Tecnología de medición de HBK, personalizada para los experimentos de fusión del ITER

La generación de electricidad a partir de energías convencionales y renovables lleva asociados una serie de riesgos y desafíos. Desde la eliminación de residuos radiactivos de larga vida a posibles incidentes catastróficos, limitaciones geográficas y dificultades para transferir la energía generada.

El proyecto internacional de investigación ITER tiene el objetivo de demostrar la viabilidad de la energía de fusión nuclear a escala industrial, como alternativa para garantizar el abastecimiento de electricidad a una población cada vez mayor.

Desafío
El proyecto ITER investiga la generación de electricidad a partir de la fusión nuclear, como alternativa a las fuentes de energía convencionales. Para medir parámetros cruciales y monitorizar el experimento en su conjunto, se necesitaba un socio fiable.

 

Solución
HBK ha aportado una solución de medición completa y se ha convertido en ese socio que buscaba el ITER. Para cumplir los requisitos del ITER que, con frecuencia, están en los límites físicos de la tecnología actual, HBK ha tenido que adaptar sus productos estándar.

 

Resultado
En colaboración con el ITER, HBK ha desarrollado a medida un amplificador MGCplus personalizado, galgas extensométricas y termopares, todo ello adaptado a las especificaciones de los ensayos, con la vista puesta en el futuro desarrollo de centrales de fusión nuclear.

ITER: un ambicioso proyecto de investigación e ingeniería

El ITER es un proyecto de colaboración en el que participan 35 países, para demostrar la viabilidad de la fusión nuclear como fuente de energía a gran escala sin emisiones de carbono. Esta fuente de energía tiene el mismo principio de funcionamiento que el sol y las estrellas. Mediante la aplicación de calor y presión, un combustible nuclear —hidrógeno gaseoso— se convierte en un plasma; es decir, un gas caliente y cargado eléctricamente. En esas condiciones, los elementos ligeros pueden fusionarse y desprender energía. 

El proyecto de ingeniería ITER es el primer experimento de fusión que producirá energía neta, o sea, se extraerá del plasma más energía de la que se introduce. A día de hoy y hasta que se termine de construir el ITER, el JET (Joint European Torus) es el mayor reactor de fusión del mundo. En 1997, generó mediante fusión nuclear una potencia de salida de 16 MW, aunque consumiendo 24 MW (relación Q = 0,67). El ITER será el puente entre los experimentos de fusión a pequeña escala y las centrales de fusión nuclear del futuro. El reactor de fusión experimental del ITER consumirá una potencia de calentamiento de 50 MW y generará una potencia de salida de fusión de 500 MW (Q = 10), con un balance de energía neta positivo.

El ITER está diseñado para conseguir un plasma de deuterio-tritio, susceptible de proporcionar más energía que los plasmas de fusión anteriores. Además, este plasma se mantendrá estable durante más tiempo. Dentro de la cámara de vacío se ensayará la regeneración de tritio, para demostrar las características de seguridad de un reactor de fusión. 

El ITER, en construcción desde 2010, ocupa un terreno de 42 hectáreas en el sur de Francia. Está previsto producir el primer plasma en 2025. Posteriormente, el proyecto ITER pondrá en marcha el reactor de fusión y funcionará con deuterio-tritio, allanando el camino hacia la construcción de las centrales de fusión del futuro.

HBK: un socio fiable para el ITER

En todo el mundo, miles de ingenieros y científicos colaboran en el proyecto ITER, realizando cálculos, simulaciones y planificando la construcción. No obstante, el ITER necesitaba un socio fiable capaz de hacer mediciones en la cámara de vacío, monitorizar parámetros importantes durante todo el experimento y validar los cálculos previstos.

Y lo encontró en HBK, que ha podido suministrar sensores, amplificadores y software. Además, gracias a su amplia experiencia, HBK no ha tenido dificultades para modificar sus productos estándar y crear una solución a medida, totalmente adaptada a los requisitos específicos del ITER que, a menudo, están en los límites de lo físicamente posible.

Sensores a medida

El ITER requería una solución de sensores a medida muy especial, para instalación en el exterior de la cámara de vacío del reactor. En esta cámara es donde se produce la reacción de fusión. La cámara consiste en un contenedor de acero herméticamente sellado, que funcionará a 100 °C. Previamente se calentará a 200 °C para garantizar un entorno limpio para el ultra alto vacío que se requiere para generar un plasma. Para trabajar en un entorno de estas características, los sensores deben cumplir una gran número de requisitos de envejecimiento térmico y compatibilidad electromagnética. Por supuesto, deben ser compatibles con las condiciones de ultra alto vacío, deben soportar la irradiación y su permeabilidad magnética debe ser baja.

Con el fin de adaptar los sensores a estos requisitos especiales, el ITER y HBK analizaron las soluciones más adecuadas y las pusieron a prueba mediante un procedimiento detallado de ensayos de calificación. HBK llegó incluso a desarrollar termopares a medida en colaboración con un proveedor externo y los incorporó al procedimiento de ensayos de calificación. Una vez que los sensores personalizados superaron la fase de calificación, empezaron a producirse en serie.

Una solución de amplificador a medida

El ITER necesitaba también una solución que garantice la máxima flexibilidad durante las mediciones con un alto número de canales. El amplificador MGCplus 

resultó ser la solución más correcta para las necesidades, ya que se encuentra disponible en una versión para rack de 19” con 16 tarjetas amplificadoras

En total, HBK suministró 36 amplificadores MGCplus con más de 920 canales, con la configuración especificada por el ITER. Debido a los estrictos requisitos de precisión y longitud del cableado, se seleccionó una combinación de ML30B y AP01i para los sensores de galgas extensométricas. Para las medidas con termopares, se eligió una combinación de ML801B y AP809, que ofrece 8 canales de medición por ranura. 

Debido al entorno electromagnético del edificio del tokamak en donde deben instalarse los amplificadores MGCplus, el ITER y HBK definieron conjuntamente un procedimiento de ensayo para llevar a cabo pruebas adicionales. Estas pruebas se realizaron en el laboratorio de EMC de HBK, en laboratorios externos de EMC en Alemania y en un laboratorio francés especializado en campos magnéticos de CC muy intensos. 

El MGCplus superó todas las pruebas de compatibilidad electromagnética con excelente calificación, excepto una: la prueba en presencia de campos magnéticos de CC muy intensos. Se evaluaron diferentes estrategias para cumplir los requisitos de esta última prueba y se eligió la que parecía más prometedora.

Como resultado, HBK creó una solución a medida perfectamente adaptada al ITER, que garantiza los requisitos de longevidad y fiabilidad. En el desarrollo de esta solución intervinieron también el ITER y un proveedor externo. Básicamente, se extrajo la fuente de alimentación y se instaló en un contenedor externo apantallado de hierro dulce. Tras esta modificación, se repitió la prueba del campo magnético y el MGCplus la superó sin dificultad.

El equipo de sistemas personalizados de HBK

En este proyecto del ITER participó el equipo de sistemas personalizados de HBK que trabaja en soluciones para sistemas con alto número de canales, soluciones de medición personalizadas y aplicaciones de software especiales. Gracias a la ayuda de este Equipo de sistemas personalizados, que proporcionó al ITER galgas extensométricas adaptadas, más el apoyo de una empresa externa que aportó los termopares, el ITER pudo focalizar sus esfuerzos en su propia aplicación y consiguió poner a punto una solución de medida perfecta dentro del plazo previsto.

El equipo de sistemas personalizados de HBK lideró el proyecto: se ocupó de toda la fase de cualificación, gestionó a los proveedores externos y al equipo de sensores a medida, e hizo las adaptaciones oportunas en el amplificador. HBK también supo reaccionar ante cambios repentinos en los requisitos y consiguió suministrar una solución totalmente a la altura de las expectativas sin ocasionar ningún retraso. Después de la entrega final, el servicio local de HBK dará soporte al ITER para instalar la solución de forma adecuada, para que las medidas puedan realizarse de forma rápida y fiable desde el primer instante.

Acerca del ITER

El ITER es un proyecto de demostración de la viabilidad científica y tecnológica de la energía de fusión y se convertirá en la mayor instalación experimental de fusión nuclear del mundo. La fusión nuclear se produce de manera natural en el sol y en las demás estrellas. Es un proceso consistente en fusionar núcleos atómicos ligeros para formar otros más pesados, liberando una gran cantidad de energía. La investigación sobre la fusión nuclear busca desarrollar una fuente de energía segura, abundante y respetuosa con el entorno.

El ITER es también una colaboración a escala mundial única en su género. Europa asume casi la mitad de los costes de su construcción, mientras que los otros seis miembros de esta empresa internacional conjunta (China, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y Estados Unidos) aportan el resto a partes iguales. El proyecto ITER se construye en la localidad de Saint-Paul-lès-Durance, en el sur de Francia.

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