La NIF lleva energía estelar al planeta

07-11-2013 | Controles
La NIF (National Ignition Facility) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California.
La NIF (National Ignition Facility) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California.

Se le podría denominar fábrica a este sitio, pero nunca antes se ha visto una planta como esta. El proceso de "fabricación" en este sitio se basa en "disparos" de energía láser que se enfocan en un objetivo del tamaño de un bebé.

El proceso de "fabricación" en este sitio se basa en "disparos" de energía láser que se enfocan en un objetivo del tamaño de un bebé.

El producto: una reacción nuclear seis veces más caliente que el núcleo del sol… y una mayor comprensión de las reacciones de fusión que algún día podrían liberar al planeta de la dependencia de combustibles fósiles, cada vez más escasos.

Aquí, en la NIF (National Ignition Facility),en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California, los científicos se encuentran trabajando para crear reacciones de fusión nuclear que desencadenan más energía que sus láseres introducidos. La definición de "encendido". Es el primer paso dentro de un proceso que podría llevar algún día "energía estelar", energía limpia por fusión nuclear al planeta.

Cada láser de sistema integral junta 192 rayos láser separados, provenientes de distintas direcciones en una ráfaga de milmillonésimas de segundo para calentar y comprimir el pequeño objetivo de tritio y deuterio. Estos 192 rayos, hasta 1.8 millones de julios de energía ultravioleta, se deben enfocar con máxima precisión. La precisión que se debe tener es comparable con la que habría que tener para pararse en el montículo del lanzador en San Francisco y lanzar un strike hacia el Dodger Stadium en Los Ángeles, a 350 millas de distancia.

Se necesita de mucha infraestructura y equipo para efectuar cada disparo de prueba. El principal edificio de la NIF cuenta con diez pisos y funciona las 24 horas del día, los siete días de la semana. Alberga el láser de energía más potente del mundo y el instrumento óptico más grande jamás construido, una combinación de 7500 componentes ópticos de gran tamaño (tamaño de medidor) y más de 26 000 componentes ópticos pequeños. Los disparos de encendido generan radiación, de manera que gestionar la seguridad radiológica es un punto fundamental.

Todo esto se lleva a cabo mediante uno de los sistemas automatizados de control más grande nunca antes diseñado para una máquina científica, un sistema que incluye más de 60 000 puntos de control y 850 computadoras. El éxito depende de alrededor de 6000 instrumentos, válvulas, sensores de presión, temperatura y humedad, y transmisores, cada uno de los cuales se rastrea de forma individual en la base de datos de la NIF. Todo debe estar calibrado.

Un mundo de energía y precisión

"Dentro de 10, 20, o 30 años, cuando los combustibles fósiles se agoten y el planeta necesite energía con una capacidad mayor que la actual, lo que nos dará energía será la energía de fusión" src=
"Dentro de 10, 20, o 30 años, cuando los combustibles fósiles se agoten y el planeta necesite energía con una capacidad mayor que la actual, lo que nos dará energía será la energía de fusión"

"Lo único que se asemeja a lo que hacemos aquí es un conteo regresivo de la NASA para el lanzamiento de un transbordador", mencionó Travis Averill, director del Programa de Calibración de la NIF. "Si no se realizara mantenimiento ni calibración, las piezas no serían confiables ni reproducibles. Esto hace que la calibración sea esencial, incluyendo el destornillador dinamométrico más pequeño de onzas-pulgadas que ensambla los componentes ópticos en los osciloscopios que calculan los rendimientos extraordinarios de neutrones. Si no calibráramos nuestros dos pisos de equipo de climatización, se obtendría una excursión de temperatura fuera de las especificaciones. Cambiaría la manera en que los rayos láser pasan a través del gas y no daría en el punto exacto al que trata de alcanzar".

¿Cómo es que los técnicos manejan una instalación tan grande y compleja? "Usamos interfaces gráficas de usuario (GUI) en la sala de control principal, que es en donde se lleva a cabo la mayoría de la supervisión en nuestra instalación", dijo Averill. "Esto nos da lecturas y control dinámicos en tiempo real para casi todo".

La clave es asegurarse de que los cientos de componentes y sensores en red que mandan señales a la sala de control proporcionen lecturas precisas mediante la red de control de 24 V de CC en las pantallas de la GUI. Así que Averill realiza calibraciones de "lazo integrado" en las lecturas que aparecen en las pantallas, no en las salidas que se encuentran en los sensores y transmisores remotos. "Siempre calibramos las lecturas de la pantalla de la GUI, a modo de eliminar todos los errores que podamos. Soy un gran creyente de las calibraciones de lazo integrado", mencionó.

Para calibrar un sensor de temperatura, por ejemplo, Averill conectará su pozo de metrología de campo Fluke 9142-P, equipado con un estándar de referencia interno Fluke 5608, combinado con un calibrador con documentación de procesos Fluke 754 con soporte HART. Ajustará el pozo de metrología para generar una temperatura específica de prueba (digamos 60, 70 u 80 grados farenheit [15.6, 21.1 o 26.7 grados centígrados) y después introducir el componente o sensor de temperatura. Una vez que se estabiliza la temperatura, se comunica con la sala de control para comprobar la lectura de la GUI. El objetivo es una lectura en la sala de control que no varíe más de 0.10 grados F (0.38 grados C) de la configuración del pozo seco. Una lectura de 56.10 grados (13.38 ºC) podría cumplir con los estándares establecidos, pero con 56.11 grados (13.39 ºC) estaría fuera de tolerancia.

"Si la información cumple con las especificaciones, no la ajustamos", mencionó Averill. "Si estuviera fuera de lo tolerable, la primera acción que realizaríamos sería una comprobación del lazo. Nos conectamos al comunicador HART 754 y entramos en contacto con el transmisor y, de hecho, nos vinculamos a la corriente. Nos conectaremos en serie y supervisaremos la señal de 4-20 mA. Le diré al transmisor que genere lo que crea que es de 4 mA y mediremos el resultado. Al mismo tiempo, esperaré que la GUI marque 56.00 grados (13.33 ºC)", dijo Averill.

"Mi medición de mA generalmente se enlaza al 754, ya que este realiza una infinidad de funciones. Por eso es genial. Puedo usarlo para entrar en contacto con mis comunicadores HART y también para medir la señal de mA, que debería ser una lectura en este caso de 56 grados (13.33 ºC). Tomaré esa salida de 4 mA y la enlazaré a mi calibrador 754, y efectivamente tomaré una medida de ella. De manera que cuento con la visualización de una salida analógica variable de proceso, que es lo que se piensa que transmite, y tengo una salida real medida de mA. Mediante la realización de esta prueba, calibro realmente la función de la salida del transmisor y me aseguro de que se encuentre dentro de las especificaciones. De esta forma, se matan dos pájaros de un tiro. Toma menos tiempo hacerlo con menos conexiones".

Si la salida del transmisor se desvía, Averill ajustará la salida (los transmisores HART que están en uso son programables) para que las lecturas en la GUI coincidan con la temperatura que capta el sensor. El proceso para la calibración de la presión es similar. Averill usa de nuevo los calibradores con documentación de procesos Fluke 754 o 744, junto con el calibrador eléctrico de presión portátil Fluke 719 y, además, una bomba manual portátil que genera presión de prueba.

Algo superior

"In 10, 20, or 30 years, when fossil fuels are depleted and the world is needing energy at a capacity much higher than today, fusion energy will be what powers us."
Travis Averill and Mark Jensen at a test point. To maintain precision performance, every test point is on a schedule to be tested and calibrated.

Averill adquirió sus habilidades para la calibración cuando formó parte de la Marina de EE. UU. durante cinco años, en donde calibraba productos de aviónica en aviones de caza FA-18 Hornet. Después, trabajó durante dos años para un proveedor de calibración, desempeñándose principalmente dentro de los campos biomédico y farmacéutico.

"El trabajo que desempeño ahora satisface la necesidad de hacer algo que me trascienda, que es lo que me dejó la Infantería de Marina de Estados Unidos", dijo. "Dentro de 10, 20, o 30 años, cuando los combustibles fósiles se agoten y el planeta necesite energía con una capacidad mayor que la actual, lo que nos dará energía será la energía de fusión".

Antes de que Averill llegara, gran parte de la calibración de la NIF se realizaba en laboratorios locales independientes. Hoy en día se realiza más trabajo a nivel interno y esto ayuda a que la NIF se mantenga según lo programado, por lo que se realizan disparos diariamente y algunas veces de manera más frecuente. "Una de las cosas más difíciles es realizar la calibración y al mismo tiempo permanecer en funcionamiento sin afectar los disparos", dijo Averill. "Lo que paga las cuentas aquí es realizar disparos y llegar a la meta de la fusión".

Averill ha confiado plenamente en los instrumentos de Fluke (ver recuadro) desde sus días en la Infantería de Marina. Además, cuenta con algunas ideas para ofrecer a otros profesionales de la calibración.

Para calibrar sensores de temperatura: "compre un pozo de metrología o dos", mencionó. "Convertirá en obsoleto a un baño de líquido en todos los sentidos para aplicaciones de laboratorio y de campo. Lo que gaste en ello, lo ahorrará en tiempo después de los primeros usos, garantizado". Mejoras significativas en el control y la precisión con el uso del pozo de metrología de campo Fluke 9142-P

El Fluke 9142-P es un calibrador industrial de lazo de temperatura diseñado para realizar calibraciones de transmisores de lazo, calibraciones de comparación o comprobaciones sencillas de sensores de termopares. Con un peso menor a las 18 lbs (8.2 kg), alcanza los puntos de referencia de temperatura más rápido, a la vez que ofrece estabilidad, uniformidad y precisión.

"Podemos establecer los puntos de temperatura y retirarnos, y tener el registro en nuestras pantallas de la GUI. Podemos regresar 45 minutos después, realizar ajustes de ser necesario, y el único tiempo activo que tendremos será el que pasamos instalando y desinstalando los transmisores. Compré otro más porque se pueden usar dos al mismo tiempo de forma muy sencilla. Si aún estuviera en campo, es posible que quisiera tres para alternarlos, únicamente con el fin de optimizar el proceso".

Capacitación del equipo de trabajo

La realización de la calibración en la NIF involucra dos equipos de técnicos de mantenimiento: aquellos que trabajan en instalaciones convencionales y otros que se centran en los sistemas de servicios al recorrido del haz de luz, 40 en total.

"La mayoría de las veces trabajan en conjunto, de manera que todos tienen una oportunidad para compartir su conocimiento y experiencia en las tareas de mantenimiento y calibración", dijo Averill. "Hacer esto ha llevado nuestra excelencia técnica hacia algunos de los niveles más altos que haya visto jamás".

Además de usar las herramientas de calibración adecuadas, Averill mencionó que una clave para alcanzar el éxito es asegurar que los miembros del equipo entiendan por qué son necesarias ciertas pruebas y cómo llevarlas a cabo. Ha escrito más de 50 procedimientos de calibración que están para ayudar a otros.

"El momento en que los técnicos empiezan a perderse es cuando siguen a ciegas procedimientos que no entienden", mencionó. "Uno de los principales trucos que puedo ofrecer es escribir los procedimientos con vista y oídos técnicos, como si estuviera ahí parado juntos a los técnicos diciéndoles textualmente qué hacer y qué buscar si algo no está bien".

Si se encuentran problemas, el equipo de mantenimiento puede consultar los documentos del análisis modal de fallos y efectos (FMEA) escritos con anticipación para que no se tengan que descifrar todos los problemas en tiempo real. Están disponibles repuestos para varias piezas del equipo, de manera que el funcionamiento se puede restablecer rápidamente.

No hay tiempo que perder. El objetivo de lograr la fusión nuclear está retrasado para el 2012, así que Averill y el resto del personal de la NIF, muchos de ellos antiguos ingenieros nucleares de la Marina de EE. UU., saben que no hay tiempo que perder.

"Esto se ha ido gestionando por 50 años", dijo Averill. "Y estamos a menos de un año. Se siente el ambiente de emoción en este lugar".

Video: Acciones para llevar energía estelar al planeta