OLMAT

OLMAT (Optimización de Blancos Avanzados de Metal Líquido en inglés) es un dispositivo de alto flujo de calor (HHF) para exponer diferentes tipos de armaduras a cargas de calor y partículas similares a las esperadas en un futuro reactor nuclear de fusión como DEMO.

Figura 1. Esquema de la instalación OLMAT.

Irradiación


OLMAT puede irradiar muestras con dos tipos de haces, consulte la Figura 1.

NBI
Se utiliza un inyector de haces neutros (NBI) del stellarator TJ-II para irradiar muestras en una cámara separada en condiciones de alto vacío. Tiene una potencia máxima de haz de 705 kW (con 33% de iones), energía de H+: 30-40 keV; Flujo de H+: 1,45·1022 1/m2s. De esta forma se consiguen flujos de calor relevantes para estado estacionario y transitorios lentos, de 8±2 a 40±15 MW/m2, en pulsos de hasta 180 ms cada 30-120 s (dependiendo de la potencia). Una de sus principales ventajas es el tamaño del haz, de 20 cm de diámetro, que permite irradiar objetivos grandes o múltiples muestras pequeñas. Se desarrolla un plasma frío frente al blanco que se ha utilizado para estudios de física del plasma: Te: ~2eV; ne: 1018 m-3.

Láser continuo CW
El láser CW de alta energía es una incorporación única. Permite la simulación de flujos de calor continuos de 10 MW/m2 en un área de decenas de mm2, estado estacionario en DEMO, y áreas más pequeñas, de pocos mm2, para transitorios lentos (decenas de MW/m2). Al mismo tiempo, en modo pulsado de ms, puede simular perfectamente transitorios rápidos y potentes, como disrupciones de 1 GW/m2 en un área de unos pocos mm2. También puede simular transitorios rápidos y suaves como ELMs mitigados (decenas de MW/m2 de hasta 2 kHz de frecuencia) en áreas muy grandes, cientos de mm2.

Diagnósticos
Además, la instalación está equipada con una amplia gama de diagnósticos para analizar la respuesta térmica de los objetivos (termopares, pirometría infrarroja y termografía IR con resolución de 1 ms) y para monitorear fenómenos de física atómica/plasma (cámara rápida, espectroscopia óptica y sondas Langmuir). De esta manera, OLMAT combina la investigación puramente tecnológica de materiales con la investigación de fenómenos físicos como la protección de vapor, la pulverización térmica, la formación de cráteres durante la ablación con láser, la formación y caracterización de columnas de plasma y la detección de impurezas frente a los blancos estudiados.

Muestras
En OLMAT se pueden analizar muestras sólidas o líquidas a base de metales (como CPS, Sistema de Capilares Porosos en inglés). De hecho, el equipo de OLMAT es un referente mundial en estudios de metales líquidos, y la instalación fue diseñada específicamente para su uso. Las muestras o blancos  podrán exponerse de tres formas en OLMAT:

  1. Manipulador: portamuestras con capacidades de calentamiento, polarización, traslación y rotación, como se puede ver en la Figura 2. Pueden ser expuestos blancos de CPS, o un grupo de muestras más pequeñas, de hasta 70 mm de diámetro. Es posible calentar hasta 550 ºC mediante un calentador resistivo que permite su uso para estudios de metales líquidos.
  2. Portamuestras enfriado activamente: portamuestras fijo en el absorbedor del haz refrigerado como se puede observar en la Figura 1. Permite la exposición de un gran número de muestras al mismo tiempo aprovechando el haz NBI de 20 cm de diámetro, siendo óptimo para estudios de fatiga térmica. Debido al perfil bigaussiano del haz NBI, pueden exponerse muestras del mismo material a diferentes densidades de potencia.
  3. Libre: el amplio haz NBI permite una gran exposición de prototipos cuando se inserta en la parte inferior con su propia refrigeración.
Figura 2. Manipulador de OLMAT con un CPS formado por Sn líquido embebido en una matriz de W poroso por impresión 3D.

Publicaciones

  1. D. Alegre, E. Oyarzabal, D. Tafalla, M. Liniers, A. Soleto, F.L. Tabarés, Design and Testing of Advanced Liquid Metal Targets for DEMO Divertor: The OLMAT Project, J Fusion Energy 39 (2020) 411–420.
  2. F.L. Tabarés, E. Oyarzabal, D. Alegre, D. Tafalla, K.J. McCarthy, A. de Castro, E. Ascasíbar, A. Soleto, I. Fernández-Berceruelo, R. Carrasco, F. Martin, J.A. Sebastián, J. Gómez-Manchón, A. Pereira, A. de la Peña, Commissioning and first results of the OLMAT facility, Fusion Engineering and Design 187 (2023) 113373.
  3. E. Oyarzabal, F.L. Tabarés, M. Liniers, D. Alegre, D. Tafalla, K.J. McCarthy, A. de Castro, T.W. Morgan, J.G.A. Scholte, M. Iafrati, E. de la Cal, I. Voldimer, E. Ascasíbar, A. Soleto, Comparative study of different Sn wetted W CPSs exposed to NBI fluxes in the OLMAT facility, Fusion Engineering and Design 190 (2023) 113711.
  4. A. de Castro, E. Oyarzábal, D. Alegre, D. Tafalla, M. González, K.J. McCarthy, J.G.A. Scholte, T.W. Morgan, F.L. Tabarés, the OLMAT team, Physics and Technology Research for Liquid-Metal Divertor Development, Focused on a Tin-Capillary Porous System Solution, at the OLMAT High Heat-Flux Facility, J Fusion Energ 42 (2023) 45.
  5. D. Alegre, D. Tafalla, A. De Castro, M. González, J.G. Manchón, F.L. Tabarés, T. Hernández, M. Wirtz, J.W. Coenen, Y. Mao, E. Oyarzábal, First thermal fatigue studies of tungsten armor for DEMO and ITER at the OLMAT High Heat Flux facility, Nuclear Materials and Energy 38 (2024) 101615.