. El nombre del laboratorio proviene de la cámara de la máquina que presenta forma toroidal, similar a la de un neumático, ambas con un hoyo en el centro.

La fuente de radiofrecuencia se encuentra bajo la responsabilidad conjunta de investigadores de la USP, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, y del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos. Ellos constataron que no existía en el mercado mundial una fuente con amplio espectro de frecuencia, la flexibilidad y la robustez necesaria para satisfacer las condiciones extremadamente estrictas con las que trabaja el JET. Las usinas de fusión nuclear representan una promesa de producción de energía eléctrica sin rastros de residuos radioactivos y con menor probabilidad de accidentes. El sistema es diferente al que se utiliza en la actualidad, de fisión nuclear, que aún genera desconfianza en cuanto al preparado de su combustible y al almacenaje de los desechos atómicos. En la fisión, la reacción nuclear prosigue incluso con el reactor desconectado. Para lograr la tecnología necesaria en una usina de fusión nuclear para mediados de este siglo, se están llevando a cabo varios experimentos en el todo el mundo.

El amplificador de ondas de radio resulta fundamental para este proceso y la única fábrica que mostró interés en desarrollar el dispositivo para ese consorcio internacional que la requirió fue Politron, que ahora está elaborando una patente de la invención junto con la USP. “Se trata de un caso paradigmático de colaboración para la innovación entre universidad y empresa”, dice Ricardo Galvão, profesor y coordinador del Laboratorio de Física de Plasmas de la USP. En 2014, comenzará la fase más avanzada de mediciones y capacitación de todo el sistema del JET y los amplificadores son componentes esenciales. “Nuestro dispositivo opera bajo condiciones que los equipamientos comerciales no contemplan”, dice Galvão. La firma Politron, fundada en 1950, fue pionera en el país en el desarrollo de máquinas generadoras de ondas de radiofrecuencia, utilizadas en las líneas de producción de las más diversas industrias, desde calzados hasta minería.

Amplificador de espectro de ondas de radio producido en São Paulo

Eduardo CesarAmplificador de espectro de ondas de radio producido en São PauloEduardo Cesar

Se trata de una empresa de mediano porte que exporta hacia toda América Latina. Según Maria de Oliveira, su directora administrativa, en los últimos años la empresa viene sufriendo la competencia china, que abarrotó el mercado con máquinas de calidad relativamente inferior provistas por la mitad del precio en el mercado brasileño. Como resulta imposible la competencia a escala global, Politron ha optado en los últimos años por ofrecer productos para clientes con necesidades específicas. “Estamos produciendo dispositivos a la medida para los laboratorios de diversas universidades brasileñas, tales como la UFRJ [Universidad Federal de Río de Janeiro], la UFMG [Universidad Federal de Minas Gerais], Unicamp [Universidad de Campinas], USP [Universidad de São Paulo] y UFSCAr [Universidad Federal de São Carlos]”, comenta De Oliveira. “El desafío radica en construir un amplificador que funciones permanentemente dentro de los parámetros requeridos”, explica el ingeniero Alessandro de Oliveira Santos, gerente de investigación y desarrollo de la empresa, quien se dedicó al proyecto por dos años. El amplificador es el resultado de un convenio firmado en 2009 entre Brasil y la Comisión Europea de la Energía Atómica (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 186)

Mercado potencial
Entre septiembre y octubre de este año, la ingeniera británica Margaret Graham, del JET, visitó Brasil y trabajó con el equipo de la USP y de Politron en la evaluación final de la versión industrial del amplificador. “Los test resultaron exitosos”, comentó. “Sólo faltan algunos mínimos detalles que corregiremos en Inglaterra”. El 29 de octubre, Francesco Romanelli, director del JET, confirmó mediante un memorándum que el laboratorio inglés se hallaba listo para recibir el amplificador y solicitaba formalmente el aparato a la USP. “El amplificador y otras siete unidades se enviarán posteriormente al laboratorio europeo”, dice Galvão. La expectativa de Politron y los científicos de la USP apunta a que, en caso de que todo vaya bien durante los experimentos en Inglaterra, otros laboratorios en el mundo se interesen por adquirir los nuevos amplificadores. Fundamentalmente, el reactor experimental termonuclear internacional (Iter), ocho veces mayor que el JET, en construcción desde 2007 en Cadarache, Francia. El proyecto está financiado por un consorcio integrado por la Unión Europea, China, Corea del Sur, Estados Unidos, la India y Japón. Las obras del Iter se encuentran atrasadas y se espera que esté listo en 2020.

El combustible de los reactores de fusión está formado por dos tipos de hidrógeno pesado, el deuterio, que puede extraerse del agua del mar, y el tritio, que se elabora a partir del litio. Una mezcla de deuterio y tritio se inyecta en un Tokamak, una máquina concebida por los soviéticos en los años 1960 y a la que se la está perfeccionando para que sea el reactor de las nuevas usinas nucleares. En el interior de la cámara del aparato, se calienta al hidrógeno hasta que sus electrones se separan de los núcleos atómicos, generando un gas cargado eléctricamente, al que se lo denomina plasma. Los campos magnéticos aprisionan el plasma que gira en el toro, impidiendo que se enfríe y dañe la pared de la cámara al tocarla (observe la infografía de arriba). Si la temperatura del plasma alcanza los 150 millones de grados Celsius (10 veces más que la temperatura en el centro del Sol), los núcleos de deuterio y litio comienzan a fundirse luego de colisionar, produciendo helio y neutrones, ambos altamente energéticos.

Los núcleos de helio permanecerían dentro del plasma, ayudando a calentarlo y provocando nuevas reacciones de fusión, mientras que los neutrones, por ser inmunes al campo magnético, escaparían, colisionando con las paredes del Tokamak y generando el calor para impulsar las turbinas de un generador eléctrico. La fusión sería más segura que la fisión porque como el plasma se enfría muy rápido, la reacción se interrumpe inmediatamente al desconectar los campos magnéticos. Con todo, restan muchos desafíos tecnológicos por superarse para plasmar el concepto de la fusión nuclear.

Como leña húmeda
El JET posee el mayor Tokamak que se haya construido, que está concebido para albergar 80 metros cúbicos de plasma. En operación desde 1983, logró la primera reacción de fusión controlada de la historia, en 1991, que duró tan sólo algunos segundos. La reacción de fusión aún no persiste lo suficiente como para generar más energía eléctrica que la que consume. “Es como querer prender una hoguera con leña húmeda”, compara Galvão. “Así como es necesario acabar con toda la humedad para que la propia energía del fuego sostenga la combustión de la madera, los núcleos de helio deben permanecer en el plasma el tiempo suficiente como para que la propia energía de la reacción mantenga el plasma caliente. Para lograrlo será necesario aumentar el tamaño de la ‘hoguera’ del plasma”.

Reator_214Ana paula CamposEl equipo de Galvão colabora desde 2011 con el JET en el proyecto de investigación, que iniciaron los suizos y el MIT, para estudiar un tipo de onda que se propaga en el plasma utilizado en la fusión: las ondas Alfvén. La mayor preocupación radica en aquéllas que se producen por el movimiento de los núcleos de helio (partículas alfa) generados en la fusión. No se sabe con certeza cuánto tiempo duran esas ondas y cuánto pueden entorpecer la continuidad de las reacciones en el JET. Al excitar a las ondas Alfvén, las partículas alfa pierden energía, enfriando al plasma y dificultando la prosecución de las reacciones de fusión. Los investigadores producen las ondas Alfvén por medio de ondas de radiofrecuencia en el plasma. A partir de 2009, el equipo suizo de la EFPL trabaja con miras a perfeccionar un sistema compuesto por ocho antenas de radiofrecuencia en el seno del JET, que sirven tanto para generar ondas Alfvén como para detectarlas. No obstante, los científicos de la USP se percataron de un grave problema en el sistema. La señal de radiofrecuencia provista por las antenas era generada por un amplificador comercial por medio de un cable de 100 metros. Las simulaciones y ensayos realizados por el equipo de Galvão comprobaron que, al variar la frecuencia, las resonancias naturales de la línea de transmisión provocaban señales reflejadas de alta amplitud que forzaban la desconexión del amplificador.

“El sistema antiguo no tiene cómo alimentar las antenas”, explica el físico ucraniano Leonid Ruchko, quien trabaja en Brasil junto a Galvão desde 1995. Basándose en soluciones que creó para los experimentos con ondas Alfvén del equipo brasileño, realizadas en el Tokamak existente en la USP de São Paulo, Ruchko ideó un nuevo concepto de amplificador, basado en transistores de alta velocidad y capaz de amplificar un rango de radiofrecuencias que va desde los 10 kilohertz hasta 1 megahertz. La rapidez y robustez del amplificador impiden que lo afecten los pulsos de alta tensión reflejados. “Cuenta con una buena protección contra la reflexión”, dice el físico. Ruchko propuso que cada una de las ocho antenas fuese alimentada por un amplificador. Cada una generaría un pulso de onda breve y preciso. Controlando la forma y la duración de esos pulsos, por computadora, sería posible combinarlos para producir dentro del plasma las ondas Alfvén con las propiedades deseadas.

Luego de aprobarse el concepto de Ruchko y el prototipo construido por el equipo de la USP, comenzó la búsqueda de una empresa que derivó en la aprobación de Politron y la financiación del proyecto por la FAPESP y la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep), del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación. El costo total del dispositivo fue de 150 mil dólares. “El logro de tornar operativo el proyecto de Ruchko para conseguir que el equipamiento funcione con total seguridad, inmune a señales reflejadas, fue algo excepcional. Ésa es la clase de robustez que vale una patente”, dice Santos.

Proyecto
Núcleo de excelencia en física y aplicaciones de plasmas – FAPESP-MCT/ CNPq-pronex-2011 (nº 2011/ 50773-0); Modalidad Proyecto Temático; Coord. Ricardo Galvão/ USP; Inversión R$ 1.633.433,66 y US$ 705.552,82 (FAPESP).

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