Campos magnéticosnun stellarator

Confinamento magnético O plasma, formado por ións de hidróxeno concarga eléctrica positiva (protóns) e electrónscon carga negativa, cofínase nunha cámarade forma toroidal, alonxado das paredesmediante intensos campos magnéticos. Estemodo de alcanzar a fusión, chamado “confina-mento magnético”, baséase no fenómeno físicopolo cal as partículas cargadas que constitúeno plasma orbitan a redor das liñas do campomagnético. Se o campo magnético é forte deabondo e as liñas do campo magnético formansuperficies pechadas, os ións e electrónsfican atrapados nestas superficies magnéticasata que colisionan con outra partícula.Principalmente, dous tipos de máquinas baséansenesta idea: os tokamaks e os stellarators.Existen outras configuracións magnéticascomo as estriccións de campo invertido(“reversed field pinch”) e os tokamaks esféricos.Ata o de agora, os tokamaks son os que mellorresultado teñen dado. Para conseguir reaccións abondo de fusión nundispositivo de confinamento magnético, é precisoquentar o plasma mediante microondas oufeixes de partículas ata alcanzar a temperaturacorrecta. Unha vez que o proceso de fusióncomeza xérase unha gran cantidade dos productosda fusión, núcleos de helio e neutróns.

Plasma en ignición Un dos productos das reaccións de fusiónD-T, os núcleos de helio (partículas alfa),absorben o 20% (3,5 MeV) da enerxía defusión liberada en forma de enerxía cinética.Como están cargadas eléctricamente, as par-

tículas alfa fréanse no plasma confinado porcampos magnéticos e poden transferir a súaenerxía ao combustible de deuterio e tritio.Este “auto-quecemento”, que só ten lugaren dispositivos suficientemente grandes, per-mite que se alcance a temperatura requeridapara a fusión cunha pequena aportación deenerxía externa ou mesmo sen ela. Neste úl-timo caso dise que o plasma está en ignición.Ademais dos núcleos de helio, cada reacciónde fusión produce un neutrón que transporta o80% (14 MeV) da enerxía de fusión liberada.Os neutrones no están confinados por camposmagnéticos e pasan directamente ao “manto” que cubre as paredes do toroide, onde a súa e-enerxía é absorbida. Nunha central de fusión, un sistema de refrixeración absorberá a calordo manto.. Do mesmo xeito que nunha central convencional, este refrixerante pode utilizarsepara xerar vapor, ao través de intercambiadores,mover as turbinas e así producir electricidade.

Fusión inercial A fusión nuclear tamén pode alcanzarse naTerra mediante o denominado “confinamentoinercial”. Neste método, unha pastilla dunspoucos milímetros de diámetro, rechea con combustible de deuterio e tritio, ilumínasesimultaneamente con moitos feixes de láseresde alta potencia ou feixes atómicos. A ablaciónda superficie das pastillas provoca a compresióndo resto, ata tal punto que se produce un grannúmero de reaccións de fusión na zona central.O principal desafío da fusión inercial é lograrunha iluminación uniforme e suficientementepotente cunha alta frecuencia de repetición:nun reactor de fusión típico deberíanse quentar e queimar a redor de 10 ó 20 pastillaspor segundo.

EFDA

Campos magnéticos nun tokamak

Unha opciónA fusión é unha das tibles para o futuro dafeito, a fusión ofrece seguro e compatible nistro de combustibleUnha vez desenvolvidaxogar un importante

eléctrica de base xuntotamén satisfan estes

Fitos importantesA investigación en fusiónúltimas décadas en todo o volvéronse rápidamente a planearon xa os primeiros e tritio. En 1991 logrouseas primeiras reaccións liberando una potencia detante fito para a fusióne operado por físicos e

Torus), cerca de Oxfordde fusión de ata 10 MW o éxito do JET aumentoupor riba dos 10 MW nuns

O seguinte pasoEstes resultados, xunto co mundo, permitiron o dessarias para planificar “oEste proxecto, un tokamakducción de centenares deplificación de potencia”(opotencia do quecementoplasmas pretos da igniciónqueridas para unha centralloxías precisas para conve

PrimeiroInstituto (Federac

Bobina de CampoPoloidal

Bobina de CampoToroidal

Corrente do PlasmaLiña de Campo Magnético

Plasma

DIII - D

JET

Unha imaxe compostaJET, mostrando o

enerxética sostible poucas opciónss enerxéticas sos- humanidade a longo prazo. De a perspectiva dun funcionamiento co medio ambiente, así como un sumi- seguro e amplamente dispoñible.

ten o potencial necesario para papel na producción de enerxía con outras fontes enerxéticas que importantes requisitos.

Laboratorios de F en fusión

experimentou un progreso enorme nas mundo. Os experimentos con tokamaks desen- principios dos 70, cando seos experimentos con deuterio por primeira vez na Terra controladas de fusión D-T

de fusión de 1,7 MW. Este impor- logrouse nun tokamak construído enxeñeiros de toda Europa, el JET (Joint European Reino Unido). En 1994 produciuse unha potencia no tokamak estadounidense TFTR. En 1997 cando se consiguiron potencias de fusión por

poucos segundos, cun máximo de 16 MW.

outros dos diferentes tokamaks de todo oenvolvemento das bases técnicas e científicas nece- seguinte paso” cun alto grao de confianza. denominado ITER, ten como obxectivo a pro- megavatios de enerxía de fusión e unha “am- cociente entre a potencia de fusión xerada e a externo do plasma) maior de 10. Producirá aunque por debaixo das condicións re- eléctrica de fusión e integrará todas as tecno- vertir a fusión nunha fonte de enerxía viable.

Unha fonte de enerxía sen CO2A reducción das emisións de gases que producen o efecto invernadoiro é un problemaurxente para evitar o gran dano medioambiental causado polo aumento global da tem-peratura, a subida do nivel do mar, o cambio na distribución das precipitacións, etc.Os acordos do Protocolo de Kyoto son só o primeiro paso. Una contribución importantepara evitar o cambio climático debe vir do desenvolvemento e implementación de tec-loxías enerxéticas con emisións de gases de efecto invernadoiro case que nulas. Nas de enerxía de fusión non existirán esas emisións: a fusión é unha das poucas opciónsposibles, a longo prazo, para una producción de enerxía a gran escala, de forma centra-lizada.

tokamak noKurchatovión Rusa)

2

JT - 60 U

Evolución do consumo deno periodo 1971 a

do toroide plasma

Enerxía de fusión producidano JET

El combustible para la fusión - practicamente inesgotable O deuterio (D) e o tritio (T), os combustibles da fusión, son os isótopos de hidróxeno máis pesadose menos comúns. O deuterio está amplamente distribuído xeográficamente - hai a redor de 35 gramosde D por cada metro cúbico de auga - e a súa obtención non é cara. O tritio, cunha vida media de 12anos, é extremadamente raro na natureza xa que só os raios cósmicos poden orixinalo. Porén, pódeseproducir nunha central de fusión a partir de litio, que é un dos metais lixeiros máis abundantes na co-dia terrestre. A cantidade de combustible necesario nun reactor de fusión é moi pequena. Precisamostan só 100 kg de deuterio (correspondente a 2800 toneladas de auga de mar) e 150 kg de tritio (co-rrespondente a 10 toneladas do mineral de litio) para operar unha central dunha potencia eléctrica de1 GW durante un ano.

Fusión en el Mundo

15

5

10

00 1.0 2.0 3.0 4.0

Q≈0.2

Q≈0.64

5.0 6.0

Tiempo (s)

Po

ten

cia

de

Fu

sió

n (

MW

)

JET(1997)

JET(1997)

JET(1991)

JG00

.57/

1c

parada rápidaA minúscula cantidadeplasma é unha caracteintríseca dunha centralde enerxía de fusión, gas, deberá ser alimenpor un suministro extercámara onde se produinxecta a pequena canrequerida para o seu segundos. Isto signififusión poden ser interparando a inxección demagnético, permintindeteña rapidamente sete o seu funcionamenpara manter as condifai que a fusión nuclearcamente seguro.

Aspectos de segNunha central de fusiónción de enerxía, candofusión no plasma, estáradiactivo dos materiaisque rodea ao plasma. teñen demostrado queé de abondo pequenadunha perda prolongaa estrutura non alcanceña risco algún.

PetróleoCombustibles Ren

CarbónHidroeléctrica

1

1980

23456789

0

10

Pouca cantidade

e enerxía primaria2000 (en Mtoe)

Evolución da concentración de CO2no tempo

EFD

A

Desenvolvementoo de materiaisestruturais de baixa activación Non hai produtos radioactivos procedentes dapropia reacción de fusión. Porén, os neutrónsproducidos son dun nivel alto de enerxía (14MeV). Ademais de converter o litio en tritiotritio en el manto, los neutrones interaccionancoas paredes da cámara de plasma e dos com-ponentes internos, activando os materiais cosque estan construídos. A radioactividade xeradapolo reactor de fusión dependerá da eleccióndos materiais usados na construcción destescompoñentes, o que abre a posibilidade dereducir considerablemente o nivel de residuosdas futuras centrais nucleares de fusión. Unhatarea importante de investigación é, de aquela,polo tanto, o desenvolvemento de aceiros debaixa activación oo aleaciónses de vanadio eTamén se estan a avaliar materiais cerámicose compostos de fibras debido ao seu potencialde baixa activación para aplicacións a máislongo prazo. Os resultados obtidos nos estudosde desenvolvmento de materiais realizados atao de hoxe, amosan que a radioactividade produ-cida durante o funcionamento das centrais defusión diminuirá rapidamente ata niveis nos quea reutilización dos materiais será posible nunscen anos.

Tritio: producido e queimado noemprazamento Un rasgo específico dunha central de fusión éque o único compoñente radiactivo do combus-tible, o tritio, prodúcese dentro do propio reactornun manto que rodea ao plasma e que conténlitio. Os neutróns liberados polas reaccións dereaccionan co litio convertíndoo en tritio. Polotanto, o único compoñente radiactivo do combus-tible se produce e se queima dentro do reactor enon require transporte, agás durante a posta enmarcha e o desmantelamento da central.

Sen emisións radioactivas daninasOs materiais primarios do combustible de fusiónlitio e deuterio, non son radioactivos e podenseren transportados sen problemas á central.A “cinza” da reacción de fusión é unha pequena cantidade do gas inerte helio que tampouco éradiactivo. Os exhaustivos estudos de seguridaderealizados teñen demostrado que unha centralde fusión pode operar sen risco de que se produ-zan escapes radiactivos daninos para os seres humanos nin para o medioambiente. A cantidademáxima de tritio que pode ser liberada en cal-quera accidente concebible xerado no interiordo reactor ten sido avaliada como suficientementepequena para que non sexa preciso a evacuaciónde persoas situadas no exterior do perímetroexterior da instalación.

de combustible -

de combustible no rística da seguridade de fusión. Unha central igual que unha central de

entada de forma continua terno de combustible. Na ce a reacción só se cantidade de combustible

funcionamiento durante uns fica que as reaccións de rumpidas nun segundos

combustible ou o campo do que o reactor se xurden problemas duran-

to. De feito, a dificultade óns requeridas no plasma

sexa un proceso intrinse-

guridade intrínseca n a única fuente de libera-

non hai reaccións de asociada ao decaemento s activados na estrutura

Os estudos de seguridade que esta fonte de enerxía

para que mesmo no caso da da refrixeracion activa unha temperatura que su-

260

280

300

320

340

360

380

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Año

D57

D47

Siple

Polo sur

Con

cent

raci

ón d

e C

O2

(ppm

)

Gasnovables

Nuclear

1990 2000 D+T

Plasma

Manto(contén Litio)

Intercambiador de Calor

Cámara de Baleiro

Xerador de Vapor

Turbina e Alternador

D

Enerxía Eléctrica

Helio

Tritio e Helio

Tritio

Combustible de Deuterio

Bobina Superconductora

4He

T+4He

Estructurade Contención

JG99.278/3c

Esquema dunha central eléctricade fusión

Integración de un prototipo de divertor

ITER: costes e programación Prevese que a construcción do ITER requeriráunha inversión directa de capital de a redor de4600 millones de Euros compartidos entre ossocios internacionais, principalmente a travésde contribucións en especie. ITER fabricarasee construirase nuns 10 anos e está previsto quefuncione durante uns 20 anos.

Unha colaboración mundial ITER -“o camiño” en latín- será a próxima gran instalación detipo tokamak. O seu obxectivo é “demostrar a viabilidade científicae tecnolóxica da enerxía de fusión para fins pacíficos”. ITER ten sido deseñado no marco dunha colaboración internacional. ITER pretende lograr e estudar plasmas de fusión en condiciónspróximas á ignición, moi simellanyes ás agardadas nun reactor defusión. Debe producir unha potencia de fusión de 500-700 MW cunfactor de amplificación de enerxía de alomenos 10. O seu obxectivo é tamén: demostrar o bo funcionamento en réximeestacionario, a disponibilidade e integración das tecnoloxías esen-ciais para as centrais de fusión e probar compoñentes para un fu-turo reactor, incluindo prototipos de mantos fértiles de tritio.

Tecnoloxías clave do ITER demostradas ensete grandes proxectos ITER incorporará tecnoloxías clave para as centrais de fusiónmediante a construcción e uso de compoñentes co tamaño eos requisitos dun reactor: bobinas superconductoras, compoñen-tes para alto fluxo de calor, sistemas de mantemento remoto einstalacións para o manexo de tritio. Durante os 10 últimos anosmoitos dos puntos críticos destas tecnoloxías teñen sido resoltossatisfactoriamente, en concreto a través de sete grandes proxec-tos de I+D que teñen proporcionado unha base técnica sólidapara a construcción do dispositivo ITER.

Plataforma de ensaios para divertores(Brasimone, Italia)

Prototipo da bobina de campo toroidalna instalación para ensaios TOSKA

(Karlsruhe, Alemania)

ITER, “o camiño” ao futuro ITER, “o camiño” ao futuro

EFDA Close Support Unit - GarchingBoltzmannstr. 2

D-85748 Garching / Munich - Germany

phone: +49-89-3299-4237fax: +49-89-3299-4197

e-mail: federico.casci@efda.orgeditors: Federico Casci, Doris Lanzinger

graphic design: Karen Jens

© M.Q. Tran (EFDA Leader) 2004.

This brochure or parts of it may not be reproduced without permission. Text, pictures andlayout, courtesy of the EFDA Parties; picture page 1: courtesy of Kurchatow Institut;page 2: General Atomics; page 3: JAERI; page 4: IEA and IPCC 2001(WGI,SPm).

The EFDA Parties are the European Commission and the Associates of the EuropeanFusion Programme which is co-ordinated and managed by the Commission.Neither the Commission, the Associates nor anyone acting on their behalf is responsiblefor any damage resulting from the use of information contained in this publication.

A special thank to those who voluntarily provided the translation of this brochure into theother languages.www.efda.org

EFDA

Cara unha central de enerxía eléctricaEn paralelo á construcción e a posta en funciona-mento do ITER, levarase a cabo un programa deI+D tanto en física como en tecnoloxía para pre-parar o seguinte paso, DEMO. Este programa pro-bablemente incluirá unha Instalación Internacionalde Irradiación de Materiais para Fusión (IFMIF).Esta fonte de neutróns de alta intensidade é precisapara probar e verificar o comportamento dos mate-riais necesarios para os futuros reactores de fusión,en particular os de baixa activación.DEMO entrará en funcionamento uns 30-35 anosdespois da construcción do ITER e demostrará aproducción de enerxía eléctrica e a súa autosufi-ciencia con respecto ao consumo de tritio. DEMOconducirá á fusión a súa era industrial.

Maqueta de la Planta del ITER

Edicio dotokamak Aparcadoiro

Pranta crioxénica, edificios de fontes de alimentación deemerxencia e fabricación das bobinas poloidales

Sala de ensamblaxe eedificio de sistemas de radiofrecuencia

Edificio desistemas de baleiro,combustible e tritio.

Tanques crioxénicos de almacenamento

Área de fontes dealimentación continuas

Área de fontes dealimentación pulsadas

Edificio de convertidoreseléctricos para as bobinas magnéticas

Edificio dos interruptoresdos cirtcuitos das bobinas magnéticas

Edificio de sistemas de inxección de feixes de neutros

Sala de diagnósticos, resistores e condensa-sadores para a descarga rápida das bobinas toroidales.

Celda quente

Almacén deprodutos ra- diactivos

Edificio deacceso do persoal

Torres de refrixeración e depósitos de auga quente

Estación debombeo de auga de refrixeración

EFDA

Fusión, a fonte de enerxía do Sol As reaccións de fusión proporcionan a enerxía do sol convertindo o hidróxeno en helio.Nestas reaccións, a redor do 0.5% da masa do hidrógeno convértese en enerxía de acor-do coa famosa ecuación de Einstein E=mc2 que relaciona a masa e a enexía.Esta enerxía escapa como radiación electromagnética, é dicir, luz, da cal a maior partepérdese nas profundidades do espacio. Menos dunha parte en mil millóns cae sobre a Terra, pero aínda así proporciona unha gran cantidade de enerxía, a cal ten mantido oo ciclo da auga, o vento e a vida durante millóns de anos.

Cen millóns de graos Para que se produza a fusión, os núcleos atómicos teñen que recibir suficiente enerxía cinética(velocidade) para superar a súa mutua repulsión electroestática cando colisionan. Esta enerxía cinética obtense mediante o quecemento do combustible a temperaturas moi elevadas. Para afusión D-T a temperatura necesaria é do orde de 100-150 millóns de graos centígrados. A es-tas temperaturas o combustible gasoso está completamente ionizado, formando un “plasma".O plasma non debe entrar en contacto coas paredes da cámara onde ten lugar a reacción, xa quea superficie da parede se evaporaría e o plasma se ensuciaría e arrefriaría, perdendo as condiciónsnecesarias para que as reaccións de fusión se sigan producindo.

He

nT

D

4He + n + EnergíaD + T

Energía

Aproveitr a fusión na Terra Os átomos de hidróxeno no Sol e nas estrelas fusió-nanse baixo a presión extrema da gravidade. NaTerra non se pode reproducir o mismo mecanismopolo que a humanidade debe desenvolver outrosmedios para conseguilo. En principio, a fusión éposible con moitos elementos lixeiros. Entre todasas reaccións posibles, a fusión D-T, de deuterio (D)e tritio (T) pola que se conviten estes dous isótoposde hidróxeno en helio e neutróns, é o xeito máissonxelo para logralo e ten sido a elexida para asfuturas centrais de enerxía de fusión.

La reacción de fusión