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
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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!!
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FUSION
E = mc2
Energía CINETICA de los productos de la Reacción
………………
LO APROVECHABLE
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Hablamos de la FUSION TERMONUCLEAR porque es una Fuente de Energía de una
ENORME DENSIDAD DE ENERGIA
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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
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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
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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
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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
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NUCLEOS: cargados positivamente.....Coulomb..
¡¡¡¡¡¡Se repelen !!!!!
Fusión: su realización es un reto formidableFusión: su realización es un reto formidable
FUSION ……pero
SABEMOS HACERLA ????
SI
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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
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ESTADOS
DE LA
MATERIA
Sólido Líquido Gas Plasma
Plasma
común en el
Universo
Es un fluido .... Se escapa......CONFINARCONFINAR
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Conocemos como métodos métodos para lograr la fusión …
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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”
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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
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Fusión por confinamiento inercial
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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
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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
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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
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10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
NIFNIF
Ignición
Phebus
Fusión Confinamiento Inercial: PROGRESOS
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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
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Estrategia Europea y … otros
JET1983
ITER DEMO
Conceptos Alternativos
Tecnología
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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
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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
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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€
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ITER: 4-5 miles de millones de Euros
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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
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FUSION CONFINAMIENTO INERCIAL: LASERES QUE HAN HECHO CAMINO
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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
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¡¡¡¡¡ Real !!!!!, camino de FIREX
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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)
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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)
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National IGNITION Facility(NIF)
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Laser MegaJoule (LMJ)
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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…………..
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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
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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.
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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
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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€
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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
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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
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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 !!!!!!!!!!!!!!
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Fusión Inercial por
Ignición Rápida
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Kodama et al., Nature 412 (2001) 798 802
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EUROPEAN PRPOSAL
to ESFRI PROGRAM May 2007
PreparatoryPhase
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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 %
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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
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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
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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
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IAEA Coordinated Research Project
Approved (2006-2010)
from IAEA
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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