La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER

Alberto Loarte Close Support Unit – Garching European Fusion Development Agreement Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

13 - 04 - 2004

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Esquema de la charla 1. Introducción Consumo de energía en el siglo XXI y fuentes de energía

2. Base física de la energía de fusión (y fisión) nuclear Procesos generadores de energía y energía de fusión nuclear

3. Fusión nuclear como fuente de energía Ventajas de la energía de fusión y métodos de confinamiento

4. El proyecto ITER Descripción del proyecto y objetivos

5. Conclusiones Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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Introducción (I) Consumo de energía en el siglo XXI Actualmente : 80% combustibles fósiles 60% países desarrollados (< 25% de la población)

Reservas de Petróleo: Finitas (máxima producción en ~ 2020) Localizadas geográficamente Reservas de Petróleo en 1000 Mbarriles (2002,BP)

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Introducción (II) Reparto de la producción de energía en la Unión Europea

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Introducción (III) El uso de combustibles fósiles da lugar a CO2 Æ Ttierra

Hay que compatibilizar el desarrollo de la humanidad en el siglo XXI y el control de producción de CO2 Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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Introducción (V) El reto a afrontar en el siglo XXI es enorme ¾ Aumento de un 400% de producción de energía ¾ 80% de fuentes fósiles Æ 15% de fuentes fósiles

Now already 0.5 oC increase

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550 ppm

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Bases físicas de la fusión nuclear (I) Producción de energía eléctrica : Energía potencial o cinética Æ eléctrica

Energía potencial electrones Æ Calor

Epotencial(C) + Epotencial(O2) > Epotencial(CO2) Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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Bases físicas de la fusión nuclear (II) Reacciones nucleares

Reacciones químicas

Masa Reactivos = Masa Productos 8.6 kg C + 23 kg O2 = 31.6 kg CO2 + 1 kWe día

Hydrogen = 1H1

1 1H

Deuterium = 1H2

Tritium = 1H3

2 1H

3 1H

Masa Reactivos = Masa Productos

en reacciones nucleares no se conserva la masa se conserva la energía

E = m c2 Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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Bases físicas de la fusión nuclear (III) Reacciones nucleares productoras de energía

Comparación de combustibles

~2,000,000 TONNES (21,010 RAILCAR LOADS)

COAL OIL

~1,300,000 TONNES (10,000,000 BARRELS)

FISSION

~30 TONNES UO2 (ONE RAILCAR LOAD)

FUSION

~0.6 TONNES D (ONE PICKUP TRUCK)

¾ Fisión de Uranio : 235U + n --> 140Cs + 93Rb + 3n + 200 106 eV ¾ Fusión de Hidrógeno : 2D + 3T --> 4He + n + 17.6 106 eV ¾ Combustión : C + O2 --> CO2 + 3.6 eV

1 eV =1.6 10-19 J

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Bases físicas de la fusión nuclear (IV) Condiciones para fusión nuclear Plasma : 4o estado de la materia ¾ Fuerzas nucleares intensas pero de corto alcance

(10-15

–

+

+ + –

–

m)

+

–

¾ Fuerza coulombiana repele los núcleos e impide que se fusionen Fcoulomb ~ qA qB/distancia2

Cold Solid:Ice

Warm Liquid: Water

Hotter

Hot Gas: Steam

Plasma

Película fusion.mov

Colisiones a alta energía Æ T > 10 MoC Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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Fusión nuclear : Fuente de Energía (I) Ciclo básico de la fusión nuclear : ¾ Deuterio existe en la naturaleza

Esquema de un reactor de fusión

¾ Tritio decae radiactivamente (~ 13 a)

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Fusión nuclear : Fuente de Energía (II) Ventajas e inconvenientes de la fusión nuclear como fuentes de energía ¾ Combustibles abundantes y distribuidos en la tierra : 0,02% del Agua es D2O (300.000 M años) + Li abundante en la corteza terrestre (> 2000 años) ¾ Segura : Combustible en el reactor se quema en pocos segundos (no reacción en cadena). En ningún caso de accidente hay que evacuar la zona ¾ Limpia : No da lugar a contaminantes ni residuos radiactivos de larga vida (He no es radiactivo ni contaminante pero la vasija de reactor de vuelve radiactiva bajo neutrones) ¾ Reactores tecnológicamente complejos, condiciones necesarias para obtener la fusión nuclear difíciles de obtener y mantener, procesos físicos no entendidos completamente: 9 T ~ 200 M oC 9 n > 1020 m-3 9 τE > 5 s Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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Fusión nuclear : Fuente de Energía (III) Como obtener las temperaturas (T) y densidades (n) necesarias y durante tiempos suficientemente largos (τE) para producir energía por fusión nuclear ?

Problema del confinamiento y equilibrio de fuerzas

¾ Gravitatorio : Fuerza de la gravedad. Alta n, Media T, Largo τE Æ Estrellas ¾ Inercial (Láseres) : Fuerza de la implosión. Muy alta n, Alta T, Muy Corto τE ¾ Magnético (Toroides) : Fuerza electromagnética. Baja n, Muy Alta T, Medio τE Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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Fusión nuclear : Fuente de Energía (IV) Confinamiento inercial Fuel Shell

1018 –1019 Wm–2

Laser or particle beams

100 million atmosphere plasma envelope formed

muy difícil obtener ganancia neta de energía (conversion electricidad Æ láser muy ineficiente) Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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Fusión nuclear : Fuente de Energía (V) Confinamiento magnético Reducción pérdidas de energía Fuerza de Lorentz

Fuerza de Compresion Ley de Ampere

r r v F=q v × B Sin

r B

Con

r B

r F=

r r j × B

Película plasma.mov Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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Fusión nuclear : Fuente de Energía (VI) Reactores toroidales de fusión : el tokamak Principio físico del transformador Æ Ip

JET

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Fusión nuclear : Fuente de Energía (VII) Componentes internos de un reactor tokamak (JET)

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Descarga 59202 : 1.2MA/1.2T, PNBI = 6MW

Fusión nuclear : Fuente de Energía (VIII)

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Fusión nuclear : Fuente de Energía (IX) Producción de energía de fusión

Pfusion (Ti ~ 100 – 300 M oC) ~ ni2Ti2 QDT = Pfus/PINPUT ~ ni Ti τE

Actualmente QDT ~ 1 Æ 1/10 del ITER

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El proyecto ITER (I) ITER = International Thermonuclear Experimental Reactor ¾ Reactor basado en el Tokamak ¾ Objetivo Æ La fusión nuclear es viable como fuente de energía ¾ Internacional : UE, Japón, Rusia, EEUU, China y Corea ¾ ITER es el proyecto científico actual más ambicioso junto con ISS

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El proyecto ITER (II) Prototipos de las bobinas toroidales y del solenoide central (Nb3Sn) han sido construidas y han demostrado operación a (o por encima de) los parámetros de referencia para el ITER (Tests en curso)

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El proyecto ITER (III) Prototipos de la cámara de vacio y de los módulos del blanket han sido construidos de acuerdo a las especificaciones y los métodos de fabricación y soldadura validados

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El proyecto ITER (IV) Flexibilidad operacional obtenida mediante la posibilidad de reparar y/o intercambiar el divertor (divertor cassettes)

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El proyecto ITER (V) Instalación y sustitución de los blanket modules ha sido demostrado en prototipos a escala real

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Candidatos para emplazamientos Vandellós/España

Rokkasho/Japón

Cadarache/Francia

ITER SITE

Darlington NGS

Darlington/Canadá Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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El proyecto ITER (VII) Edificio del tokamak

Instalaciones de ITER

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Conclusiones ¾ La Fusión Nuclear es una fuente de energía para el Siglo XXI (Limpia, Segura, Inagotable) ¾ La física y la ingeniería necesaria para la Energía de Fusión Nuclear son desafiantes y muy interesantes ¾ La Fusión Nuclear estudia gran variedad de procesos físicos : fluidos + electródinamicos + atómicos-moleculares + nucleares + estado sólido + ..... ¾ El desarrollo de tecnologías para fusión nuclear es crucial para su éxito como fuente de energía

Tras 40 años de investigación estamos listos para construir el primer reactor experimental de Fusión Nuclear : el ITER Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera

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