Finaliza el proyecto FusionCAT

Los investigadores del Laboratorio de Métodos Electrométricos de IQS han formado parte del proyecto FusionCAT, enmarcado dentro del Programa de Tecnologías Emergentes emprendido por la Generalitat de Catalunya, dentro de la estrategia RIS3CAT. El objetivo principal del proyecto ha sido establecer en Catalunya una comunidad activa alrededor de las tecnologías clave que conforman la generación de energía de fusión, integrado dentro de la hoja de ruta de la UE para la consecución de esta energía en el 2050. En el proyecto han participado siete importantes instituciones de Catalunya, expertas en esta área, entre las cuales se encuentra IQS.

Además de todos los desarrollos conseguidos, tanto en la participación de IQS como en el ámbito global del proyecto, FusionCat ha permitido además articular en Catalunya una comunidad científica dinámica y capaz de realizar aportaciones muy significativas en el ámbito de la fusión.

La reacción de fusión se basa en la generación de energía producida al forzar núcleos atómicos a unirse (fusionarse) en vez de romperse. Uno de los objetivos que hay que lograr en los rectores de fusión es la generación de tritio en su interior, un proceso que se lleva a cabo en los módulos Tritium Breeding Modules (TBM), donde el ⁶Li es impactado por neutrones de alta energía para liberar helio y tritio.

De este modo, la producción de tritio y el ciclo operativo del combustible son elementos clave de este reto energético. Es necesario disponer, por tanto, de métodos de diagnóstico, control e instrumentación que garanticen el logro de los objetivos fijados. Es en este ámbito donde los investigadores de IQS, liderados por el Dr. Jordi Abellà y el Dr. Sergi Colominas, aportan su experiencia en el desarrollo de sensores electroquímicos, para conseguir unidades de control aptas para su utilización en reactores de fusión.

Aportaciones de IQS a FusionCAT

Los sensores electroquímicos presentan muchas ventajas: procedimiento de medida sencillo, alta sensibilidad, tiempos de respuesta cortos y que se pueden miniaturizar fácilmente.

En IQS, se han desarrollado prototipos de sensores de hidrógeno, capaces de trabajar en entornos químicamente agresivos – como son los reactores de fusión –. Este ha sido el paso previo para lograr el desarrollo de los sensores de tritio necesarios. Para este hito, se construyeron sensores amperométricos de hidrógeno utilizando cerámicas perovskitas, ensayadas por el grupo en investigaciones previas y que muestran una buena conductividad de protón entre 400 y 1000 °C.

Los sensores de hidrógeno tienen geometrías en forma de tubo cerrado por un extremo, que destaca por tener una mayor área superficial y, por tanto, una respuesta mejor. Así, una vez conseguido el material cerámico, el objetivo planteado fue la construcción de los sensores mediante impresión 3D.

Las tecnologías tradicionales, como el slip casting, dan lugar a procesos de fabricación manuales y poco reproducibles. Además, posteriormente suele ser necesaria la mecanización de la pieza y no siempre se obtiene la geometría deseada. La propuesta de IQS ha sido el conformado de estas piezas cerámicas con técnicas de fabricación aditiva, al tratarse de un sistema mucho más reproducible y que da lugar a piezas con gruesos de pared muy finos.

Las medidas con los primeros sensores construidos con estas piezas obtenidas por impresión 3D se han ensayado en el interior de reactores de alta temperatura (hasta 600 °C), en atmósferas de hidrógeno diluido en argón, para determinar sus propiedades analíticas.

Finalmente, se han desarrollado sensores electroquímicos para la cuantificación de litio y el control del mismo en la aleación de plomo-litio fundido, una de las propuestas de construcción de los módulos TBM, donde generar el tritio dentro del reactor por bombardeo de neutrones sobre el ⁶Li. Durante el proceso de generación, el litio se va consumiendo y, por tanto, la aleación, que era inicialmente eutéctica, se podría convertir en hipo eutéctica con bajo contenido en litio. Por este motivo, ha sido necesario desarrollar sensores que permitan cuantificarlo en continuo.

En este caso, se han construido sensores potenciométricos – que permiten el uso de sensores de pequeñas dimensiones – formados por un disco de un material cerámico, conductor de litio, que actúa como electrolito en estado sólido (del mismo modo que en los de hidrógeno), estable bajo las condiciones extremas de las breeding blankets.

El proyecto FusionCAT con número de expediente 001-P-001722 ha sido cofinanciado en un 50% por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional de la Unión Europea en el marco del Programa Operativo FEDER Catalunya 2014-2020, con el soporte de la Generalitat de Catalunya.