Cuadrupolos para la investigación sobre fusión nuclear

DLS Series - System for Tokamak/Torus Fusion Research
DLS Series de Hiden Analytical. Sistema para la investigación de la fusión con reactores tokamak/torus.

Asegurar el abastecimiento mundial de energía es uno de los grandes retos de la ciencia actual. En los últimos 40 años la población del planeta se ha duplicado hasta llegar a los 6.000 millones, y se espera que alcance los 8 - 12.000 millones en apenas 80 años.

Como sabemos, las fuentes de energía fósiles (petróleo, gas, carbón) son limitadas y su consumo excesivo representa una seria amenaza para el medio ambiente y la salud pública por las emisiones de CO2 y la deforestación.

Las energías renovables disponen de un gran potencial, si bien su capacidad para suministrar energía de forma masiva no es aún segura. Así pues, la investigación sobre la fusión se perfila como una de las soluciones más realistas a largo plazo, ya que mediante los procesos de fusión nuclear se podría obtener energía durante miles de años.

¿En qué consiste la fusión del núcleo?

La fusión nuclear consiste en el proceso de compresión de hidrógeno (H2) para formar helio (He). Es la misma reacción que proporciona energía a las estrellas, cuyos núcleos de masas pequeñas se combinan o fusionan para formar otros más pesados. La pérdida de masa resultante se expulsa como energía en forma de radiación.

La reacción de fusión más simple que puede darse en la Tierra tiene lugar entre dos isótopos del hidrógeno: el deuterio (D) y el tritio (T). En el caso de las reacciones D-T, se necesitan temperaturas superiores a 100 millones de ºC. Ello requiere de potentes sistemas de calentamiento e instrumentación que minimice las pérdidas de calor, aislando térmicamente el plasma caliente de las paredes del reactor.

Esta es una tarea muy compleja, tanto por la comprensión de los procesos físicos que se producen, como por la necesidad de utilizar nuevas tecnologías muy sofisticadas.

Sistemas de cuadrupolo para la investigación de la fusión

Entre los sistemas más desarrollados para la investigación de la fusión se encuentra el dispositivo tokamak, diseñado en la Rusia soviética en los años cincuenta. Este tipo de instrumentación funciona confinando magnéticamente plasma extremadamente caliente en un recipiente a vacío, por medio de bobinas para producir un campo magnético que se extiende tanto en planos verticales como horizontales. Esto permite que el dispositivo confine el plasma.

Se requiere un análisis preciso de las especies presentes para evaluar las interacciones de los isótopos de hidrógeno dentro de la cámara. El análisis de gas residual (RGA) se ha aplicado habitualmente para determinar la pureza del combustible de fusión de las instalaciones de tokamak, pero las masas atómicas de los elementos involucrados a menudo son demasiado similares para equipos convencionales de espectrometría de masas. Por ejemplo, deuterio (D2) y helio-4 (4He) difieren sólo en 0,026 unidades de masa atómica, y ambos son isótopos asociados con reacciones de fusión de átomos de hidrógeno.

Equipos de investigación de fusión de Hiden Analytical

Para la investigación de fusión de tokamak, Hiden Analytical ha desarrollado cuadrupolos especiales para espectrometría de masas RGA. Esta tecnología viene incluida en su gama de espectrómetros de masa DLS para investigación y el RGA HAL 101X para aplicaciones de monitorización, diagnóstico y análisis en el tokamak.

- El DLS-1 incluye un modo de espectrometría de masas con control de la energía de ionización (conocido como TIMS) que separa el Deuterio (D2) y el Helio-4 (4He). El modo TIMS proporciona el control de la energía de los electrones emitidos dentro de la fuente de ionización, lo que permite separar mezclas de especies de masa similar ionizando sólo aquellas que sean de nuestro interés y determinando, por ejemplo, el deuterio y el helio-4.

- El sistema DLS-20 incluye un analizador de cuadrupolo de 20 mm de diámetro de polo que opera en distintas zonas de estabilidad electromagnética para la separación de iones en el cuadrupolo; tanto en la denominada "zona 1" como en las llamadas "regiones de estabilidad H". Esto proporciona una resolución de masa ultraalta de hasta 20 amu, usando la zona H con una separación de masa tan pequeña como 0,006 amu, o bien, utilizando la zona 1, que extiende el rango de masa hasta 200 amu.

- El HAL101X RGA está diseñado para la monitorización crítica, el diagnóstico y análisis en la operación de tokamaks, e incluye un nuevo sistema de RF desacoplado del cuadrupolo para minimizar las interferencias producidas por la alta radiación de estos sistemas, pudiendo situar la fuente de REF a distancias de hasta 80 m, lo que admite el funcionamiento RGA en los modos estándar RGA y TIMS en el entorno de fuerte radiación del tokamak.

Hiden Analytical es un proveedor líder de equipos de espectrometría de masas cuadrupolar, con más de 35 años de experiencia en el diseño y fabricación de instrumentos de análisis de masas para una gran gama de aplicaciones.

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Fuentes:
-Fusión, la energía de las estrellas, European Fusion Development Agreement. P.J. Paris (CRRP-EPFL, Lausanne - CH) y W. Kienzle (CERN, Genève - CH).
-Hiden Analytical.

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