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La NIF lleva energía estelar al planeta

07-11-2013 | Reglaje
The National Ignition Facility (NIF) at California's Lawrence Livermore National Laboratory.
La NIF (National Ignition Facility) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California.

Este sitio se podría denominar "fábrica", pero nunca antes se ha visto una planta como esta.

El proceso de "fabricación" aquí se basa en "disparos" de energía láser que se enfocan en un objetivo del tamaño de un BB.

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

Aquí, en la NIF (National Ignition Facility)en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California, los científicos trabajan para crear reacciones de fusión nuclear que desencadenen más energía que los láseres introducidos: la definición de "ignición". Es el primer paso de un proceso que algún día podría producir "energía estelar", energía limpia por fusión nuclear, para el planeta.

Cada láser del sistema integral junta 192 rayos láser separados provenientes de distintas direcciones en un 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 precisión máxima. Si pudiera colocarse en el montículo del lanzador en San Francisco y lanzar un strike al Dodger Stadium en Los Ángeles, a 350 millas de distancia, sería así de preciso.

Se requiere 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 alta del mundo y el instrumento óptico más grande jamás construido, una combinación de 7.500 componentes ópticos grandes (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 grandes nunca antes diseñados para una máquina científica, un sistema que incluye más de 60.000 puntos de control y 850 ordenadores. El éxito depende de unos 6.000 instrumentos, válvulas, sensores de presión, temperatura y humedad y transmisores, cada uno 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, recurriremos á energía será la energía de fusión
"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, recurriremos á energía será la energía de fusión".

"Lo equivalente a lo que hacemos aquí es una cuenta atrás de la NASA para el lanzamiento de un transbordador", mencionó Travis Averill, director del Programa de Calibración. "Si las cosas no se mantienen y calibran, entonces, no serán fiables y reproducibles. Esto hace que la calibración sea esencial, desde el destornillador dinamométrico de onzas-pulgadas más pequeño que ensambla los componentes ópticos a los osciloscopios que calculan los rendimientos extraordinarios de neutrones. Si no calibramos nuestros dos pisos de equipo de climatización, nos encontraremos con temperaturas fuera de especificación. Cambiará la manera en que los rayos láser pasan a través del gas y no dará en el punto exacto al que trata de alcanzar".

¿Cómo es que los técnicos gestionan una instalación tan grande y compleja? "Usamos interfaces gráficas de usuario (GUI) en la sala de control principal, que es 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 en 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 a través de la red de control de 24 V CC en las pantallas de la GUI. Así que Averill realiza calibraciones de "bucle integrado" en las lecturas que aparecen en las pantallas, no en las salidas de los sensores y transmisores remotos. "Siempre calibramos las lecturas de la pantalla de la GUI, para eliminar todos y cada uno de los errores que podamos. Tengo mucha fe en las calibraciones de bucle integrado", mencionó.

Para calibrar un sensor de temperatura, por ejemplo, Averill conectará su pozo de metrología en terreno Fluke 9142-P, equipado con un estándar de referencia interno Fluke 5608, combinado con un calibrador de procesos documentador Fluke 754 con soporte HART. Ajusta el pozo de metrología para generar una temperatura específica de prueba (digamos 60, 70 u 80 grados F [15,6, 21,1 o 26,7 grados C]) y después introduce 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 a más de 0,10 grados F en la configuración de pozo seco. Una lectura de 56,10 grados podría cumplir con los estándares establecidos, pero con 56,11 grados estaría fuera de tolerancia.

"Si la información comprobada al principio cumple con las especificaciones, no la ajustaríamos", mencionó Averill. "Si estuviera fuera de lo tolerable, la primera acción que realizaríamos sería una comprobación del bucle. 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 supervisamos la señal de 4 a 20 mA. Le diré al transmisor que genere lo que crea que es de 4 mA y mediremos el resultado. Al mismo tiempo, espero que la GUI marque 56,00 grados", dijo Averill.

"Mi medición de mA generalmente se enlaza al 754, ya que este realiza infinidad de funciones. Por eso es genial. Puedo utilizarlo 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. Tomaré esa salida de mA y la enlazaré con mi calibrador 754, y efectivamente tomaré medida de ella. De manera que cuento con una salida analógica visualizada variable del proceso, que es lo que piensa que transmite, y así 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. Requiere 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, además de una bomba manual portátil que produce presión de prueba.

Algo superior

Travis Averill y Mark Jensen en un punto de prueba. Para mantener el rendimiento de la precisión, cada punto de prueba está programado para su comprobación y calibración.
Travis Averill y Mark Jensen en un punto de prueba. Para mantener el rendimiento de la precisión, cada punto de prueba está programado para su comprobación y calibración.

Averill adquirió sus habilidades para la calibración tras partar de la marina de EE. UU. durante cinco años, donde calibraba productos de aviónica en aviones de caza FA-18 Hornet. Después, trabajó durante dos años para un proveedor tercero de calibración y formaba parte principalmente de los campos biomédico y farmacéutico.

"El trabajo que desempeño ahora cubre la necesidad de hacer algo mayor a mi persona, 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, recurriremos a la energía de fusión".

Antes de que Averill llegara, mucha 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 a los disparos", dijo Averill. "De lo que se trata es de 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", comentó. "Convertirá en obsoleto un baño de líquido en todos los sentidos para aplicaciones de laboratorio y de campo. Lo que gaste en ello, lo ahorrará en tiempo tras pocos usos, garantizado". Se realizaron mejoras exhaustivas en materia de control y precisión mediante el pozo de metrología para uso sobre el terreno Fluke 9142-P

El Fluke 9142-P es un calibrador industrial de bucle de temperatura diseñado para realizar calibraciones de transmisores de bucle, calibraciones de comparación o comprobaciones sencillas de sensores de termopares. Pesa menos de 18 lb (8,2 kg) y se alcanzan los puntos de referencia de temperatura más rápido, a la vez que ofrece estabilidad, uniformidad y precisión.

"Podemos establecer puntos de temperatura y retirarnos, ya que mantiene registros en las 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 porque se pueden utilizar dos a la vez de manera sencilla. Si aún trabajara sobre el terreno, es posible que solicitara tres para alternar, únicamente para optimizar el proceso".

Formación del equipo de trabajo

La realización de la calibración en la NIF implica dos equipos de técnicos de mantenimiento: los que trabajan en instalaciones convencionales y los que se centran en sistemas de servicios públicos con recorrido de rayo, 40 en total.

"La mayoría de las veces trabajan en conjunto, de manera que todos tienen oportunidad de compartir su conocimiento y experiencia en las tareas de mantenimiento y calibración", dijo Averill. "Hacer esto ha llevado nuestra excelencia técnica hasta cotas muy elevadas".

Además de utilizar los instrumentos de calibración adecuados, 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 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 junto a los técnicos diciéndoles textualmente qué hacer y qué buscar si algo no está bien".

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

No hay tiempo que perder. El objetivo de lograr la fusión nuclear va con retraso en 2012, así que Averill y el resto del personal de la NIF, muchos de ellos ingenieros nucleares de la marina de EE. UU., saben que no hay tiempo que perder.

"Esto se ha ido creando durante 50 años", dijo Averill, "y estamos a menos de un año. Se siente la atmósfera de emoción".

Vídeo: Acciones para llevar energía estelar al planeta