ENERGÍA DE FUSIÓN NUCLEAR

(1)

www.conama9.org

AE-COFIS. Energías de Futuro. Organizada por el Colegio Oficial de Físicos.

ENERGÍA DE FUSIÓN NUCLEAR

Joaquín Sánchez

Laboratorio Nacional de Fusión

CIEMAT

(2)

Joaquín Sánchez

Laboratorio Nacional de Fusión por Confinamiento Magnético

CIEMAT

Fusión Nuclear

una solución al problema de la energía

Joaquín Sánchez

Laboratorio Nacional de Fusión CIEMAT

Energía de Fusión

Nuclear

(3)

Energía

La población mundial consume 12.000 GW (2.300 w/persona) Consumo desigual:

OCDE 6000 W/persona (1100 M) Resto 1500 W/persona (5000 M)

Se espera un crecimiento de al menos 50% para 2030

80% de la energía: combustibles fósiles

(4)

25%

(IEA World Energy Outlook 2006)

80% energía : combustibles fósiles

• Garantía de suministro, precio

Problemas:

• Contaminación

• Emisión de CO2

(5)

Central Eléctrica 1000 MWe

Carbón Carbón

2.500.000 Toneladas 2.500.000 Toneladas

Petróleo

Petróleo 10 superpetroleros 10 superpetroleros

Fisión

Fisión Un vagón Un vagón 28 toneladas 28 toneladas

Fusión Fusión

1000 Kgs.

Furgoneta Furgoneta

250 trenes

100 vagones cada uno 250 trenes

100 vagones cada uno

11.000.000 Barriles

(6)

Fisión-Fusión

Protón Neutrón

Fisión

Energía

Deuterio Tritio

Helio

Neutròn

Fusión

Energía

(7)

1 D ² + ₁ T ³ → ₂ He ⁴ + ₀ n ¹ + 17.6 MeV

¾¾¾¾¾¾ 1 D ² + ₁ T ³ → ₂ He ⁴ + ₀ n ¹ + 17.6 MeV

Reacciones posibles

1 D ² + ₁ D ² → ₁ T ³ + ₁ H ¹ + 4.03 MeV

1 D ² + ₁ D ² → ₂ He ³ + ₀ n ¹ + 3.27 MeV

1 D ² + ₂ He ³ → ₂ He ⁴ + ₁ H ¹ + 18.3 MeV

(8)

Planta de Fusión

T

4He

Plasma D T

Li T He

DT, He DT

4He 4He Helio

(cenizas no-radioactivas)

Intercamb. calor

Generador de vapor

Turbina Generator de electricidad

Linea de Transmisión

Litio Deuterio

Extracción Energía

Procesado del combustible Escudo biológico

Cámara Vacío

Lithio

Manto fertil Primera pared

Combustibles básicos

n

4He

1 D ² + ₁ T ³ → ₂ He ⁴ (3.6 MeV) + ₀ n ¹ (14 MeV)

Litio

(9)

Planta de Fusión

T

4He

Plasma D T

Li T He

DT, He DT

4He 4He Helio

Generador de vapor

Cámara Vacío

Lithio

n

4He

El “combustible”:

• Deuterio: del agua del mar: 0.33 mg/litro (Tritio) : se obtiene in-situ a partir del Litio mediante la reacción:

Li ₆ + n → He ₄ + T ₃ (+4.8 MeV)

• Litio: de sales marinas o minas de sal Abundante y distribuido por todo el planeta

- El litio de la batería de un portátil: energía que consume un europeo durante 20-30 años

- Reservas estimadas para >10.000.000 años a 15000 GW

(10)

Planta de Fusión

T

4He

Plasma D T

Li T He

DT, He DT

4He 4He Helio

Generador de vapor

Cámara Vacío

Lithio

n

4He

las “emisiones”:

Helio: Inocuo para las personas y el medio ambiente.

• Cantidades mínimas (6000 T/año para 15 TW vs / 10 ¹⁰ T CO ₂ )

• No se acumula

• Valioso para la industria

(11)

Planta de Fusión

T

4He

Plasma D T

Li T He

DT, He DT

4He 4He Helio

Generador de vapor

Cámara Vacío

Lithio

n

4He

El problema

Litio

(12)

Planta de Fusión

T

4He

Plasma D T

Li T He

DT, He DT

4He 4He Helio

Generador de vapor

Cámara Vacío

Lithio

n

4He

Seguridad intrínseca

• La reacción se extingue tan pronto como el sistema se sale del “punto óptimo”

• No hay almacenamiento de Tritio

Litio

(13)

Barrera Culombiana

Tritio + Deuterio

+

Fuerzas Repulsivas Eléctricas de Largo Alcance Fuerzas Nucleares de Corto Alcance

+ +

(14)

Plasma de Fusión

T

4He

Plasma D T

Li T He

DT, He DT

4He 4He Helio

Generador de vapor

Cámara Vacío

Lithio

n

4He

Nucleos D – T han de colisionar a alta

velocidad

E =15-20keV

Accesible mediante aceleradores, pero no rentable.

Solución:

Plasma con partículas a 15 keV:

Temperatura del plasma:

170.000.000 ºC

(15)

Plasma de Fusión

“Recipiente inmaterial”

Confinamiento magnético Temperatura del plasma:

170.000.000 ºC

Tokamak

(16)

ASDEX upgrade Tokamak Plasma Max-Planck Institute für Plasmaphysik

IPP-Euratom Association, Garching, Germany

(17)

Historia de la Fusion

Invención Laser 1960

Nature Nuckolls

1972 LMJ (Francia)

NIF (USA) 2010 Confinamiento

Inercial

Concepto Stellarator L. Spitzer

1951

Concepto Tokamak

A. Sakharov- L. A. Artsimovich 1950-65

JET 1983-

ITER 2018

LHD (Japon) WVII-X (Alemania)

TJ-II (España) 1998

Confinamiento Magnético Hans Bethe

30's Hans Bethe

30's

Explosiones termonucleares

1952-53

A. Sakharov-E. Teller Explosiones

termonucleares 1952-53

A. Sakharov-E. Teller Proyecto

Manhattan 1942 Proyecto Manhattan

1942

(18)

¿Cuarenta años para la Fusión?

T3: ~1 m

³

, ~ 3 M ºC

Primer “tokamak” (1969)

JET: ~100 m

³

, ~ 300 M ºC

16 MW de fusión, ganancia 0.6 (1997) Para confinar un gas a 300 MºC se

necesita:

• Campo magnético (<10T)

• Tamaño ^{(1000 m}

³

^para

alcanzar ignición)

(19)

Tokamak JET

(U.E.)

(20)

Progreso

(21)

ITER: el próximo paso

Coste: 5000 M€ ( del año 2000) Construcción: 2007-16

Socios:

Europa Japón China Rusia EEUU Corea S India

Objetivos:

Demostrar la viabilidad científica de la fusión

Ganancia energética Q Q>10 durante 500 s

Q> 5 durante 1500 s Tests tecnológicos

(materiales, módulo

generador de tritio...)

(22)

Toroidal Field Coil

Nb₃Sn, 18, wedged

Central Solenoid

Nb₃Sn, 6 modules

Poloidal Field Coil

Nb-Ti, 6

Vacuum Vessel

9 sectors

Port Plug

heating/current drive, test blankets limiters/RH

diagnostics

Cryostat

24 m high x 28 m dia.

Blanket

440 modules

Torus

Cryopumps,

⁸

Major plasma radius 6.2 m Plasma Volume: 840 m

³

Typical Temperature: 20 keV Fusion Power: 500 MW

Machine mass: 23350 t (cryostat + VV + magnets)

- shielding, divertor and manifolds: 7945 t + 1060 port plugs - magnet systems: 10150 t; cryostat: 820 t

Divertor

54 cassettes

(23)

CENTRAL SOLENOID MODEL COIL

REMOTE MAINTENANCE OF DIVERTOR CASSETTE

Attachment Tolerance ± 2 mm DIVERTOR CASSETTE Heat Flux 20 MW/m²

Height 4 m Width 3 m B_max=7.8 T

4 t Blanket Sector

Attachment Tolerance ±0.25 mm HIP Joining Tech

Size : 1.6 m x 0.93 m x 0.35 m

REMOTE MAINTENANCE OF BLANKET BLANKET MODULE VACUUM VESSEL SECTOR

I+D previa: 2001

TOROIDAL FIELD MODEL COIL Radius 3.5 m

Height 2.8m B_max=13 T 0.6 T/sec

Double-Wall, Tolerance ± 5 mm

(24)

Airbus 380: 10

⁶

componentes CATIA

ITER: 10

⁷

componentes

(25)

(26)

Obra civil

cerca del 15%

del coste del

proyecto

(27)

(28)

Artistic view

TOKAMAK building CEA-Cadarache

(29)

Aerial view

TOKAMAK location CEA-Cadarache

(30)

Solo 10%

gestionado por el DG de ITER

90% son

aportaciones de los socios en especie

ITER: experimento científico y

político

(31)

(32)

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

ITER IO LICENSE TO CONSTRUCT

TOKAMAK ASSEMBLY STARTS

FIRST PLASMA

Bid Contract

EXCAVATE

TOKAMAK BUILDING

OTHER BUILDINGS

TOKAMAK ASSEMBLY

COMMISSIONING MAGNET

VESSEL

Bid Vendor’s Design

Bid

Install cryostat

First sector Complete VV

Complete blanket/divertor

PFC Install CS

First sector Last sector

Last CS Last TFC

CS PFC TFC fabrication start Contract

Contract

2016

Construction License Process

(33)

ITER demostrará la viabilidad de la Fusión pero aún faltará:

-Física: estado estacionario

optimización del campo B (coste)

reactores 2ª generación: “stellarators”

-Tecnología Materiales

Autosuficiencia en Tritio Disponibilidad (24x7)

Mantenibilidad

(34)

Alternativas:

CFCs, Tungsteno, “mechas” de Litio líquido

Tecnología (I) Materiales: Carga térmica

(35)

Materiales: Daño por irradiación

Molecular dynamics calculation of displacement damage due to neutron impact.

Candidatos (material estructural):

•Aceros martensiticos “EUROFER”

•Vanadio

•SiC/SiC

Activación

Daño estructural (dpa´s)

Burbujas de He /H

(36)

Joaquín Sánchez. CIEMAT Fusión Nuclear CONAMA_2008

10

^-3

10

^-2

10

^-1

10

⁰

10

¹

10

²

10

³

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

^-7

10

^-6

1x10

^-5

1x10

^-4

10

^-3

10

^-2

10

^-1

10

⁰

10

¹

10

²

10

³

10

⁴

10

⁵

Remote Recycling Level

Hands-on Level Low Level Waste

Medium Level Waste High Level Waste

MANET-II OPTIFER EUROFER-97 F82H-mod EUROFER ref.

FE

Surface Gamma Dose Rate [Sv/h]

Time after Irradiation [y]

Long term irradiation (12.5 MWa/m²) of a

DEMO reactor first wall

Objetivo:

baja activación

Materiales reciclables después de

<100 años

(37)

La fuente de neutrones de 14 MeV:

IFMIF

Fuente de Iones RFQ

Sistema para el Transporte del Haz a Alta Energía

Circuito del Li Modulos del Blanco

y de Irradiación

Laboratorios

40 m

Previsto 2015, presupuesto 1000 M€ (pendiente acuerdo internacional)

(38)

Tecnología (II)

Manto reproductor de Tritio (“breeding blanket”)

Es necesario cerrar el ciclo: ganancia ~ 1.2

Li/Pb, cerámicas de Li D

T

Multiplicador neutrónico (Be) Suministro

exterior continuado Aportación

inicial Refrigerante: He

(39)

Tareas del “Blanket”

• Reproducir Tritio

• frenar los neutrones de14 MeV

• Extraer energía (5 MW/m ² )

• Evitar permeación de T

(40)

Tecnología (III)

• RAM

•Mantenimiento remoto

•Fiabilidad de un sistema muy complejo

• Tecnologías “convencionales”

•Intercambiadores He/agua

•Conservación del He

• Superconductores de alta temp.

• Optimización del precio kW.h

(41)

La hoja de ruta hacia el reactor comercial

ITER

IFMIF

DEMO

(42)

¿ se puede acelerar ?

Aunque las inversiones en Fusión son modestas en términos del gasto mundial en energía son muy elevadas para los presupuestos públicos de investigación.

La investigación progresa reduciendo al máximo la posibilidad de fracasos en cada paso.

COSTE

RIESGO

Tecnológico

TIEMPO

(43)

¿ se puede acelerar ?

Aunque las inversiones en Fusión son modestas en términos del gasto mundial en energía son muy elevadas para los presupuestos públicos de investigación.

La investigación progresa reduciendo al máximo la posibilidad de fracasos en cada paso.

COSTE (ITER ~ consumo mundial de energía de un día)

RIESGO

Tecnológico

TIEMPO

(44)

(45)

Fusión en España:

CIEMAT

Se forma un grupo de investigación en 1975

El tokamak TJ-I comienza operación en 1983

El Torsatron TJ-IU fue construido en CIEMAT y posteriormente cedido a la Universidad de Kiel en 1999 (ahora TJK)

TJ-II (1998)

El Stellarator TJ-II comienza operación en 1998 (Grupo de 120 personas)

Laboratorio de materiales

CIEMAT: referencia europea

en materiales aislantes

(46)

Estrategia española

JET

1983 ITER DEMO

Conceptos Alternativos

Tecnología

(47)

TOKAMAK

Campo poloidal es producido por la corriente inducida en el Plasma

•Ingeniería más sencilla

•Mejor transporte de energía y partículas

•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

•Transporte mayor (?)

•Tamaños menores

•Factor 30 detrás de los tokamaks Ventajas: operación estacionaria, no disrupciones

Candidato óptimo para el reactor comercial

STELLARATOR

(48)

Stellarators en el mundo:

NCSX NCSX

TJ-II TJ-II

Wendelstein 7-AS Wendelstein 7-AS

Wendelstein 7-X Wendelstein 7-X

L-2 L-2 TJK TJK

LHD

CHS Heliotron-J

CHSQ

LHD

CHS Heliotron-J

CHSQ

H-1 H-1 HSX HSX

CAT CAT

QPS QPS

(49)

TJ-II

Bobinas de campo Vertical

Bobina Toroidal

Cámara de vacío

Bobina Central

Plasma

4.6 m

(50)

Implicar al sistema nacional de I+D

Implicar a la

Industria INSTALACION SINGULAR TJ-II

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Alemania Francia

Reino Unido EEUU

Italia Holanda

Rep Ch eca

Austria Finlandia

Suiza Rusia

Litua nia

Belgica

2006 2004-05 2000-03

k€

Contratos ( x1000 €) Industriales ganados en concurso abierto europeo: proyectos JET & ITER.

80% adjudicado a empresas que empezaron en fusión con el TJ-II

Agencia del ITER en Barcelona

LABORATORIO DE MATERIALES

(51)

Instalación singular TJ-II

(52)

(53)

(54)

(55)

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(59)

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(70)

ENERGÍA DE FUSIÓN NUCLEAR

AE-COFIS. Energías de Futuro. Organizada por el Colegio Oficial de Físicos.

ENERGÍA DE FUSIÓN NUCLEAR

Joaquín Sánchez

Laboratorio Nacional de Fusión

CIEMAT

Joaquín Sánchez

Laboratorio Nacional de Fusión por Confinamiento Magnético

CIEMAT

Fusión Nuclear

una solución al problema de la energía

Joaquín Sánchez

Laboratorio Nacional de Fusión CIEMAT

Energía de Fusión

Nuclear

Energía

La población mundial consume 12.000 GW (2.300 w/persona) Consumo desigual:

OCDE 6000 W/persona (1100 M) Resto 1500 W/persona (5000 M)

Se espera un crecimiento de al menos 50% para 2030

80% de la energía: combustibles fósiles

25%

80% energía : combustibles fósiles

• Garantía de suministro, precio

Problemas:

• Contaminación

• Emisión de CO2

Central Eléctrica 1000 MWe

Carbón Carbón

2.500.000 Toneladas 2.500.000 Toneladas

Petróleo

Petróleo 10 superpetroleros 10 superpetroleros

Fisión

Fisión Un vagón Un vagón 28 toneladas 28 toneladas

Fusión Fusión

1000 Kgs.

1000 Kgs.

Furgoneta Furgoneta

250 trenes

100 vagones cada uno 250 trenes

100 vagones cada uno

11.000.000 Barriles

11.000.000 Barriles

Fisión-Fusión

Fisión

Energía

Fusión

Energía

1 D 2 + 1 T 3 → 2 He 4 + 0 n 1 + 17.6 MeV

¾¾¾¾¾¾ 1 D 2 + 1 T 3 → 2 He 4 + 0 n 1 + 17.6 MeV

Reacciones posibles

1 D 2 + 1 D 2 → 1 T 3 + 1 H 1 + 4.03 MeV

1 D 2 + 1 D 2 → 2 He 3 + 0 n 1 + 3.27 MeV

1 D 2 + 2 He 3 → 2 He 4 + 1 H 1 + 18.3 MeV

Planta de Fusión

Plasma D T

1 D 2 + 1 T 3 → 2 He 4 (3.6 MeV) + 0 n 1 (14 MeV)

Planta de Fusión

Plasma D T

El “combustible”:

• Deuterio: del agua del mar: 0.33 mg/litro (Tritio) : se obtiene in-situ a partir del Litio mediante la reacción:

Li 6 + n → He 4 + T 3 (+4.8 MeV)

• Litio: de sales marinas o minas de sal Abundante y distribuido por todo el planeta

- El litio de la batería de un portátil: energía que consume un europeo durante 20-30 años

- Reservas estimadas para >10.000.000 años a 15000 GW

Planta de Fusión

Plasma D T

las “emisiones”:

Helio: Inocuo para las personas y el medio ambiente.

• Cantidades mínimas (6000 T/año para 15 TW vs / 10 10 T CO 2 )

• No se acumula

• Valioso para la industria

Planta de Fusión

Plasma D T

El problema

Planta de Fusión

Plasma D T

Seguridad intrínseca

• La reacción se extingue tan pronto como el sistema se sale del “punto óptimo”

• No hay almacenamiento de Tritio

Barrera Culombiana

1 D ² + ₁ T ³ → ₂ He ⁴ + ₀ n ¹ + 17.6 MeV

¾¾¾¾¾¾ 1 D ² + ₁ T ³ → ₂ He ⁴ + ₀ n ¹ + 17.6 MeV

1 D ² + ₁ D ² → ₁ T ³ + ₁ H ¹ + 4.03 MeV

1 D ² + ₁ D ² → ₂ He ³ + ₀ n ¹ + 3.27 MeV

1 D ² + ₂ He ³ → ₂ He ⁴ + ₁ H ¹ + 18.3 MeV

1 D ² + ₁ T ³ → ₂ He ⁴ (3.6 MeV) + ₀ n ¹ (14 MeV)

Li ₆ + n → He ₄ + T ₃ (+4.8 MeV)

• Cantidades mínimas (6000 T/año para 15 TW vs / 10 ¹⁰ T CO ₂ )

• Tamaño ^{(1000 m}

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