Caracterización de materiales centelleadores para dispositivos de fusión usando haces de iones negativos

Abstract

La producción de energía eléctrica mundial actual presenta diversos inconvenientes a largo plazo. Entre ellos destaca el impacto medioambiental y la agotabilidad de los combustibles fósiles, la limitación en abastecimiento global de las renovables, y la producción de radioisótopos de larga vida en centrales nucleares de fisión. El desarrollo de un reactor de fusión nuclear se presenta como la mejor alternativa para abordar todos estos problemas. Este ambicioso proyecto supone una multitud de desafíos tecnológicos que investigadores de todo el mundo enfrentan a diario. En este trabajo nos centraremos en uno de esos desafíos : la detección de iones rápidos que escapan del plasma durante su calentamiento. Para llevar al combustible a alcanzar un estado autosostenible en el que ocurran reacciones de fusión con una ganancia positiva, el plasma debe calentarse hasta kBT ∼ 15keV mediante métodos internos y externos. Uno de ellos es el llamado NBI (Neutral Beam Injection) en el que se inyectan átomos neutros (generalmente de deuterio) a energías mayores que las térmicas del plasma. Estas se ionizan al colisionar con las partículas del combustible y se suman al mismo. Mediante más colisiones, estos iones van cediendo su energía al plasma, produciéndose su calentamiento. El método NBI supone que durante el tiempo de calentamiento plasmático existe una distribución energética de iones en el mismo en el intervalo [∼ 10keV,∼ 10MeV]. Si muchos de estos iones escapan del plasma, se ponen en peligro tanto la eficiencia de calentamiento como la integridad física de las paredes internas del reactor. Es por ello que los dispositivos de fusión implementan los detectores llamados FILD (Fast Ion Loss Detector) que ayudan a controlar en tiempo real la pérdida de estos iones rápidos. Los FILD disponen de una fina lámina de material centelleador que sirve como detector de iones. En su diseño, el centelleador debe ser caracterizado previo instalación en el reactor para conocer su rendimiento, es decir, el número de fotones emitidos por ion incidente en función del tipo y energía de este. Para ello se usan modelos de ioluminiscencia como el modelo de Birks, aplicado con éxito en diversas muestras centelleadores para iones positivos de energías del orden del MeV. En este trabajo se presentan y discuten los resultados de las primeras medidas experimentales realizadas en el CNA (Centro Nacional de Aceleradores) del rendimiento de centelleadores para iones de energías del orden de decenas de keV. Para ello el CNA adquirió una cámara de vacío que fue usada por primera vez en estos experimentos. Mediante la fuente de iones negativos SNICS (Source of Negative Ions by Cesium Sputtering) se consiguió un haz que se inyectaba en la cámara de vacío mediante un inyector magnético. Dentro de dicha cámara se encontraban las láminas centelleadoras colocadas en un portamuestras que podía girarse en torno a la dirección del haz. Con una Faraday Cup conectada a un integrador de corriente se midió la corriente incidente sobre las muestras durante los segundos anteriores y posteriores a la irradiación. Una de las limitaciones que se encontraron durante el desarrollo de los experimentos es que no era posible monitorear la intensidad de iones durante el tiempo de irradiación, lo que supuso tener una incertidumbre total sobre las fluctuaciones de la corriente durante dicho tiempo. A 45deg con respecto a la dirección del haz, se colocó la entrada de una fibra óptica que guiaba a los fotones que incidían sobre ella hacia un espectrómetro. Las muestras analizadas fueron las llamadas TG Green y P46, cuyas características son propicias para la detección de iones rápidos. Se intentó también caracterizar una muestra de YAP:Ce, pero la limitación en el intervalo espectral de calibración del espectrómetro no nos permitió llevarlo a cabo. Se usó un haz de iones negativos de H− en lugar de iones de deuterio (ion rápido más común en el combustible del reactor), pues así se evitan problemas de radiación indeseada y estos son suficientes para sacar unas primeras conclusiones teniendo en cuenta lo novedoso del experimento. La energía de los iones del haz se mantuvo constante a 72keV. Se encontró que el modelo de Birks ajustado para reproducir el rendimiento absoluto de las muestras al irradiarlas con iones positivos de energías del orden del MeV no predecía correctamente nuestros resultados experimentales. A su vez, se encontró que la emisión de fotones de centelleo por ioluminiscencia no seguía un comportamiento isótropo. En la sección 6 se presentan y discuten algunas posibles explicaciones para estos hechos.