La energía de fusión nuclear se perfila como una de las soluciones más prometedoras para generar electricidad sostenible y limpia. El proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), actualmente en construcción en Cadarache (Francia), es el mayor experimento de fusión nuclear del mundo y busca demostrar la viabilidad científica y tecnológica de esta fuente de energía. Para lograrlo, los materiales que forman parte del reactor deben soportar condiciones extremas: temperaturas criogénicas, irradiación neutrónica, campos magnéticos intensos y ciclos térmicos.
Se seleccionaron materiales compuestos avanzados de matriz epoxi y fibra de vidrio para el aislamiento eléctrico del escudo térmico del reactor ITER, debido a su excelente comportamiento mecánico y propiedades dieléctricas en condiciones extremas. El compuesto estándar inicial no cumplía los requisitos tras irradiación, lo que llevó a buscar alternativas. Basándose en estudios de CERN, se evaluaron tres opciones: un material avanzado de alto coste (A), otro con fibras aleatorias y menor rendimiento (B), y una variante personalizada sin boro y fibras longitudinales que cumplía todos los requisitos (C). Este trabajo describe la colaboración entre ITER, CERN y Applus+ Laboratories para desarrollar y validar protocolos de ensayo criogénico (77 K) post-irradiación, resolviendo retos como el deslizamiento en las mordazas.
Los materiales del reactor ITER deben soportar entornos extremos: temperaturas criogénicas, irradiación neutrónica y campos electromagnéticos, manteniendo propiedades mecánicas y aislamiento eléctrico. Para reproducir estas condiciones en laboratorio, los ensayos requieren:
La irradiación neutrónica altera la matriz polimérica, aumentando la rigidez y reduciendo la ductilidad. Esto dificulta el agarre de las probetas, que son más propensas a fracturas o deslizamiento. Por ello, la metodología de ensayo debe adaptarse frente a materiales no irradiados.
La preparación de probetas fue crítica por la orientación de fibras y la calidad de los tacones (tabs), siguiendo la norma ASTM D3039. Cada material requirió una estrategia distinta:
Los ensayos iniciales se realizaron en criostatos del CERN, sumergiendo probeta y mordazas en nitrógeno líquido (77 K). Aunque las mordazas autoajustables funcionaron en la mayoría de casos, la fragilidad de las probetas irradiadas llevó al límite su capacidad: demasiada presión provocaba rotura, poca presión causaba deslizamiento.
El material C presentó el mayor problema por la fragilización de la matriz tras irradiación. El deslizamiento se agravó por la contracción térmica en nitrógeno líquido y la alta inversión en cada probeta (solo una por condición). Esto hizo necesario desarrollar un sistema alternativo de agarre que evitara el deslizamiento incluso en probetas muy frágiles.
Para resolver el deslizamiento en probetas irradiadas, Applus+ Laboratories desarrolló un sistema que mantiene la zona central de la probeta sumergida en nitrógeno líquido (77 K) mientras los extremos permanecen a temperatura ambiente, sujetos con mordazas hidráulicas convencionales. El diseño incluye una cámara flexible compatible con criogenia, alimentación continua de LN₂ y sensores para monitorizar la temperatura.
El sistema se adaptó a máquinas universales de ensayo, permitiendo alta presión de sujeción sin fugas de nitrógeno. Su diseño abierto facilita la instalación de sensores adicionales y reduce el consumo de LN₂ al enfriar solo la zona de interés.
Se emplearon dos configuraciones:
Las probetas se acondicionaron térmicamente para garantizar uniformidad a 77 K. Se verificó la temperatura con sensores distribuidos antes de aplicar carga controlada, ajustando la velocidad según el material. Durante el ensayo se monitorizaron carga, desplazamiento y temperatura en tiempo real. Tras la prueba, se realizó un análisis detallado del modo de fallo para validar los resultados.
La campaña de ensayos validó dos metodologías:
La combinación de ambos métodos permitió obtener datos fiables en condiciones criogénicas post-irradiación, superando los retos técnicos y optimizando el uso de material irradiado.
El sistema de contención criogénica localizada de Applus+ Laboratories representa una innovación clave: enfriar solo la zona de ensayo mientras se usan mordazas hidráulicas convencionales. Esto resolvió el conflicto entre alta presión de sujeción y fragilidad del material.
Los ensayos realizados evidenciaron que el sistema de agarre es un factor determinante en la validez de los resultados, especialmente en materiales irradiados y sometidos a temperaturas criogénicas. La irradiación modifica la rigidez y la ductilidad, lo que aumenta la fragilidad en las zonas de agarre y reduce la tolerancia a presiones elevadas. A esto se suma la contracción térmica en nitrógeno líquido, que altera el coeficiente de fricción y la interacción entre probeta, tacones y mordazas.
En este contexto, el diseño del agarre debe equilibrar dos requisitos opuestos:
La experiencia del proyecto demostró que los protocolos estándar no son suficientes para estas condiciones extremas. La solución desarrollada por Applus+ Laboratories —que combina enfriamiento localizado con mordazas hidráulicas convencionales— redefine el enfoque tradicional, ofreciendo mayor control y fiabilidad. Este aprendizaje subraya la necesidad de considerar el sistema de sujeción como parte integral del diseño experimental, y no como un elemento secundario.
Las metodologías desarrolladas pueden aplicarse en otros proyectos de fusión nuclear, reduciendo la dependencia de grandes instalaciones y acelerando la cualificación de materiales en condiciones extremas.
Este proyecto ha permitido avanzar significativamente en la caracterización de materiales compuestos irradiados para aplicaciones de fusión nuclear, enfrentando condiciones extremas que combinan criogenia, irradiación y alta exigencia mecánica. Entre los principales logros destacan:
Este trabajo demuestra la importancia de la colaboración tecnológica. La sinergia entre ITER, CERN y Applus+ Laboratories, junto con el apoyo de Fusion for Energy y Universidad Carlos III de Madrid, ha sido clave para superar retos que parecían insalvables. Las soluciones desarrolladas no solo contribuyen al avance del proyecto ITER, sino que abren nuevas posibilidades para democratizar el acceso a ensayos criogénicos especializados, acelerando la cualificación de materiales para la energía de fusión.
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