La energía de fusión necesita materiales capaces de trabajar en condiciones extremas de irradiación y temperatura. Para estudiar su comportamiento, la instalación IFMIF-DONES ensayará probetas de materiales estructurales dentro del High Flux Test Module o HFTM, donde estarán sometidas a altos flujos de neutrones.
El artículo Reliability-based probabilistic finite element analysis of nonlinear thermal conduction in IFMIF-DONES HFTM specimen capsules, publicado en Applied Thermal Engineering, constituye un avance de la tesis doctoral de J. Miguel Palomino.
El reto principal es garantizar que las probetas mantengan una temperatura controlada. En el HFTM, los requisitos térmicos son exigentes: las cápsulas deben operar entre 250 °C y 550 °C, según el compartimento, y los gradientes térmicos en el volumen útil de las probetas deben limitarse aproximadamente a ±3 %. Este control es esencial porque el daño por irradiación, la producción de gases y la evolución microestructural de los materiales dependen fuertemente de la temperatura.
Para abordar este problema, el trabajo desarrolla un modelo tridimensional no lineal de elementos finitos acoplado a simulaciones de Monte Carlo. En lugar de realizar un único cálculo con valores fijos, el modelo incorpora incertidumbres en parámetros clave: propiedades térmicas del Eurofer97 y del sodio líquido, conductividad del helio, eficiencia de los calentadores y coeficientes de transferencia de calor en las superficies refrigeradas. En total se consideran 15 variables aleatorias y se ejecutan 2000 simulaciones, lo que permite estimar probabilidades de fallo térmico y analizar la robustez del diseño.
El artículo propone tres métricas para evaluar el cumplimiento térmico: la desviación máxima respecto a la temperatura objetivo, el rango entre temperatura máxima y mínima, y una medida global de uniformidad térmica. Gracias a estas métricas, el diseño no se evalúa solo por su comportamiento medio, sino también por la posible aparición de zonas críticas.
Los resultados muestran que las incertidumbres no son despreciables: dependiendo del criterio considerado, la probabilidad de incumplir los requisitos térmicos se sitúa en el orden de 10 % a 30 %. El análisis de sensibilidad identifica como parámetros más influyentes la eficiencia de los calentadores, la conductividad del hueco de helio y la conductividad térmica del Eurofer97. Esta última resulta especialmente relevante, ya que su incertidumbre puede elevar la probabilidad de fallo del criterio de rango térmico hasta aproximadamente el 30 %.
Este trabajo refuerza una idea clave para el diseño de sistemas complejos: no basta con simular, también hay que cuantificar la confianza que podemos tener en la simulación. Desde el SES-Lab, este avance contribuye a integrar mecánica computacional, transferencia de calor no lineal, análisis probabilista y fiabilidad en uno de los grandes desafíos tecnológicos de la energía de fusión.
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