La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, normalmente hidrógeno y sus isótopos deuterio y tritio, se unen para formar otro núcleo más pesado. Esta unión va acompañada con la emisión de partículas: en el caso del deuterio y tritio se emite un neutrón y un núcleo de helio. Esta reacción de fusión nuclear libera una gran cantidad de energía en forma de rayos gamma y también de energía cinética de las partículas emitidas.
Para que se lleve a cabo la fusión nuclear es necesario que la reacción tenga lugar a muy altas temperaturas, tales que no existe material capaz de soportarlas. De ahí que se tengan que desarrollar sistemas capaces de albergar estas reacciones y que soporte tales temperaturas, del orden de 100 millones de grados centígrados. Uno de estos sistemas es el confinamiento electromagnético, donde las partículas que forman el plasma quedan confinadas en una región del espacio gracias a campos magnéticos. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina Tokamak.
La presencia de inestabilidades magnetohidrodinámicas (MHD) puede conducir a una pérdida significativa de estos iones, reduciendo drásticamente la eficiencia del dispositivo de fusión y causando daño en los componentes de vasija del reactor. En palabras de una de las investigadoras participante en el estudio, María del Carmen Jiménez Ramos, "en los reactores de plasma de fusión, los iones rápidos generados por los sistemas de calentamiento y las partículas generadas durante la fusión deben estar bien confinadas".
El trabajo desarrollado por el Centro Nacional de Aceleradores (Universidad de Sevilla-Junta de Andalucía-CSIC), la Universidad de Sevilla (US) y el CIEMAT, ha estado enfocado a comprender el mecanismo de pérdida de iones rápidos. Para ello se han instalado detectores de iones basados en la emisión de luz por un material centelleador, en diversos laboratorios internacionales de fusión. En este trabajo se ha caracterizado el rendimiento absoluto (fotones/ion) y su degradación con la fluencia de iones para distintos materiales centelladores cuando se irradian con iones de interés en fusión (deuterio, protones y partículas alfa) a energías entre 575 keV y 3 MeV.
Modelo para predecir la ionoluminiscencia
Para estudiar la respuesta de estos detectores de iones rápidos se ha empleado un sistema de ionoluminiscencia, una nueva técnica que se ha empezado a implementar en el CNA que utiliza una fibra óptica y un espectrómetro de alta resolución para caracterizar la luz emitida por estos materiales.
A lo largo de esta investigación se ha encontrado que el rendimiento de fotones no sólo depende de la energía depositada en los materiales por los iones, sino de lo rápido que se produzca esta pérdida. Este modelo puede emplearse para predecir la respuesta de ionoluminiscencia de la muestra para otros iones y/o energías de interés.
El investigador del CNA participante en el estudio, Javier García, indica que "al comparar las distintas pantallas de centelleo analizados en este trabajo en términos de rendimiento de ionoluminiscencia absoluta, la degradación de la eficiencia y su tiempo de respuesta se concluye que el material denominado TG-Green es el más adecuado para su uso en Detectores de Pérdidas de Iones Rápidos para reactores de fusión".
