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18 Junio 2007 J.M. Perlado / Instituto Fusión Nuclear - Universidad Politécnica de Madrid / UIMP Santander

Proyección de la

Fusión Nuclear: Fusión Nuclear:

una Energía de Futurouna Energía de FuturoJosé Manuel Perlado Martín

Director/ Instituto Fusión Nuclear (DENIM)

E. T. S. I. I / Universidad Politécnica de Madrid (UPM)[email protected]

Encuentro: Energía Nuclear para el siglo XXI

UIMP Santander 18-19 Julio2007


Tamaño en átomos en metros

NUCLEO

NUCLEO

ATOMO

Estructura de la materia:

LA ENERGÍA DEL NÚCLEOLA ENERGÍA DEL NÚCLEO

¡¡Qué minúsculo y tanta

ENERGIA CONTENIDA!!


FUSION

E = mc2

Energía CINETICA de los productos de la Reacción

………………

LO APROVECHABLE


Hablamos de la FUSION TERMONUCLEAR porque es una Fuente de Energía de una

ENORME DENSIDAD DE ENERGIA


En el agua del mar hay un átomo de deuterio por cada 6500 de hidrógeno, en números redondos, por lo que en 1 m3 se contabilizan 1025 átomos de deuterio, aislables por el procedimiento de producción de agua pesada más subsiguiente electrolisis.

El total de energía extraíble de 1 m3 de agua a través de fusión sería de 8x1012 J lo que equivale a algo menos de 200 toneladas de petróleo.

El contenido total de agua de mar es de unos 1,5x109 km3, lo cual daría un potencial energético del deuterio total cifrable en 1,2x101,2x103131 J.J.

Y hablamos de Fusión Nuclear por

RECURSOS : INAGOTABLES


Si ahora Si ahora hicieramoshicieramos una sencilla operación una sencilla operación de dividir esa magnitud por la demanda de dividir esa magnitud por la demanda TOTAL de Energía TOTAL de Energía PrimariaPrimaria de la de la Humanidad en estos momentos nos Humanidad en estos momentos nos saldrían cifras de duración de saldrían cifras de duración de ----------32.000 millones de años.32.000 millones de años.

REBAJEMOS y REBAJEMOS y…………..Esta cifra es inconmensurable para las expectativas reales del planeta, cuya habitabilidad será del orden de 1000 millones de años.

Y hablamos de Fusión Nuclear por RECURSOS : INAGOTABLES


Con relación al tritio que debe ser generado por no existir en la naturaleza,

se produce mediante la captura de un neutrón de los mismos generados en la reacción de fusión por los dos isótopos del LITIO (LiLITIO (Li66, Li, Li77).).

Ahora LITIO se encuentra en la corteza terrestre en 20 partes por millón, y en el agua del mar en 0.17 partes por millón. Su potencialidad energética (en su producción de tritio se puede estimar en 14.1 x 103

kWh / tonelada, lo que supone al ritmo de consumo del año 2000 de varios MILLONES DE AÑOSvarios MILLONES DE AÑOS

Y hablamos de Fusión Nuclear por RECURSOS : INAGOTABLES


RADIACTIVIDAD

Tiempo después de la parada en segundos

Intrínsecamente NO GENERACION de RESIDUOS !!!!!!!!!!!!

Solo………

RESIDUOS generados por Activación Neutrónica = CONTROL; científicamente controlable por ELECCION de MATERIALES

Y hablamos de FUSION NUCLEAR

Fusión cada vez mejor elección de materiales


NUCLEOS: cargados positivamente.....Coulomb..

¡¡¡¡¡¡Se repelen !!!!!

Fusión: su realización es un reto formidableFusión: su realización es un reto formidable

FUSION ……pero

SABEMOS HACERLA ????

SI


TemperaturaTemperatura, , keVkeV

Probabilidad Probabilidad de que se de que se produzcan produzcan reaccionesreacciones

y 1 y 1 eVeV eses equivalenteequivalente a 11605 Ka 11605 K

MillonesMillonesde de gradosgrados

La La másmás

eficienteeficiente !!!!

CALENTARCALENTAR A LA MATERIAA LA MATERIA

SI

CALENTAR SI


ESTADOS

DE LA

MATERIA

Sólido Líquido Gas Plasma

Plasma

común en el

Universo

Es un fluido .... Se escapa......CONFINARCONFINAR


Conocemos como métodos métodos para lograr la fusión …


FUSIÓN NUCLEAR POR CONFINAMIENTO MAGNÉTICO

Movimientoaleatorio

Movimientoordenado

Mantener confinadas las partículas cargadas un tiempo suficiente como para que nos compense con las reacciones de fusión nuclear que se generen en le mismo la energía que consumo en confinarlas y “calentarlas”


Inyección de neutros

Neutralizador:Intercambio de carga

Deflector de iones

Fuentes de iones

MECANISMOS DE CALENTAMIENTO:

- Frec. Cicl. IONICA (10-30 MHz)- Frec. HIBRIDA (1-10 GHz)- Frec. Cicl. ELECTRONICA (10-30 GHz)

Klystron, girotron...

AntenaHíbrida

Iónica


Fusión por confinamiento inercial


La máquina actual =Tokamak Campo poloidal es producido por

la corriente inducida en el Plasma

•Ingeniería más sencilla

•Mayores tamaños

•Mas cerca de alcanzar “ignición”

•ITER es un Tokamak

Pero: operación pulsada, disrupciones


Progresos en la F. C. MagnéticoPotencia de Fusión

PLT Princeton Large TokamakPDX Princeton Divertor ExperimentJET Joint European TorusDIII & DIII-D General Atomics Tokamak Experiments

TFTR Princeton Plasma Physics LaboratoryALCATOR C Massachusetts Institute of TechnologyITER International Thermonuclear Experiment ReactorJT-60U Japanese Tokamak Experiment

1970 1980 1990 2000 2010

MWterm

kWterm

Wterm

1000

100

10

1000

100

101000

100

10

1

TFTR

ITER

ALCATOR C

PLT

PDX

JET

TFTR

DIIIDIII-D

JT-60U

JET/TFTR

Conseguido DD

Conseguido DT

Proyectado DT


Progreso en el triple producto nτT

Tokamaks

Q= Pfusión/Pexterna

Q=1 “breakeven” 1022m-3 s MºKQ>> “ignición” 6x 1022m-3 s MºK

Progreso comparativo

40 años de investigación en fusión

Confinamiento Magnético


10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

NIFNIF

Ignición

Phebus

Fusión Confinamiento Inercial: PROGRESOS


Máquinas ÉXITO JET

– Radio Toroide 3.1m

– Cámara de Vacío 3.96m alta x 2.4m ancha

– Volumen plasma80m3 – 100m3

– Corriente Plasmahasta 6MA

– Campo magnético hasta 4 Tesla


Estrategia Europea y … otros

JET1983

ITER DEMO

Conceptos Alternativos

Tecnología


1992-1998 ITER• Finalización primer diseño de ITER: grande y caro.• Los socios ITER (Euratom, Japón, RF, USA) aprueban el diseño pero

no encuentran los fondos necesarios para construirlo.1999• Estados Unidos se retira del Proyecto. • El resto de los socios reducen los objetivos del Proyecto y su coste.2001• El objetivo se consigue con un nuevo diseño que es aprobado por

todos.• Canadá ofrece un emplazamiento y entra como socio.• Se produce el inicio formal de las negociaciones para la construccion

y operación de ITER. 2002• Francia, Japón y España ofrecen formalmente emplazamientos.2003• Estados Unidos, China y Corea se incorporan al Proyecto ITER• Decisión Europea de proponer la candidatura de emplazamiento

en Francia200528.06.2005: acuerdo de los seis socios para construir ITER en

Cadarache


ITER: el próximopaso

Coste: 4500 M€ / Construcción: 2006-15Acuerdo de los seis socios para sede en Cadarache (Francia)

Socios:Europa Japón EEUU Rusia China S.Corea India Brasil

Objetivos:Demostrar la viabilidad científica de la fusión•Q > 10 durante 500 s, posible ignición (Q>30)•Q> 5 durante 1500 s•Flujo

neutrones:0.5Mw/m2

•Flujo integrado:0.3MW.año/m2

•Tests tecnológicos (materiales, manto generador de tritio...)

IGNICION y GANANCIA


ITER

Divertor

Solenoide Central

Estructura externa

interbobinas

Bobina Campo Toroidal

Bobina Campo Poloidal

Soportes gravitatorios

Modulo Manto Fértil

Cámara de Vacío

Criostato

Cierre de Puerta(Caentamiento IC)

Criobomba

Parámetro ITER R (m) 6.2 a (m) 2 BT (T) 5.3 IP (MA) 15

Pfusion (MW) 500 Fluxneutrons (MW/m2) 0.5

Q 10 Coste < 4 G€


ITER: 4-5 miles de millones de Euros


Desafíos Tecnológicos• El tamaño de las bobinas

superconductoras y estructuras no tiene precedente.

• Sist. remotos de mantenimiento.• Flujos de calor extremadamente

elevados en los componentes de primera pared.

• Materiales bajo irradiaciónneutrónica.

• Sistemas de calentamiento de plasmas


FUSION CONFINAMIENTO INERCIAL: LASERES QUE HAN HECHO CAMINO


Ligne d’Integration Laser (LIL) / CEA-CESTA Burdeos con operación del Institute Laser Plasma (ILP) y que se convertirá en una instalación PetaWatt (PW) con una inversión de la Región de Aquitaine de 45 M€ (APROBADO)

AHORA…YA…..FUNCIONANDO LIL


¡¡¡¡¡ Real !!!!!, camino de FIREX


Láser de Nd Cristal con Energía de 1.8 MJ en 3w (=0.35 μm) con 192 haces y que dará una ganancia energética de 30 como máximo (E por fusión/E de iluminación del blanco por el láser)


Los 192 haces son transportados hasta la cámara en 48 grupos de 4 haces cada uno (conocido cada grupo con el nombre de “quad”)

Comienzo de los Experimentos

Primer “quad”6 “quad” / iluminación plana sobre DD.

10 “quad” / iluminación indirecta por una cara

12 “quad” / iluminaciónindirecta poruna cara

4 “quad” / iluminación plana

Simetría de 4 anillos

Simetría de 4 anillos / Iluminacióncónica pordos caras

Simetría de 8 anillos / Iluminación cónicapor dos caras

Más haces/

Mejor simetría

IGNICION

2009/2010H

aces

Dis

poni

bles

Año

NIF

National

Ignition

Facility

(LLNL)


National IGNITION Facility(NIF)


Laser MegaJoule (LMJ)


Futuro Confinamiento Magnético-Operación de ITER (2016-2035)

- Programa de Acompañamiento de ITER (“Broader Approach): EUROPA Y JAPON ………adelante !!!!!

FUNDAMENTAL JT60S

SupercomputaciónIFMIF (Comportamiento de Materiales)

Materiales Avanzados (SiC / Compuestos = LAM)- Construcción de la instalación para irradiación de materiales IFMIF (2008-2012)- Diseño de DEMO (ignición + tecnología): 2020. NOVEDADES

- Primer reactor comercial en 2040-50…………..


Fuente de Iones

Cuadrupolos Aceleradores por RadioFrecuencia (RFQ)

Transporte del Haz de alta energía

Blanco de Li

Circuito del Li

Instalaciones Post Irradiación

Módulos de Experimentación / Celdas de Muestras

Celdas Superiores

Celdas Inferiores

Haz Iones

Tanque

LiBlanco

Li

Figura 16

International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF)

Europe + Japan

Acompañamiento ITER: Medio Plazo

FUNDAMENTAL e IMEDIATO


Futuro Confinamiento MagnéticoCOMENCEMOS A HABLAR DE DEMO !!!!!!!!!!!!

SET PLAN

REVISEMOS LAS INSTALACIONES DE FUSIONThe FP7 Euratom Specific Programme requires carrying out, at an early stage, a review of the facilities[1] in the programme. The purpose of the review will be to provide a basis for the decisions which will ensure that the programme will maintain an adequate set of fusion facilities to fulfil the medium and long term objectives of the programme. It will examine the possibility of phasing out existing facilities and consider the need for new devices in parallel to ITER and the Broader Approach. This exercise should also be seen in the context of the preparation of the Strategic Energy Technology Plan (SETP).For the purpose of this review, “facility” is taken to mean any device or installation including high performance computers, built and operated for the purpose of fusion R&D, and funded through the fusion programme.


Tokamak-Stellarator STELLARATOR

Campo poloidal es producido por la corriente inducida en el Plasma

•Ingeniería más sencilla•Mayores tamaños•Mas cerca de alcanzar “ignición”•ITER es un Tokamak

Pero: operación pulsada, disrupciones

Campo poloidal es producido por corrientes externas al Plasma

•Ingeniería mas compleja•Tamaños menores•Factor 30 detrás de los tokamaks

Ventajas: operación estacionaria, no disrupcionesCandidato óptimo para el reactor comercial

TOKAMAK

Alternativos


Los pasos después de ITERFísica:• Operación en estado estacionario• Operación a alta presión (define el aprovechamiento del campo B y afecta a la economía del reactor)•Sistemas de calentamiento del plasma

Tecnología:• Programa de materiales:- Flujos de energía de 10 MW/m2

- Materiales que soporten hasta 30 dpa, con periodos de activación<100 añosExisten candidatos (acero “Eurofer: CrWTaV”, SiC) pero han de ser cualificados con irradiaciones similares en un espectro de neutrones de fusión:

• Programa de desarrollo de manto extractor de calor y generador de tritio

Construcción del reactor de demostración DEMO (2025?)Resolverá los problemas de operación estacionaria, materiales avanzados,

mantenimiento y conexión a la red eléctrica

Construcción de la InternationalFusion Materials IrradiationFacility (IFMIF): 1000 M€


Reproductor: Li Pb; Refrigerante Envoltura/Divertor: LiPb+He / He

Estructura Envoltura/Divertor: EUROFER/W aleación

La inclusión del SiC permitirá una mayor velocidad del LiPb

Desarrollos “post ITER”: Envoltura Reproductora (“Breeder blanket”)

Model C

TAURUS


Solenoide central

Pared reproductora

Bobina Magnética ToroidalBobina Magnética Poloidal

Mantenimiento

Generación de Corrientey Calentamiento del Plasma

Producción de

electricidad

Divertor

Recuperacióndel calor producido en la Pared

Separación isotópica

Combustible PRIMARIO Desechos

D+T+ impurezas

Esquema de una Planta para obtención de energía mediante FM y PROGRESO FUTURO


La participación de la INDUSTRIA en ITER en el Programa de Acompañamiento de ITER (Broader Approach) y en el diseño y comienzo de localización de los desafíos tecnológiCos para un DEMO ó Reactor Comercial YA son

IMPRESCINDIBLES

Las Plataformas TECNOLOGICAS críticas pero ………….. Abiertas !!!!!!!!!!!!!!


Fusión Inercial por

Ignición Rápida


Kodama et al., Nature 412 (2001) 798 802


EUROPEAN PRPOSAL

to ESFRI PROGRAM May 2007

PreparatoryPhase


Visto el Balance de Energía en la Fusión Inercial ….Las condiciones requeridas para una generación óptima de Energía por cualquiera de los métodos estudiados:

Eficiencia del Haz de Iluminación = 5-10 %

Absorción de Energía de la fuente de iluminación por la cápsula combustible

> 70 %

Implosión lo más isentrópica posible (Fermi)

Uniformidad de la iluminación en el blanco y un balance de deposición de energía entre los haces de iluminación (directa) de ≈1%

Fabricación de la cápsula con una uniformidad de ≤ 5 x 10-3, con una razón de aspecto inicial paraeliminar las instabilidades hidrodinámicas de ≈ 30

Ignición central ó Rapido y Quemado del combustible de ≈30 %


Láser ELECTRA de Excímeros de KrF (Naval Research Laboratory)

Mejorando la eficiencia del Haz Láser (estamos hablando del rango del 5-10 %) y su capacidad de repetición (frecuencia)

400 -700 J

Anterior

NIKE

2-3 kJ

No repetición

Disparos

aislados

Láser para Reactor


Láser MERCURY en LLNL de ESTADO SÓLIDO EXCITADO mediante LASERES DE DIODOS

100 J, 10 100 J, 10 HzHz, 10 , 10 nsns, 3w, 3w

Láser para Reactor


Planta de Potencia de Z-pinch

SANDIA N.L. (USA)Energía por disparo unos pocos GJpocos GJ pero

con frecuencia de 0.1 0.1 HzHz


IAEA Coordinated Research Project

Approved (2006-2010)

from IAEA


Resumen• Sí podemos hablar de la Fusión Nuclear como

fuente de energía que sabemos hacer y cumple los requisitos en un Sistema de Alta Densidad de Energía donde otras fuentes cumplan su seguro papel en otra dimensión de Planta.

• Hemos llegado a empezar a construir y operar máquinas de Ingeniería que demuestran la Ganancia de Energía.

• Tenemos que ir al DEMOSTRADOR y COMERCIAL …. Pero esa tecnología se debe de comenzar ahora … y por supuesto el conocimiento de la física que la avala = YA

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