La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER

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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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