Beneficios tecnológicos de la fusión

COMISIÓN
EUROPEA
Investigación comunitaria
Energía de fusión –
el progreso continúa
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Al final de la obra figura una ficha bibliográfica.
Luxemburgo: Oficina de Publicaciones Oficiales de las Comunidades Europeas, 2003
ISBN 00-000-0000-0
© Comunidades Europeas, 2003
Reproducción autorizada, con indicación de la fuente bibliográfica
Printed in Belgium
IMPRESO EN PAPEL BLANQUEADO SIN CLORO
3
Índice
Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
El proyecto ITER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Tecnologías asociadas con la I+D sobre fusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Beneficios derivados de la I+D sobre fusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
La tecnología sigue progresando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Ejemplos de beneficios indirectos:
Componentes de flujo de calor intenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Anemometría láser para ensayos de rendimiento de turbinas eólicas . . . . . . . . . . . 15
Superconductores para Imágenes por Resonancia Magnética (MRI) . . . . . . . . . . . . 16
Aplicaciones industriales de los girotrones y fuentes
de microondas de alta potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
De las interacciones plasma-pared a la tecnología de semiconductores . . . . . . . . . 18
Utilización en la industria microelectrónica de avances en el diagnóstico
de plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Propulsión de plasma para propulsores espaciales avanzados . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Hilos para sistemas de bobinas superconductoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
De la I+D sobre fusión a los tejidos de alta tecnología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Materiales compuestos de carbono-carbono en frenos de alto rendimiento . . . . . 23
Los profesionales también progresan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Material de referencia e información complementaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Agradecimiento:
Se agradece profundamente la aportación de diversos materiales, fotografías incluidas, utilizados en
esta publicación a EFDA, Asociados a la Fusión, empresas y particulares. Mención especial merece
UKAEA, Culham, por los materiales sobre la «transferencia de personas».
Nota:
Esta publicación ha sido producida por iniciativa del Comité sobre la Industria de la Fusión (CFI).
4
Prefacio
La energía de fusión es la energía del universo.
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Es la fuente de la energía del Sol y de las demás
estrellas. Por razones ambientales, se considera
actualmente que el abastecimiento de energía
de nuestro mundo depende hoy de la
combustión de combustibles fósiles en un grado
que no es sostenible a medio y largo plazo.
La fusión es una de las opciones alternativas
para el abastecimiento de energía en el futuro,
y aprovechar esta energía en nuestro planeta
aportará beneficios a toda la humanidad.
Philippe Busquin
El objetivo de la investigación sobre fusión
europea es demostrar la viabilidad de la fusión
como opción energética del futuro para hacer
frente a las necesidades de una población
mundial en crecimiento. La abundancia y amplia
distribución del combustible requerido, los
aspectos de seguridad intrínseca y el buen
comportamiento ambiental de la fusión son
otras tantas razones que impulsan a Europa y
a las grandes naciones del mundo a proseguir
su desarrollo como posible fuente de energía
en el futuro.
Para convertir la fusión en una fuente de
energía viable resulta necesario un esfuerzo
investigador sostenido y a largo plazo. Ante la
envergadura de la empresa y la necesidad de
poseer competencias en una amplia gama de
disciplinas, los Estados miembros de la UE han
unido fuerzas para acometerla conjuntamente.
Los éxitos logrados hasta la fecha prueban que
estamos ya preparados para demostrar la
viabilidad científica y técnica de la fusión
llevando a cabo un experimento nuevo y crucial
que, en esencia, constituye el «núcleo» de una
5
central de fusión. Se está colaborando ya a nivel
Resulta característica del programa europeo
mundial con vistas a la posible construcción y
de fusión la constante transferencia de
explotación de tal experimento. Europa, al lado
conocimientos entre el programa y la industria.
de sus socios internacionales, se ha embarcado
Sin embargo, el ITER constituye un reto nuevo y
en la planificación del ITER, el próximo gran
estimulante, que promete numerosas
dispositivo de fusión.
oportunidades de aplicaciones indirectas
adicionales para quienes participan en él. La
Gracias a los trabajos coordinados de I+D sobre
finalidad del presente folleto es despertar el
fusión han avanzado a pasos agigantados tanto la
interés por los retos que plantea la I+D sobre
ciencia básica subyacente, la física del plasma,
fusión e indicar dónde puede obtenerse ayuda e
como una amplia gama de tecnologías de apoyo.
información sobre la explotación de las posibles
Uno de los resultados más importantes ha sido
aplicaciones indirectas. En el ITER participarán
el grado de cooperación en el ámbito europeo
grandes empresas, muchas de las cuales tendrán
y mundial, más elevado que en cualquier otro
ya experiencia en el trabajo a escala
ámbito de la investigación científica o tecnológica,
internacional. Pero también participarán,
y que constituye un valioso modelo y un
de manera directa o indirecta, como
precedente importante para la internacio-
subcontratistas de las grandes empresas,
nalización de la I+D en otros campos.
empresas pequeñas y medianas (PYME),
muchas de las cuales sólo tendrán experiencia
Alcanzar este objetivo representa un reto que
previa en el trabajo en áreas más limitadas. La
entusiasma y estimula. Camino de conseguirlo,
participación en un gran proyecto internacional
muchas de las tecnologías de vanguardia
de la envergadura del ITER aportará los
necesarias han superado sus límites y, en
beneficios asociados a la potenciación del
muchos casos, las soluciones innovadoras
perfil internacional de la empresa, cosa
halladas a los problemas planteados han
particularmente importante para las PYME.
encontrado aplicación fuera del campo de
la fusión. Existen ya numerosos ejemplos
de aplicaciones indirectas en la industria
que aportan soluciones reales a problemas
auténticos y palpitantes. La explotación
de aplicaciones derivadas de las tecnologías
desarrolladas dentro del programa de fusión
beneficia ya enormemente a la sociedad
europea. En el presente folleto se presentan
diversos ejemplos de estas aplicaciones
resultantes de los trabajos, pasados y presentes,
Philippe Busquin
de desarrollo del programa de fusión.
Comisario Europeo de Investigación
6
Introducción
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El objetivo a largo del programa de fusión de la
UE es el dominio de la energía de fusión hasta
un nivel que permita la construcción de
prototipos de centrales de fusión. El énfasis
principal de la investigación sobre fusión recae
en el confinamiento y calentamiento de plasmas
mediante el uso de campos magnéticos
intensos. Estos trabajos se llevan a cabo dentro
de los programas marco plurianuales de la
Comunidad Europea de la Energía Atómica
Alain Vallée
(Euratom), y proseguirán dentro del actual,
que es el sexto.
La fusión presenta varias características
que la hacen atractiva para la producción de
electricidad a gran escala: no genera gases de
invernadero y el sistema posee propiedades
intrínsecas de seguridad. Además, las materias
primas necesarias como combustible están
disponibles en abundancia y en cualquier lugar.
La conjunción de estas ventajas hace pensar que
la fusión podrá contribuir sustancialmente a
satisfacer la futura demanda mundial de energía.
La I+D sobre fusión ha formado parte del
programa comunitario de investigación desde la
firma en 1957 del Tratado Euratom, en el que
figura como uno de los ámbitos de investigación
que la Comunidad debe apoyar. Ha estado
asimismo incluida en todos los programas
7
marco de investigación y desarrollo tecnológico.
ITER comenzó en 1992 y concluyó en julio de
Todos los Estados miembros de la UE y
1998. A ella siguió una prolongación trienal en la
terceros países asociados a Euratom (Suiza
que participaron tres de las partes (UE, Japón y
desde 1979, y Bulgaria, República Checa,
Rusia).
Hungría, Letonia, Rumania, República Eslovaca y
Eslovenia desde 1999) participan en el programa
La feliz conclusión de las actividades de diseño
europeo de fusión a través de contratos de
técnico del ITER ha permitido avanzar hacia la
asociación entre los correspondientes centros
realización del Next Step, en consonancia con la
de investigación y Euratom.
orientación al reactor de las actividades
comunitarias en materia de investigación sobre
En 1999 se estableció un nuevo acuerdo para
energía de fusión. Se negocia actualmente a nivel
hacer frente a las cambiantes necesidades de la
internacional sobre la posible realización
I+D sobre fusión: el Acuerdo Europeo para el
conjunta del ITER (construcción, puesta en
Desarrollo de la Fusión (EFDA), que es un
marcha, explotación y cierre definitivo). Si las
contrato marco entre Euratom y sus socios
negociaciones prosperan, podría adoptarse una
habituales en el ámbito de la fusión (los
decisión concreta en el período 2003-2004, de
Asociados). Incluye tres actividades:
manera que la construcción efectiva pudiera
comenzar en el período 2005-2006.
• actividades tecnológicas llevadas a cabo por las
Asociaciones y por la industria europea,
• utilización colectiva de la instalación «Joint
European Torus» (JET),
• contribución de la UE a colaboraciones
internacionales como el ITER.
A partir de 1992, las actividades del Next Step
Alain Vallée
se han venido centrando en el ITER. La fase de
Vicepresidente primero de Framatome – ANP
actividades de diseño técnico (EDA) original del
Presidente del CFI
8
El proyecto ITER
El ITER es un proyecto de colaboración
En el cuadro siguiente se desglosa (en
internacional sobre un nuevo dispositivo de
porcentaje) dicho coste total entre los
fusión que permita demostrar la viabilidad
distintos sistemas y componentes.
científica y técnologica de la energía de fusión
para fines pacíficos. El ITER demostrará
capacidad de producción de energía durante
Sistema o componente
periodos largos comparados con los dispositivos
actuales, y las tecnologías básicas para la energía
de fusión en un sistema integrado, permitiendo
además realizar un ensayo integrado de los
elementos clave necesarios para la utilización
práctica de la fusión como fuente de energía. El
ITER, basado en el concepto de «tokamak», será
el primer dispositivo de fusión que producirá
500 MW de potencia térmica, nivel semejante
al de una central comercial.
El coste total estimado de la construcción del
ITER, incluidos repuestos, partidas diferidas, I+D,
gestión y apoyo asciende a 4 570 millones de
euros. Su construcción y explotación durará
unos 30 años, 10 de los cuales aproximadamente
corresponderán al período de construcción.
Porcentaje
del total
Bobinas superconductoras
29,3
Vasija de vacío
6,0
Zona fértil
4,9
Divertor
3,2
Proceso de montaje
2,7
Telemanipulación
2,9
Criostato
2,2
Refrigeración por agua
4,3
Blindajes térmicos
0,8
Bomba de vacío y alimentación
de combustible
1,2
Planta de tritio y destritiado
2,3
Planta de criogenia y criodistribución
3,0
Alimentación pulsada y estacionaria
6,3
C y GC, frecuencia ciclotrónica de los iones 0,8
C y GC, frecuencia ciclotrónica de los
electrones
2,5
C y GC, haz neutro
3,4
C y GC, frecuencia híbrida inferior
2,0
Diagnósticos
4,9
Edificios e instalaciones
13,2
Celdas calientes y tratamiento de residuos 0,3
Vigilancia radiológica y ambiental
0,1
Control y adquisición de datos
3,6
Total
100,0
9
El calendario del proyecto depende de diversos
El calendario general que se propone en la
factores, tales como la selección del emplazamiento
siguiente figura está expresado en meses a
y el procedimiento de concesión de licencias.
partir de la fecha en que inicie la construcción
real de los edificios del tokamak.
Se está negociando un Acuerdo de Ejecución
Conjunta (JIA) del ITER entre Canadá, Euratom,
Japón y la Federación Rusa. Una vez ratificado el JIA
por todas las partes, se establecerá la entidad
jurídica del ITER (ILE).
10
Tecnologías
asociadas con
la I+D sobre fusión
En la I+D sobre fusión confluye una amplia gama
Bobinas superconductoras
de tecnologías. El proyecto ITER representará
7. Hilo
una importante obra de ingeniería de
8. Conductor
envergadura similar a la construcción de
9. Modelo de bobinado
una gran central eléctrica comercial. Existirán
10. Alimentación eléctrica
contribuciones industriales a gran escala en
los ámbitos de las ingenierías civil, mecánica y
Equipo de telemanipulación
eléctrica convencionales. El cuadro que figura en
11. Cualificación de patrones e instrumentos
la descripción del proyecto indica asimismo las
12. Transportadores y órganos prensores
áreas tecnológicas más especializadas que deben
intervenir. Para satisfacer estas necesidades, y en
Ciclo del combustible
previsión de la construcción del ITER, se han
13. Bombas mecánicas y criobombas de vacío
establecido listas de empresas o agrupaciones
14. Válvulas compatibles con el tritio
de empresas europeas en 17 áreas tecnológicas
15. Manipulación del tritio y destritiado de la
que son específicas para el ámbito de la fusión y
atmósfera
esenciales para la posible construcción de un
reactor experimental. Estas 17 tecnologías
Materiales para aplicaciones específicas de
específicas de la fusión son:
la fusión
16. Materiales estructurales de baja activación
Ingeniería del plasma
para componentes en la vasija de un reactor
1. Líneas de transmisión de alta potencia y
de fusión
alta frecuencia (en la gama 120-180 GHz)
17. Materiales para zonas fértiles reproductoras
2. Fuentes de alta potencia y alta frecuencia
de tritio, con inclusión de reproductores
(en las gamas 5-8 GHz y 120-180 GHz)
cerámicos, bolas de berilio y barreras de
3. Fuentes de alimentación del haz neutro y
permeación
componentes de alta tensión (del orden
de 1 MV)
Las cuestiones de I+D relativas a las zonas
fértiles reproductoras, al desarrollo de
Componentes frente al plasma
materiales y al diseño conceptual de una
4. Losetas y revestimientos
instalación de pruebas de irradiación de
5. Maquetas de componentes frente al plasma
materiales de fusión se abordan dentro del
apartado de tecnología a largo plazo del
Vasija, blindaje y zona fértil
programa de fusión, con vistas a la construcción
6. Vasija de vacío, segmentos de blindajes
ulterior de un prototipo de central de fusión.
neutrónicos y de zonas fértiles de
reproducción de tritio
11
Beneficios derivados de
la I+D sobre fusión
La estrecha colaboración entre los Asociados a
la fusión y la industria en la resolución de los
problemas planteados en el seno del programa
de I+D ha generado aplicaciones indirectas en
numerosas áreas.
Figuran entre ellas:
• Sistemas de telemanipulación
• Fabricación de semiconductores
• Grabado y deposición por plasma de área
extensa
• Litografía del ultravioleta extremo (EUVL)
• Máscaras EUV para deposición de película fina
• Elementos ópticos EUV de precisión
• Microlitografía de rayos X
• Matriz de haz de electrones para escritura
directa utilizando emisores de campo de
nanotubos
• Implantación de iones
• Pantallas de plasma para televisión de alta
definición
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12
En algunas áreas de la tecnología, pueden encontrarse múltiples ejemplos de aplicaciones
indirectas de la fusión:
Medicina y salud
Superconductividad
• Perforación de cavidades con láser
• Resonancia Magnética Nuclear (NMR)
• Separación de isótopos médicos (láser/rf)
• Ciclotrones superconductores para
• Soldadura de tejidos
• Catéter de rayos X
• Monitor de glucosa continuo
• Sistema de láser fotoacústico para el
emulsionado de coágulos de sangre
• Imágenes en odontología
• Esterilización de cereales y pasteurización de
producción de isótopos y radiografía
neutrónica
• Sincrotrones superconductores para
litografía de rayos X
• Separación magnética de materiales
(p. ej., arcilla)
• Imágenes por resonancia magnética (MRI)
la leche
• Imágenes por resonancia magnética (MRI)
Propulsión espacial
• Propulsores de magnetoplasma
Potencia pulsada y conversión de potencia
• Unidades de conversión de potencia IGBT
Tratamiento de residuos
para trenes, autobuses y máquinas para
• Antorcha de plasma
movimiento de tierras
• Vitrificación de residuos
• Radar de impulsos de microondas (MIR)
• Ablación de criopastillas
• Generación, transmisión, almacenamiento
• Separación de isótopos
y acondicionamiento de energía,
limitación de sobrecargas y motores
• Espalación por microondas de superficies
contaminadas
• Catálisis asistida por plasma
Procesamiento de materiales
• Martillado láser
• Modificación de superficies por haz iónico
• Sinterización por microondas
• Deposición química en fase de vapor mejorada
(EPCVD)
• Fabricación de materiales ópticos
• Crecimiento rápido de cristales
• Mecanización por láser
13
La tecnología
sigue progresando
Este proceso de transferencia de tecnología
asociado a la I+D sobre fusión implica una
interacción continua entre la comunidad
investigadora y la industria. Ambas partes salen
beneficiadas con ello y la I+D sobre fusión,
tanto la fundamental como la aplicada, han
generado numerosas aplicaciones indirectas
materializadas en tecnologías, empresas y, en
algunos casos, sectores completos.
Se presentan a continuación diez ejemplos
concretos para ilustrar la diversidad existente
no sólo en cuanto a tecnologías, sino también
en cuanto a distribución geográfica en los
Estados participantes en el programa de fusión y
en cuanto a tamaño de las empresas implicadas.
Ejemplos de aplicaciones indirectas de la I+D realizada en las Asociaciones
Asociados
Resumen de la aplicación indirecta
Aplicación no relacionada
con la fusión
CEA (Francia)
Limitador de bombeo toroidal de Tore
Supra/CIEL, desarrollado con Plansee AG,
Reutte (Austria), utilizando una unión
específica de compuesto de fibra de carbono
(CFC) con cobre
Componentes de flujo de calor
intenso refrigerados activamente
en aplicaciones espaciales
RISØ
(Dinamarca)
Desarrollo de diagnósticos de láser para
plasmas de fusión en el tokamak ASDEX
aplicados a anemómetros de láser de CO2
Aplicación en anemómetros de
láser utilizados en turbinas eólicas
CEA (Francia)
Fabricación para Tore Supra de hilos de
superproducción y modelos de bobinas
con Alstom, Belfort
Aplicaciones en productos
sanitarios: Imágenes por
Resonancia Magnética (MRI)
FZK (Alemania)
Desarrollo de girotrones, junto con CRPP,
CEA,TEKES y NTUA, para el calentamiento
por resonancia ciclotrónica de electrones
(ECRH) de plasmas de fusión
Transferencia de conocimientos
prácticos a la industria europea de
semiconductores
DCU (Irlanda)
Desarrollo de técnicas de diagnóstico con
Scientific Systems Ltd para la investigación del
acoplamiento de potencia RF y fenómenos de
plasma en fuentes de iones negativos
Aplicaciones industriales,
principalmente en el
procesamiento de
semiconductores
ENEA (Italia)
Diagnósticos desarrollados para el estudio de
la física del borde en RFX aplicados al estudio
de la turbulencia desarrollados en un
prototipo de propulsor
magnetoplasmadinámico
Propulsores para aplicaciones de
satélites, en funcionamiento en el
Centro Spazia de Pisa
ENEA (Italia)
Desarrollo de hilos multifilamento de Nb3Sn y
NbTi para aplicaciones de fusión con Europa
Metalli
Avances utilizados para
aplicaciones en imanes del LHC
(CERN) y en sistemas MRI
médicos
UKAEA
(Reino Unido)
Los avances en microactuadores y en fuentes
de alimentación de conmutación para la fusión
han encontrado aplicación en los telares
electrónicos
Aplicaciones en telares
electrónicos desarrollados
por Bonas Machine Company
UKAEA
(Reino Unido)
El desarrollo de compuestos carbono-carbono
con Dunlop Aviation para las losetas de la
primera pared ha tenido repercusiones
beneficiosas en aplicaciones industriales
Aplicaciones indirectas en los
frenos y embragues utilizados en
aviación, trenes y automóviles de
competición
IPP (Alemania)
14
Componentes
Plansee AG, Reutte (Austria) es una empresa
activa en numerosos campos tecnológicos,
como la pulvimetalurgia, el conformado y
de flujo de
ensamblado de metales y los materiales
refractarios, cerámicos y compuestos. En
colaboración con el CEA, Cadarache (Francia),
calor intenso
ha desarrollado métodos para una unión
específica de compuesto de fibra de carbono
(CFC) que se utiliza en el limitador de bombeo
de Tore Supra/CIEL. Esta tecnología tiene
aplicación asimismo en los componentes de flujo
intenso refrigerados activamente en otras áreas.
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Contactos eléctricos: El primer
desarrollo de la Active Metal
Casting (AMC) para el enlace
Tungsteno-CuCrZr ha generado
aplicaciones en los
conmutadores eléctricos
de altas prestaciones.
Para más información:
Guy Rey, CEA
[[email protected]]
Bertram Schedler, Plansee AG
[[email protected]]
Proyecto lanzadera espacial (X33):
Desarrollo de material de flujo de
calor intenso: enlace CFC-metal
con tratamiento AMC y láser para
aerospikes de motores de cohetes.
Limitador de bombeo toroidal
del Tore Supra (TPL):
• Unión específica de
componentes de flujo
de calor intenso refrigerados
activamente: enlaces carbono
fibra carbono (CFC) – CuCrZr
utilizando AMC y tratamiento
específico con láser.
• Potencia >10 MW/m2 en
continuo.
15
Los doctores René Skov Hansen y Sten Tronæs
Anemometría láser
Frandsen, del Laboratorio Nacional Risø
(Dinamarca) aplican tecnologías desarrolladas
para el diagnóstico de plasmas en la fusión a la
para ensayos de
construcción de un anemómetro que permita
medir la velocidad del viento delante de una
turbina eólica. La empresa escocesa Ferranti
rendimiento de
Photonics Ltd. es responsable, junto con
Risø, del desarrollo del láser, y dos empresas
danesas, NEG-Micon y WEA Engineering,
turbinas eólicas
trabajan en los ensayos y en el desarrollo del
sistema de control.
El Departamento de Óptica y Mecánica de
Fluidos del Laboratorio Nacional Risø ha
adquirido experiencia en el uso de láseres
de CO2 en los anemómetros dentro de un
proyecto, relacionado con la fusión, de medida
de campos de velocidades en plasmas, en el que
ha podido demostrarse la existencia de un
vínculo claro entre el confinamiento del plasma
y la intensidad de la turbulencia. Esta experiencia
está aplicándose al desarrollo de nuevas
tecnologías para su uso en turbinas eólicas.
An artists impression of the
otherwise invisible laser beam,
emitted from the laser
anemometer.
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Para más información:
René Skov Hansen, Ph.D.
[[email protected]]
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Superconductores
Alstom (Francia) ha adquirido experiencia en
I+D sobre superconductores, colaborando con
el CEA en el desarrollo de los sistemas de
para Imágenes
imanes para el experimento Tore Supra en
Cadarache. La tecnología, que comporta hilos
de NbTi superconductores, se aplica en la
por Resonancia
producción a gran escala de hilos para los
imanes utilizados en las Imágenes por
Resonancia Magnética (MRI). La MRI se utiliza
Magnética (MRI)
actualmente de manera rutinaria en muchos
grandes hospitales para explorar tejidos
orgánicos.
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De la I+D sobre
superconductores para Tore
Supra: Hilos de NbTi (10 000
filamentos – 23 micrómetros de
diámetro), fabricación a gran
escala (20 toneladas en 198486) con control continuo.
Para más información:
Guy Rey, CEA
[[email protected]]
Hilos simples superconductores de
NbTi para imanes de MRI (36 filamentos –
40 micrómetros de diámetro).
Hilos más sofisticados para el LHC (5 000
filamentos – 6 micrómetros de diámetro).
Implantación en Alstom de la
producción a gran escala de hilos de
NbTi para Imágenes por Resonancia
Magnética: imanes para MRI (2 000
año) y para grandes dispositivos
científicos como el gran colisionador
de hadrones (LHC) del CERN (500
toneladas de NbTi). Se ha conseguido
mejorar el control de calidad mediante
control en línea continuo.
17
Dentro del programa europeo de fusión, un
Aplicaciones
consorcio de Asociaciones, FZK, CRPP, CEA,
TEKES y NTUA ha acumulado unos
industriales de los
conocimientos prácticos considerables en el
diseño de fuentes de microondas de elevada
potencia específicas (girotrones) que se utilizan
girotrones y fuentes
para calentar plasmas de fusión a la frecuencia
de resonancia ciclotrónica de electrones.
de microondas
Actualmente se procede a transferir estos
conocimientos a la industria europea Thales
Electron Devices para su aplicación en la
de alta potencia
producción de tubos de girotrón para otros
experimentos de fusión, incluidos Tore Supra de
Cadarache,TCV de Lausana,Wendelstein 7X de
Greifswald (Alemania) y también el ITER.
Paralelamente a las actividades relacionadas con
la fusión, los conocimientos sobre girotrones y
microondas de alta potencia están aprovechándose en la investigación y desarrollo
relativo al proceso de materiales, donde es
objeto de un interés creciente por parte de la
industria. La ventaja esencial de esta tecnología
es que proporciona una fuente de calentamiento instantáneo, volumétrico y homogéneo
utilizable en diversos procesos industriales.
En particular para materiales de baja
conductividad térmica, tales como polvos,
polvos compactos, polímeros, vidrio o
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compuestos, el calentamiento con microondas
puede propiciar una reducción considerable del
tiempo de proceso y del consumo de energía
en comparación con el calentamiento por
resistencias o por gas convencional. Existen
varios ejemplos de colaboración entre la
industria y el programa interno de transferencia
de tecnología de FZK, así como dentro del
programa marco europeo.
Para más información:
Werner Bahm, FZK
[[email protected]]
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18
De las interacciones
En el IPP de Garching se han desarrollado dos
programas informáticos,TRIM y TRIDYN, para
analizar los daños que pueden ocasionar los
plasma-pared a
iones del plasma rápidos al incidir en las
paredes de la vasija de plasma de un dispositivo
de fusión. Estos programas simulan las
la tecnología de
trayectorias de los iones que penetran en la
pared con una energía y un ángulo de incidencia
dados.Tal cosa se consigue siguiendo el
semiconductores
comportamiento en la colisión de los
proyectiles y observando los átomos del sólido
bombardeado. Es posible registrar toda la
cascada de colisiones y describir cualquier
erosión de la superficie o reflexión de los
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iones. De esta manera se puede determinar la
profundidad de penetración y el daño infligido
al material por cualquier partícula incorporada.
El programa TRIDYN tiene en cuenta asimismo
los cambios dinámicos en la composición de las
muestras resultantes del bombardeo iónico.
Desde su creación en los años ochenta, han
usado los programas en torno a 90 empresas e
instituciones distintas, p. ej., IBM de Maguncia, el
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT)
de Itzehoe y el Laboratoire d´Analyse des
Matériaux, CRP de Luxemburgo, y en la
actualidad se utilizan en todo el mundo: Europa,
Australia, Estados Unidos, Japón. Su principal
aplicación está en la implantación iónica, por
ejemplo en el proceso de dopado que forma
parte del desarrollo de semiconductores, en el
que se adaptan específicamente las propiedades
electrónicas de un semiconductor mediante la
incorporación de átomos extraños.
Para más información:
Isabella Milch, IPP
[[email protected]]
19
Scientific Systems Ltd es una empresa
de envergadura y de éxito derivada de la
investigación de la Irish Fusion Association
Euratom DCU. El Dr. Michael Hopkins,
Presidente, Director general y cofundador de
Scientific Systems Ltd es un antiguo Director
del Plasma Research Laboratory que trabajaba
en fuentes de haces de iones negativos y
diagnóstico de plasmas para aplicaciones de
fusión. En 1998 abandonó el Laboratorio para
Utilización en
la industria
microelectrónica
de avances en el
diagnóstico
de plasmas
crear Scientific Systems Ltd.
Scientific Systems fabrica sistemas de
diagnóstico de plasmas de primera línea,
monitores de potencia e impedancia, sondas de
flujo iónico y sondas Langmuir avanzadas que
utilizan en todo el mundo los laboratorios de
investigación sobre plasmas y las industrias de
fabricación basadas en plasmas, incluidos los
sectores de revestimientos de película fina y
semiconductores. Las técnicas de diagnóstico
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SmartProbeTM: La sonda
Langmuir número uno en
cuanto a exactitud, fiabilidad
y prestaciones.
son similares a las desarrolladas inicialmente
en la Asociación DCU para investigar el
acoplamiento de potencia RF y los fenómenos
del plasma en fuentes de iones negativos para
su aplicación en el calentamiento de plasmas de
fusión. En Scientific Systems se ha adaptado esta
tecnología para soportar los rigores de la
aplicación industrial, fundamentalmente en
el procesamiento de semiconductores. Sus
sensores se utilizan mucho en la industria de
semiconductores durante el desarrollo de
La sonda de flujo iónico
(IFTTM): hace posible el control
en tiempo real de la densidad
del plasma.
equipos, y están instalados en cadenas de
producción avanzadas.
Scientific Systems Ltd., que cuenta actualmente
con 60 empleados, recibió en 2000 el Premio
Nacional de Innovación concedido por el
Programa de ciencia, tecnología e innovación
del Gobierno irlandés. El producto ganador,
SmartPIM, es un sensor de plasma dentro de
la línea de producción que pone de relieve
características y defectos con una elevadísima
resolución midiendo varios parámetros críticos
del plasma.
Para más información:
http://www.scisys.com
20
Propulsión de
Se están aplicando los diagnósticos
desarrollados para el estudio de la física del
borde en el experimento RFX realizado en
plasma para
Padua al estudio de la turbulencia en un
prototipo de propulsor magnetoplasmadinámico
para aplicaciones satelitales que funciona en el
propulsores
Centrospazio de Pisa.
Se están desarrollando propulsores
espaciales
magnetoplasmadinámicos para misiones
espaciales a gran distancia. A intensidades
elevadas, se alcanza un régimen crítico que
avanzados
causa una degradación de la eficiencia de la
propulsión. Se han medido la densidad de
electrones y la temperatura en la estela del
propulsor mediante una matriz de sondas
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Langmuir utilizadas ya en el experimento de
fusión RFX. Las medidas han puesto de relieve
la existencia de acusadas fluctuaciones
asociadas a la pérdida de propulsión. El análisis
de la fluctuación, efectuado con los mismos
instrumentos utilizados para los datos del
plasma de fusión, reveló estructuras espaciales y
frecuencias preferidas en función de la potencia
y del campo magnético externo. La información
que aportan estos resultados resulta esencial
para comprender el origen de las instabilidades,
lo que permitirá atenuarlas, y restaurar la
eficiencia de la propulsión.
Para más información:
Matteo Zuin, Consorzio RFX, Padova
[[email protected]]
21
Hilos para
Europa Metalli (EM) inició la fabricación de
hilos de múltiples filamentos de NbTi en 1977,
trabajando en estrecha colaboración con el
Laboratorio de Superconductividad Aplicada del
sistemas de bobinas
ENEA ubicado en Frascati. Los hilos de NbTi
resultantes de los trabajos de desarrollo se
encuentran en el conductor utilizado para
superconductoras
fabricar un solenoide de 2m de altura, 1,3m de
diámetro y 6T aún en funcionamiento, como
aportación italiana a la instalación europea de
ensayos SULTAN, en el CRPP de Villigen (Suiza).
Más recientemente, Europa Metalli ha ganado
licitaciones internacionales de suministro de
hilos de NbTi para aceleradores de partículas.
Los dipolos y cuadripolos superconductores del
acelerador DESY de Hamburgo (Alemania)
están hechos de hilos de NbTi de EM
fabricados en los ochenta. Ejemplos adicionales
son el sistema magnético superconductor del
Gran colisionador de hadrones (LHC), un
fig. 1
fig. 2
hilo
multifilamento
de NbTi para el
LHC.
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hilo de
NbTi para
aplicaciones
de MRI.
acelerador de partículas en construcción
en el CERN de Ginebra (Suiza) y las bobinas
de campo poloidal del proyecto ITER. En la fig.1
se muestra la sección transversal de un hilo.
Los conocimientos adquiridos se han aplicado
asimismo en la fabricación de hilo de NbTi para
sistemas médicos de MRI, en los que resulta
imprescindible una distribución altamente
simétrica de los filamentos superconductores,
según se muestra en la fig. 2.
EM consiguió reforzar sus capacidades de
fabricación industrial de hilos de Nb3Sn con
fig. 3
Sección transversal del hilo
multifilamento de Nb3Sn para
el ITER. A la izquierda, vista
ampliada de uno de los 36
haces de su interior.
interior de estaño con el fin de hacer frente
a un contrato de Euratom referente a 4000 kg
de un hilo multifilamento de 0,81mm para el
programa de modelos de bobinas del ITER
que se muestra en la fig. 3. Otro ejemplo de
aplicación de los conocimientos adquiridos ha
sido la fabricación de un hilo de Nb3Sn de
elevada densidad de corriente crítica para
aplicaciones en sistemas de imágenes por
Resonancia Magnética Nuclear (NMR) de
campo elevado y frecuencia elevada utilizados
en investigaciones biológicas.
Para más información:
Catia Melorio, ENEA
[[email protected]]
22
De la I+D sobre
La Bonas Machine Company es uno de los
primeros fabricantes del mundo de telares
electrónicos que permiten a las empresas
fusión a los
textiles producir telas y tejidos de muy alto
valor añadido a partir de diseños generados
por ordenador. Noventa y nueve por ciento de
tejidos de alta
los telares fabricados por Bonas se exportan.
El asesoramiento técnico del personal de
tecnología
UKAEA Fusion ha ayudado a la empresa a
mantenerse por delante de la competencia.
El Dr. Norman Waterman, Director general
de Quo-Tec –asesoría sobre transferencia de
tecnología especializada en materiales
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avanzados– propició la relación entre
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UKAEA Fusion y Bonas. Quo-Tec lleva diez
años prestando servicios a Bonas, y entiende
bien su negocio y sus nuevas necesidades en
materia de tecnología.
Quo-Tec, en las conversaciones con
responsables de UKAEA Fusion mantenidas
«El solapamiento tecnológico
entre Bonas Machine Company
y la fusión se refiere esencialmente a los requisitos de las
estructuras electromecánicas de
larga duración sometidas a
fuertes tensiones».
con motivo de la realización de un estudio
de viabilidad sobre los nuevos materiales
necesarios para los componentes de la
primera pared y del divertor de los tokamaks,
tuvo conocimiento de sus extraordinarias
competencias en materia de microactuadores
y diseño de unidades de alimentación
conmutadas.
Se han estudiado los problemas de diseño de
diversos conceptos de actuador con vistas a
mejorar más aún las prestaciones de los telares
Bonas. El resultado neto del asesoramiento de
UKAEA Fusion a Bonas es:
Para más información:
http://www.bonas.co.uk
[[email protected]]
✆ +44 (0)191 491 0444
• Un microactuador que, cuando el precio de
los elementos clave descienda por debajo de
cierto umbral, podría convertirse en la base
de un telar completamente nuevo.
23
Dunlop Aviation forma parte de Dunlop
Aerospace Limited, empresa fabricante de
equipos aeroespaciales. Dunlop Aviation diseña
y fabrica ruedas, frenos, sistemas de frenado y
sistemas de protección contra el hielo para
aeronaves civiles, regionales, empresariales y
militares. Forman parte igualmente de Dunlop
Aerospace Limited las empresas Dunlop
Precision Rubber, Dunlop Equipment y
Materiales
compuestos de
carbono-carbono
en frenos de alto
rendimiento
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Serck Aviation.
Dunlop Aviation ha suministrado
aproximadamente 6 toneladas de losetas en
bruto de compuestos carbono-carbono (C-C)
a instalaciones de fusión del JET, UKAEA y
otros proyectos en todo el mundo. Además, ha
participado en los trabajos, financiados con
fondos europeos, de desarrollo de C-C con
propiedades térmicas mejoradas para satisfacer
los requisitos de la próxima generación de
máquinas de fusión. Gracias a los éxitos
conseguidos en este campo la cartera de
productos de la empresa no se limita ya
a su mercado aeroespacial de origen.
El suministro de losetas C-C utilizadas en los
componentes frente al plasma del divertor y de
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Desde mediados de los ochenta,
Dunlop Aviation ha colaborado
estrechamente con los proyectos de
fusión en Europa y Norteamérica en
el desarrollo y fabricación de C-C.
Se han producido losetas para
fusión, elementos para hornos
de alta temperatura, elementos
calentadores para hornos y
sumideros de calor para sistemas
electrónicos de satélites.
la primera pared de las máquinas de fusión ha
permitido incrementar la eficiencia de la
producción y reducir los costes en los
productos de su negocio principal.
Dunlop Aviation fabrica materiales C-C
esencialmente para su uso como discos de
fricción en frenos de aeronaves, pero también
en aplicaciones de fricción no relacionadas con
Se han suministrado para
componentes frente al plasma de
la primera pared y el divertor, que
exigen propiedades similares a las
necesarias en los materiales de
fricción usados en las aeronaves, a
saber, la capacidad de transferir un
elevado flujo de calor y la retención
de la resistencia a temperaturas
elevadas y baja densidad.
la aviación, como frenos de ferrocarril, frenos
y embragues para la Formula 1 y otras
aplicaciones en la competición automovilística.
Para más información:
http://www.dunlop-aviation.co.uk
[[email protected]]
✆ +44 (0)24 7666 6655 / 2136
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24
Los profesionales también progresan
Como ilustran los anteriores ejemplos de aplicación indirecta, la transferencia de tecnologías procedentes
de la investigación sobre fusión a la industria es un proceso continuo. Pero existe otro elemento del
proceso de transferencia de conocimientos que resulta también muy beneficioso para la industria: se trata
de lo que podría llamarse «transferencia de personas». La investigación sobre fusión es una empresa
estimulante e interdisciplinaria que aúna la física, la ingeniería, las matemáticas, la ciencia de materiales y
otras disciplinas. Se ha demostrado el fundamento ideal para los empresarios de la ingeniería y ha aportado
un caudal de especialistas y estudiantes sumamente cualificados, muchos de los cuales la han utilizado
como trampolín para el éxito en otros campos.
A título de ejemplo, presentamos dos casos típicos de este fenómeno de «transferencia de personas»:
Profesor Christopher Bishop,
Director adjunto, Microsoft
Centro Europeo de Investigación
conocimientos sobre inteligencia artificial, antes
de ocupar una cátedra de informática en el
Departamento de Informática y Matemáticas
Aplicadas de la Universidad de Aston y crear el
Chris Bishop empezó a interesarse por las redes
Grupo de Investigación sobre Informática Neuronal.
neuronales mientras desarrollaba el primer sistema
Tras un semestre sabático en el Instituto Isaac
de control de circuito cerrado en tiempo real para
Newton de Cambridge, fue nombrado Director
el experimento de fusión del tokamak COMPASS-D
adjunto de Microsoft Research.Aquella misma
(compact assembly). «Además de constituir un hito
semana, Chris fue nombrado también Catedrático
en el modo de controlar el plasma, fue un momento
de Informática en la Universidad de Edimburgo.
decisivo en la evolución de mi carrera».
Entre las funciones de Chris en Microsoft figuran la
Tras ocho años como físico teórico en Culham, Chris
gestión de equipos de investigadores y las relaciones
se trasladó a UKAEA Harwell para profundizar sus
con el mundo académico en general, así como la
realización de investigación básica. Para desempeñarlas
resulta imprescindible saber comunicar, y Chris dice
haber adquirido esta competencia durante su estancia
en Culham : «Había desarrollado un modelo nuevo
de modos de separatriz localizados en tokamaks
que despertó considerable interés y me dio la
oportunidad de desarrollar mis competencias en
materia de presentación, pues tuve que hablar en
múltiples ocasiones en congresos internacionales y
laboratorios de investigación».
Cualquiera podría pensar que, con su formación
de físico, a Chris Bishop no le resultaría fácil dirigir
«La inteligencia artificial ofrece
oportunidades increíbles. Por
ejemplo, aquí en Microsoft la
utilizamos para ensamblar
imágenes de cámaras digitales
en modelos 3D de realidad
virtual», dice el Profesor
Christopher Bishop.
equipos de investigación integrados por informáticos.
«Culham me dio una base excelente en matemáticas
lineales y cálculo infinitesimal, que me ha sido de
enorme utilidad en aprendizaje artificial. El haber
seguido este camino menos convencional hacia la
investigación en informática me permite ofrecer una
perspectiva y una experiencia de la que carecen a
menudo los informáticos puros».
25
Emanuela Ciattaglia,
Ingeniero mecánico, Oxford
Instruments Superconductivity
teóricas con los resultados reales de los
ensayos que demostraban la fiabilidad de
nuestro modelo y sugerían maneras de
mejorarlo. Esto, unido a la oportunidad de
Emanuela concluyó sus estudios de ingeniería
contemplar todos los aspectos de un proyecto
mecánica en la Universidad de Roma (Tor
desde el principio al fin, permite tener una
Vergata) en octubre de 2000. Con motivo de su
visión de conjunto del problema, algo que
proyecto fin de carrera, pasó cierto tiempo en
no necesariamente se logra cuando se está
el Culham Science Centre, trabajando con el
trabajando en un aspecto de un proyecto
equipo que intentaba resolver un problema de
de gran envergadura en la industria».
diseño en el solenoide MAST. «En aquel
momento sabía muy poco de diseño de
imanes y electromagnético pero, como descubrí
enseguida, en Culham hay que aprender deprisa.
Te animan a ir más allá de los análisis mecánicos
y electromagnéticos inmediatos si quieres tener
posibilidad de comprender el problema».Tras
algunos trabajos teóricos preparatorios,
Emanuela elaboró un diseño de prototipo de
solenoide que superó todos los ensayos a que
fue sometido.
Su experiencia en Culham permitió a Emanuela
entrar a trabajar como investigadora en Oxford
Instruments Superconductivity, líder mundial en
el suministro a la comunidad investigadora
científica e industrial de imanes superconductores
y sistemas criogénicos de baja temperatura.
Emanuela considera que, aunque apenas pasó
más de un año en Culham, la experiencia se
ha demostrado ya provechosa. «En Culham
podíamos llevar los análisis estructurales al
enésimo grado y comparar las predicciones
«Trabajar en el solenoide del
Mega Amp Spherical Tokamak
(MAST) de Culham me permitió
adquirir una perspectiva de los
procesos de diseño, desarrollo
de prototipos y fabricación que
no es corriente entre los recién
graduados», dice Emanuela
Ciattaglia.
26
Material de
Comisión Europea (CE)
Los fondos comunitarios destinados a la
investigación sobre fusión los gestiona la
referencia e
Dirección General de Investigación.
información
Acuerdo Europeo para el Desarrollo de
la Fusión (EFDA)
El EFDA es responsable de la supervisión de la
complementaria
I+D sobre tecnología de fusión, la participación
europea en proyectos de colaboración
internacional como ITER, y la explotación
Programa europeo de fusión
científica de las instalaciones del JET. La
Puede solicitarse información sobre las
operación del JET es responsabilidad de la
aplicaciones indirectas del Programa europeo
Asociación Euratom-UKAEA.
de fusión a:
Steven Booth
Comisión Europea
ITER
Dirección General de Investigación
ITER es un proyecto de colaboración mundial
RTD.J.5
con participación de Canadá, UE, Japón y Rusia
B-1049 Bruselas
en el diseño del próximo experimento de fusión.
Despacho: MO75 4/62
Tel. +(32-2) 296 35 48 Fax: +(32-2) 299 22 45
[email protected]
Derechos de propiedad intelectual (DPI)
Los DPI son de importancia crucial para la
Puede obtenerse información general sobre el
explotación de las posibles aplicaciones
Programa europeo de fusión en las páginas web
indirectas. Se ha creado un servicio de asistencia
de la Comisión Europea dedicadas a la
sobre DPI para sensibilizar a los investigadores
investigación sobre energía:
europeos sobre este tema. Quienes participen o
http://europa.eu.int/comm/research/energy/
puedan participar en investigaciones financiadas
index_en.html
por la Comunidad puede utilizar este servicio
como punto de contacto inicial para cuestiones
En ellas figura una selección de enlaces a páginas
relativas a los DPI:
en las que se encontrará más información
http://www.ipr-helpdesk.org
relativa al Programa europeo de fusión y a la
investigación sobre fusión en general, como:
CORDIS (Servicio de información sobre
investigación y desarrollo comunitarios)
CORDIS es un servicio gratuito facilitado por el
programa Innovación/PYME de la Comisión
Europea. CORDIS permite acceder a una
información muy variada sobre las actividades de
investigación, desarrollo e innovación de la UE.
Comisión Europea
EUR 20229 – Energía de fusión – el progreso continúa
Luxemburgo: Oficina de Publicaciones Oficiales de las Comunidades Europeas
2003 – 28 pp. – 21 x 29.7 cm
ISBN 00-000-0000-0
Venta • Salg • Verkauf • Πωλήσεις • Sales • Vente • Vendita • Verkoop • Venda • Myynti • Försäljning
http://publications.eu.int/general/es/salesagents_es.htm
KI-NA-20-229-ES-C