Referente europeo en la Fusión por Confinamiento Inercial (ICF)

El IFN-GV fue creado como órgano asesor de la Presidencia del Gobierno y del Ministerio de Defensa para temas de fusión y fisión nuclear. De forma más específica, se centra en la Fusión por Confinamiento Inercial (ICF). Su misión principal es generar conocimiento científico y aportar soluciones tecnológicas en su ámbito para difundirlos a la sociedad.

Texto: Diego Álvarez | Fotos: IFN-GV

La misión principal del Instituto de Fusión Nuclear Guillermo Velarde (IFN-GV) es «generar conocimiento científico y aportar soluciones tecnológicas en los campos de la fusión y fisión nuclear, con la vocación añadida de trasladar estos avances a programas de formación y difundirlos a la sociedad», explica su director, Pedro Velarde. Tiene como propósito transferir el conocimiento generado a sectores productivos de la sociedad. Adapta e interpreta los fenómenos nucleares para aplicarlos a conceptos innovadores en campos como la plasmónica, la medicina y las fuentes renovables de energía e impulsa el avance científico y tecnológico de la fusión nuclear a nivel nacional, europeo e internacional. Sus principales líneas de investigación se dirigen a los plasmas producidos por láseres de alta intensidad; los materiales en ambientes extremos; la neutrónica, datos nucleares y física de reactores; la protección y seguridad en la fusión nuclear o el hidrógeno verde. En este punto, es posible relacionar al IFNGV con otros centros nacionales de investigación en fusión nuclear, como el CIEMAT. Mientras que el IFN-GV está especializado en la Fusión por Confinamiento Inercial (ICF), el CIEMAT se centra en la fusión por confinamiento magnético. Sin embargo, áreas como los materiales y la neutrónica presentan un notable solapamiento entre ambos institutos. Además, el IFN-GV comparte intereses comunes con el Centro de Láseres Pulsados (CLPU) de Salamanca, especialmente en el estudio de la interacción láser-materia. Cabe destacar la participación del IFN-GV en la creación del Extreme Light Infrastructure (ELI), instalaciones europeas de láseres ultraintensos (ILE-PP), desde sus inicios. También, su implicación en el proyecto HiPER, único reactor por ICF desarrollado en Europa, en colaboración con los países más avanzados, ambos incluidos en la hoja de ruta ESFRI.

La fusión nuclear es un campo complejo

Los científicos del IFN-GV abordan la investigación en ICF a través de dos enfoques principales. Por un lado, mediante estudios teóricos realizados con códigos de computación, desarrollados en el propio instituto. Por otro, a través de la ejecución y análisis de experimentos llevados a cabo en instalaciones láser, sobre todo en el ámbito de la Unión Europea. «Estudiamos un reactor de fusión, principalmente inercial, desde los blancos (directos e indirectos) hasta la primera pared y el manto reproductor», explica Pedro Velarde sobre las tecnologías clave que está desarrollando el IFN para avanzar en la investigación sobre energía de fusión. Estos «diseños de blancos» se llevan a cabo tanto en colaboración con grupos europeos (HiPER+) como con empresas de EE. UU. y Europa. Otra tecnología clave para el estudio de la fusión se basa en el desarrollo de materiales, «bajo régimen altamente pulsado, ópticos y estructurales y diseños 3D neutrónico-fluido-termomecánico para la primera pared, envoltura reproductora, protección de óptica y generación y manipulación de tritio». Asimismo, el Instituto está comenzando a colaborar con empresas públicas y privadas en EE. UU. y Europa, en áreas clave, como las condiciones de licenciamiento de las instalaciones de potencia de fusión en general, y de ICF en particular, así como en la normativa de validación de materiales en fusión. Todo enmarcado bajo el Proyecto HiPER+, con la colaboración destacada de KIT, Jülich, GSI, FZK Dresde en Alemania, el CEA en Francia, el ENEA en Italia, la UCLA en EE. UU. y el ESS-Bilbao en España.

La unión hace la fuerza  

La contribución del IFN-GV es esencial por su desarrollo histórico, influencia internacional y contribuciones científicas y técnicas. Además, como suele ocurrir en la investigación de excelencia, surgen iniciativas colaterales de relevancia. Como ejemplo, la de un grupo de científicos del IFN, que ha fundado una startup sobre hidrógeno verde, basada en patentes derivadas de su amplio conocimiento sobre materiales. «También, en colaboración con el Ciemat, se está trabajando en el desarrollo de modelos para la gestión de residuos radiactivos; se trata de métodos de caracterización y evaluación del daño por irradiación en las estructuras de confinamiento de dichos residuos de alta actividad», afirma José Manuel Perlado, presidente del IFN-GV. Otro ejemplo de transferencia de resultados a aplicaciones prácticas es la colaboración del centro con pequeñas empresas, como Nano4Energy, dedicada a la innovación, investigación y desarrollo en el área de modificaciones superficiales, especialmente mediante el procesamiento por plasma. El IFN-GV colabora también con otras dos empresas de reciente creación, ubicadas en EE. UU. y Europa, enfocadas en el desarrollo y puesta en marcha de una planta de fusión nuclear por láser. «La colaboración abarca desde el diseño computacional de los blancos hasta el diseño y el plan de desarrollo tecnológico de los diversos sistemas que componen el reactor, a excepción de los láseres y la manufactura de los blancos», aclara Perlado. «Esta unión puede tener consecuencias importantes en el futuro, ya que está permitiendo visualizar la capacidad de nuestra industria en la construcción de estas instalaciones», enfatiza el experto, que considera que el ejemplo más claro de esta participación es el liderazgo de ESS-Bilbao, a través del Instituto IFN-GV, en el diseño y planificación de la cámara del reactor para la empresa germano-estadounidense. 

Desafíos para afrontar el futuro

El mayor desafío de la investigación en fusión nuclear consiste en lograr una mayor implicación de las instituciones nacionales y europeas en el desarrollo de la ICF, una técnica que demostró su viabilidad por primera vez en 2022 mediante la ignición en un proceso de fusión controlada. Asimismo, otro de los hándicaps del sector es atraer y consolidar la participación de empresas nacionales e internacionales en las diversas áreas relacionadas con la ICF: el diseño de blancos para generar energía y los sistemas de reactor, desarrollar materiales para un futuro reactor de fusión y técnicas de reproducción y extracción de tritio y de protección de componentes en dicho reactor. Por supuesto, es «fundamental», establecer una legislación adecuada, basada en la ciencia y la tecnología avanzada para este tipo de plantas de potencia mediante la ICF y la fusión en general. Para José Manuel Perlado se trata de una tarea imprescindible en la que los organismos nacionales, europeos e internacionales «deberían aplicarse ya». Otro desafío importante al que se enfrenta el IFN-GV es el desarrollo clave de los láseres de alta energía por disparo y alta repetición basados en nuevas aproximaciones, como los láseres bombeados por diodos, o los de excímeros. El desafío no solo es el desarrollo, sino la inmersión de la industria en la manufactura masiva que los haga atractivos económicamente. Un aspecto clave en t este proceso de desarrollo es el establecimiento para la ICF de una capacidad industrial y una cadena potente de suministro de materiales y sistemas para que los haga económicamente fiables. Algo que todavía está lejos de alcanzarse. Para los próximos cinco o diez años se esperan avances en el campo de los materiales, como la validación de nuevos recubrimientos para los componentes estructurales del reactor que permitan operar con fluidos de diversos tipos y mejorar la eficacia del reactor. También se espera responder de manera computacional a la propuesta de experimentos para la validación del efecto de la irradiación pulsada de los materiales en el reactor en general, un aspecto fundamental, según Perlado, «para establecer la auténtica vida real de los materiales en estas condiciones». «Es un área aún muy inexplorada que, según los pocos cálculos realizados hasta ahora, podría cambiar parcialmente la perspectiva de la resistencia de los materiales estructurales y ópticos en estas condiciones», detalla. En el campo del diseño de la primera pared, durante este período, se espera lograr un diseño que contemple condiciones de refrigeración independiente y un mantenimiento adecuado, todo ello bajo un rendimiento económico asumible para la planta. Para el IFN-GV, un logro importante podría ser la validación de su propuesta para la utilización de nanoesferas huecas de materiales pesados para su protección, así como de nanoestructuras o aleaciones de alta entropía. Por otro lado, en el campo de las envolturas reproductoras, se espera la validación de un diseño original previamente propuesto con reflector externo.

Proyectos y colaboraciones

El IFN-GV participa en numerosos proyectos nacionales y europeos, al igual que con empresas y en los dos grandes proyectos europeos ESFRI relacionados con fusión inercial: HiPER+ y ELI. El instituto se encuentra presente en los únicos proyectos europeos sobre ICF dentro de EUROfusion. El Instituto ha propuesto y participa actualmente en varias iniciativas desarrolladas por la IAEA a lo largo de las últimas décadas, siendo uno de los pioneros, junto con los grandes laboratorios de láseres, en el impulso de numerosos Coordinated Research Projects (CRP) en el ámbito de la ICF. En la actualidad, participa en uno dedicado a «Materiales para la ICF». Además, ha coordinado el importante Proyecto TUMIEE, que reunió a los principales laboratorios de láseres europeos. Miembros del grupo de Materiales del IFNGV El IFN-GV posee Memorandum of Understanding (MoU) con grandes laboratorios del mundo en láseres, como el Lawrence Livermore National Laboratory, que ha logrado, por primera vez y por cualquier método de la Fusión en la historia, mediante la ICF-Láser la Ignición y Ganancia de Energía, dando pie a la demostración de la total viabilidad del proceso. Para el Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) se contribuyó al estudio de seguridad de la National Ignition Facility –el láser de mayor energía en el mundo–, y al desarrollo de varios códigos de cálculo pioneros en el estudio del daño de materiales. Igualmente ha colaborado con el Institute of Laser Engineering de la Universidad de Osaka –referencia de láser para la ICF en Japón, poseedor de uno de los láseres de mayor energía en el mundo– y con la Academia de Ciencias de Rusia para estudios teóricos de blancos. En China, ha establecido un MoU de colaboración con el Shanghai Institute of Fine Optics, que dispone de algunos de los láseres más potentes de este país. También ha firmado en Argentina otros dos MoU, uno con la Universidad de Cuyo y otro con el Centro de Bariloche.