Detrás de escena de un experimento de fusión nuclear de 200 millones de dólares

Cómo los científicos e ingenieros fabrican piezas para un experimento de fusión nuclear en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton en Nueva Jersey.

El maquinista senior Joe Diamond está trabajando en las placas de transición de acero inoxidable que se instalarán dentro del recipiente de vacío y en la consola central. (Emma Lee/POR QUÉ)

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El maquinista Joe Diamond ha fabricado piezas para automóviles, trenes y submarinos nucleares, pero dijo que una placa de acero inoxidable es una de las cosas más difíciles que ha tenido que fabricar.

Lleva más de 50 años fabricando piezas para máquinas y ahora trabaja en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton. El laboratorio realiza experimentos sobre fusión nuclear, que los científicos han soñado con utilizar como fuente de energía en la Tierra durante más de medio siglo. Es lo que sucede en el centro del sol.

Parte de la dificultad es diseñar y construir el equipo para probar esto en la Tierra, dijo Stefan Gerhardt, uno de los físicos que dirige el proyecto.

"Es muy fácil diseñar algo que nadie en la tierra puede construir", dijo. "Entonces, todas estas ideas sofisticadas sobre física e ingeniería de diseño tienen que estar limitadas por lo que se puede hacer con dinero y tiempo finitos, por personas reales, con máquinas herramienta reales. Hay una tensión constante en mi negocio al evaluar... esa interacción Eso es tanto lo que lo hace interesante como lo que lo hace difícil".

La placa de acero inoxidable que debe fabricar Joe Diamond mide aproximadamente 10 pulgadas de largo, media pulgada de grosor y tiene forma de trapezoide. La parte complicada es que las placas están ahusadas y no tienen el mismo grosor en todo el recorrido. Diamond tiene que cortar una pieza de acero inoxidable y rasurar con cuidado el metal de un extremo, para que termine en el ángulo correcto.

Para imaginar este experimento de fusión de $ 200 millones, piense en una manzana de 15 pies de altura, hecha de metal. Cuando se enciende la máquina, el núcleo de la manzana contiene un gas que está tan caliente que iguala la temperatura en el centro del sol, más de 10 millones de grados centígrados. Eso convierte el gas en un estado de la materia completamente diferente, llamado plasma. El sol utiliza la gravedad para contener el plasma ultracaliente.

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En el experimento, el corazón de la manzana mira hacia el plasma y está revestido con placas de carbono planas. Esas baldosas pueden soportar el calor y transportarlo de forma segura al exterior.

Pero el problema es que el laboratorio no puede hacer una manzana de metal de manera que esas baldosas planas cubran perfectamente la superficie del corazón de la manzana. Para solucionar este problema, los científicos diseñaron las placas de acero inoxidable para ir en algún lugar entre el núcleo de la manzana y la cubierta exterior y ayudar a alinear las placas de carbono, que no pueden estar separadas por más de 0,01 pulgadas.

Porque si las placas de carbono no están alineadas correctamente, podrían calentarse demasiado, partes podrían caer en el plasma y el experimento no se calentará tanto como los científicos necesitan.

Una pila de quizás 10 de estas placas de acero inoxidable tomó casi un año para hacer, y los científicos hicieron algunos cambios, por lo que tomará más tiempo.

Las posibles consecuencias de hacer algo mal pueden ser graves. En 2016, el laboratorio acababa de terminar un programa de actualización de cuatro años, pero luego uno de los imanes utilizados para ayudar a sostener el plasma ultracaliente falló. El dispositivo estuvo apagado durante meses. El director del laboratorio en ese momento renunció después de una carrera de ocho años. Un artículo de Science lo llamó un golpe al laboratorio.

El físico Stefan Gerhardt dijo que trabajaron para asegurarse de que un error como ese no vuelva a ocurrir, y aumentaron sus ya altos estándares para las piezas.

Por ejemplo, dijo que cuando el laboratorio pidió a las empresas que hicieran más de estos imanes, el laboratorio probó los imanes cortándolos para verificar si tenían fallas ocultas, algo que nunca antes habían hecho con prototipos de imanes. El laboratorio también pidió a las empresas que fabrican los imanes que se aseguren de tener una sala limpia, libre de polvo u otro trabajo de metal que pueda contaminar los imanes que se están fabricando.

"Quieres asegurarte de que todos los trabajadores, si están tocando esto, tengan guantes puestos para que no les entre la grasa de las manos. Quieres asegurarte de que nadie entre aquí y marque con un lápiz o un Sharpie".

Una empresa en Francia fabricó algunos de los imanes. Para asegurarse de que la compañía siguiera las especificaciones del laboratorio, el laboratorio de Princeton envió personas a Francia en 2020 para ver cómo se fabricaban los imanes. Cuando comenzó la pandemia de COVID-19, el laboratorio se apresuró para que esas personas regresaran a los EE. UU.

El laboratorio aún está obteniendo piezas nuevas y colocándolas en la máquina para asegurarse de que todo encaje.

"Estos son... ensamblajes complejos. Es un reloj suizo muy grande que a veces nos gusta contarnos unos a otros", dijo Gerhardt.

Y requiere personas que sepan cómo coordinar este reloj suizo finamente afinado con cientos de maquinistas, ingenieros y científicos que trabajan en este único experimento, que tiene peligros potenciales relacionados con la radiación, la electricidad y los problemas mecánicos. Por ejemplo, Gerhardt dijo que uno de los gerentes de proyecto del equipo solía operar una planta de energía nuclear.

"Hay muchos sistemas que tienen que funcionar simultáneamente", dijo Gerhardt. "Entonces... una vez que está construido, se pone mucho énfasis en... llevar la calidad y la seguridad a las operaciones y asegurarse de que estos sistemas complejos funcionen juntos todos los días cuando los usuarios de la ciencia están presentes y quieren hacer algo de ciencia".

Ahora mismo, el objetivo es tener la máquina lista para encenderse en unos años. Luego, los científicos pueden usarlo para hacer experimentos y descubrir cómo controlar y trabajar con el plasma ultra caliente para algún día, tal vez, usarlo para generar grandes cantidades de energía. Mientras tanto, están diseñando, ensamblando y ajustando todos los componentes, una placa a la vez.

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