Download Energía Nuclear: Fisión y Fusión II. Fusión y confinamiento magnético

Estado actual de la fusión
nuclear controlada y sus
perspectivas
Julio Herrera Velázquez
Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM
Departamento De Física de Plasmas e Interacción de la
Radiación con la Materia
herrera@nucleares.unam.mx
La transición energética y las energías alternas:
Oportunidades y responsabilidades
4 de mayo de 2011
La Fotosfera y la Cromosfera en el ultravioleta
extremo(30.4nm)
http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/realtime-images.html
Las Fábricas de Elementos
Las Fábricas de Elementos
Las reacciones a considerar
2H+3H→4He(3.52MeV)+n(14.06MeV)
2H+3He→4He(3.67MeV)+p(14.68MeV)
n+6Li → 4He+3H+(4.8MeV)
n+7Li → 4He+3H+n-(2.5MeV)
2H+2H→3He(0.82MeV)+n(2.45MeV)
2H+2H→3H(1.01MeV)+p(3.03MeV)
Las reacciones a considerar
Condiciones necesarias para la fusión
nuclear controlada
• Elevar la temperatura del combustible a valores
suficientemente altos para vencer la repulsión
coulombiana (Crear y calentar un plasma).
Para d-t a más de 46,000,000 K
• Confinar el plasma durante un tiempo suficientemente
largo, para que la energía que se genera por medio de
la fusión supere las pérdidas por radiación (Diseñar un
contenedor no material).
• Simplificar la ingeniería para que el reactor pueda operar
de manera repetitiva por un tiempo prolongado con un
costo de mantenimiento adecuado (Contar con un
diseño económica y ecológicamente viable).
El mapa de los plasmas
El Confinamiento Magnético
Tokamak Fusion Test Reactor
Princeton Plasma Physics Laboratory
R=2.4m, a=0.8m
Joint European Torus
R=3.0m, a=1.0m
Joint European Torus
R=3.0m, a=1.0m
Joint European Torus
R=3.0m, a=1.0m
Joint European Torus
Hitos en fusión nuclear controlada
Simulación Giro-cinética
Jeff Candy y Ron Waltz
General Atomics
La física detrás de la fusión nuclear
Edge localized modes en MAST
La física detrás de la fusión nuclear
Edge localized modes (ELMs) en MAST
La física detrás de la fusión nuclear
•
Mecánica clásica, dinámica de medios contínuos, electrodinámica
El campo magnético, como todo campo tal que
,
tiene una estructura hamiltoniana. La física de plasmas ha realizado una
aportación importante a la teoría del caos hamiltoniano.
La Fusión Nuclear y la Ley de Moore
ITER
“El camino” más allá de JET
R=6.2, a=2.0
Estado actual de la construcción de Iter
(Marzo 2011)
Sede de ITER en Cadarache, Francia
2015
Problemas en los experimentos actuales
• Confinamiento
Modos H (High confinement), barreras de transporte,
conductividad de electrones, transferencia de
momento.
• Macroestabilidad magnetohidrodinámica
ELMs, disrrupciones, inestabilidades generadas por
iones rápidos.
• Operación de pulsos prolongados
Calentamiento y sostenimiento de corriente
• Diagnósticos
Alta resolución espacial y temporal, distribuciones de
velocidad
• Control
Control y alimentación en tiempo real
La fracción de calentamiento
(Iter)
Qué puede esperarse en un plasma en
combustión
Q≡ Potencia de Fusión/Potencia de Calentamiento
Q~1 Resultados en el umbral
(Física bien conocida)
Q~5: Efectos de las partículas α energéticas en la
estabilidad del plasma
Q~10: Acoplamiento no lineal (Posible límite de Iter)
Q≥20: Control de combustión e ignición
(Podría ser estudiado en Ignitor pero no en Iter)
Las dos rutas de asalto hacia la ignición
ITER - IGNITOR
La fracción de calentamiento
(Iter)
(Ignitor)
Problemas de los plasmas en combustión
• Confinameinto de partículas α energéticas y el papel de
su calentamiento
• Estabilidad térmica
• Escalamiento con el tamaño y el campo magnético
• Límites de operación determinados por la carga de calor
permitida en la primera pared
• Radiación, retención de tritio, polvo, generación de tritio
La ingeniería de la fusión nuclear
Los principales problemas a atacar:
• Complejidad en comparación con otras fuentes
de energía.
• Alto flujo de energía en la primera pared.
• Daño por radiación de los componentes.
• Competitividad económica.
La ingeniería de la fusión nuclear
Complejidad:
Un reactor de fusión es un auténtico ejemplo de
ingeniería extrema.
Si bien es sumamente complejo, es importante
observar que una ingeniería disciplinada hace
posible la operación confiable y eficiente de
sistemas altamente complejos, como por
ejemplo un avión a reacción comercial.
Queda la posibilidad de encontrar esquemas más simples que el
tokamak convencional.
La ingeniería de la fusión nuclear
Flujo de energía:
Desarrollo de materiales estructurales de bajo
nivel de activación. Esto es importante para
determinar el tamaño del reactor en base a la
transferencia de calor que puede soportar la
primera pared. Con los materiales actualmente
en desarrollo, la transferencia de calor que
puede ser soportada es 6 veces mayor que con
los materiales actuales, lo que limita el tamaño
del reactor únicamente por restricciones de la
física, pero no de la ingeniería.
La ingeniería de la fusión nuclear
Flujo de energía:
El problema del
desviador
La ingeniería de la fusión nuclear
Flujo de energía:
El problema del
desviador
Desarrollo de cobertores
La ingeniería de la fusión nuclear
Daño por radiación:
Los componentes de la primer pared deberán
ser cambiados anualmente debido al daño por
radiación. Sin embargo, la energía de los
neutrones se ve drásticamente reducida con la
distancia, y los componentes principales
(cámara de vacío y bobinas) pueden ser
diseñados para la vida completa de la planta.
El problema de los desechos radiactivos
La ingeniería de la fusión nuclear
Competitividad Económica:
De acuerdo con las proyecciones actuales, el
costo de la electricidad de un reactor de fusión
sería aproximadamente un 25% mayor el de
una planta de carbón, un 50% mayor que el de
una planta de fisión tipo BWR, y un 100% mayor
que el de una planta de gas natural. Sin
embargo, estas estimaciones no toman en
cuenta el impacto producido por emisiones de
CO2 o la disposición de desechos radiactivos.
• "I never was really in fusion. I spent most of my
working life working on particle accelerators. ..
Sharing an office with Peter Thonemann I saw
what the fusion problem was. I produced the
criterion, produced the report, and then I got
involved with lots of other discussions and wrote
the other report, a survey of different methods.
And that was it. Then I was back to
accelerators… I wrote one or two other papers
surveying the other ideas that had been
suggested and showing that most of them
wouldn't work. I also knew that I wouldn't see
fusion power in my own lifetime, although most
people were talking about it coming in 20 years
or so. They still are.” John D. Lawson
El entusiasmo de los medios (2007)
KSTAR
Tokamak a base de bobinas superconductoras en
Corea del Sur
Inicio de operación 2008
Nuevos aparatos
Nombre
País e institución
Status now
First plasma
SST-1
India
IPP
Ensamblado
EAST
China
ASIPP
Operacional
(2005)
2012
2006
Operacional
2007
K-STAR
Rep. de Corea KBSI
Wendelstein 7-X. Alemania
Iter
Ignitor
IPP
Unión Europea, Japón,
E.U.A. , Rusia, China,
Rep. de Corea e India
Rusia e Italia
En construcción
2012
Por iniciar construcción
2019
En planeación
-------------
Spruce Goose
______________
Boeing 747
= ____________
ITER
?
DEMO
Un reactor de fusión con Q~25, para
producir ~1GWe a partir de 2.5 GW de
energía de fusión.
Esto supone una eficiencia de 100% en la
transferencia de energía de fusión a
energía térmica, y ~45% en la
transferencia de energía térmica a
eléctrica.
Mientras estamos lejos de poder producir un reactor
de fusión pura, existe una experiencia significativa en
la operación con valores bajos de Q
Q = Potencia de Fusión/ Potencia de Calentamiento
Fracción de calentamiento por las partículas alpha para un reactor de
deutrio-tritio fα = Q/(Q+5)
Estado de los experimentos actuales
Real (JET deuterio-tritio,1997)
Estimado (con deuterio)
Q ~ 0.6 , fα ~ 0.1
Q ~ 1 , fα ~ 0.2
Requisito mínimo para un reactor de fusión
Q > 20 , fα > 0.8 (¿Física nueva?)
Meta alcanzable con una fuente de neutrones basada en fusión
Q ~ 2 , fα ~ 0.3
Tokamaks Esféricos
Naional Spherical Torus
Experient (NSTX)
Mega-Amp Spherical Tokamak
(MAST)
Princeton Plasma Physics
Laboratoy, USA
UKAEA Culham, UK
Compact Fusion Neutron Source (CNFS)
University de Texas at Austin proposal
P. Valanju, M. Kotschenreuther, and S. Mahajan, “Super-X Divertors and high power
density fusion devices,” Phys. Plasmas 16, 056110 (2009).
Replaceable Fusion Module Concept – the
other major idea
• SXD-insured compactness => CFNS fits inside the fission blanket
• CFNS driver to last about 1-2 full power years- No known materials for the first wall that
could take greater neutron fluences.
• CFNS driver itself is small fraction of cost, so a spare is affordable
B
A
49
Replaceable Fusion Module
• Pull CFNS driver A out to service bay once every 1–2 years or so.
• Refurbish driver A in service bay - much easier than in-situ repairs
B
A
50
Replaceable Fusion Module
• Put driver B into fission blanket
• This can coincide with fission blanket maintenance
• Use driver B while driver A is being repaired
B
A
51
Comparison between ITER and the spherical
tokamak concept
Tokamak Solutions
http://www.tokamaksolutions.co.uk/index.html
El confinamiento inercial
El confinamiento inercial
National Ignition Facility
Edward I. Moses, Nucl. Fusion 49 (2009) 104022
Laser Inertial Fusion Energy (LIFE)
Edward I. Moses, Nucl. Fusion 49 (2009) 104022
Modular Laser Inertial Fusion
target chamber surrounded by
mission specific blanket modules
Heat Exchange
System and
Balance of Plant
Target factory
Compact, modular
Diode Pumped
Solid State Laser
100 m
Laser Inertial Fusion Energy (LIFE)
Edward I. Moses, Nucl. Fusion 49 (2009) 104022
Se inicia con sistemas de láser para producir 375-500
MW de potencia de fusión y emplea un cobertor de
fisión subcrítico para multiplicar su potencia hasta 20005000 MW de energía térmica.40 Tons U, DU, Th, or SNF (without reprocessing)
Loaded into pebbles.
A few pebbles are shown schematically
Molten salt ( flibe )
coolant also provides
the tritium for the fusion
fuel
One of 48 laser
beams providing
1-1.4 MJ
@ 15 Hz
Fission Gain
5-6
Fusion target
injected into
chamber
2500-3000
MWth
~ 500 MW
fusion
~ 4.5 m
50 years later
High Burn-up
(Goal 99% )
Be layer to multiply and
moderate the neutrons
Conclusiones
• La fusión nuclear es una alternativa energética
que está más allá del desarrollo actual (es
necesario desarrollar la tecnología)
• El camino por recorrer para realizar un reactor
de fusión pura es aún largo, tanto bajo el punto
de vista de la física como de la ingeniería
• Sin embargo la fusión puede jugar un papel
importante en el escenario de energía en
simbiosis con la fisión, empleando la tecnología
con la que se cuenta actualmente