la energía de fusión nuclear y el proyecto iter
TRANSCRIPT
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 1
La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER
Alberto LoarteClose Support Unit – Garching
European Fusion Development AgreementMax-Planck-Institut für Plasmaphysik
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 2
Esquema de la charla
1. IntroducciónConsumo 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 energíaVentajas de la energía de fusión y métodos de confinamiento
4. El proyecto ITERDescripción del proyecto y objetivos
5. Conclusiones
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 3
Introducción (I)
Consumo de energía en el siglo XXIActualmente :80% combustibles fósiles60% países desarrollados(< 25% de la población)
Reservas de Petróleo:Finitas (máxima producción en ~ 2020)Localizadas geográficamente
Reservas de Petróleo en 1000 Mbarriles (2002,BP)
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 4
Introducción (II)
Reparto de la producción de energía en la Unión Europea
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 5
Introducción (III)
El uso de combustibles fósiles da lugar a CO2 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 13 - 04 - 2004 6
Introducción (V)
El reto a afrontar en el siglo XXI es enormeAumento de un 400% de producción de energía80% de fuentes fósiles 15% de fuentes fósiles
Now already 0.5 oC
increase 550
ppm
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 7
Bases físicas de la fusión nuclear (I)
Producción de energía eléctrica :Energía potencial o cinética eléctrica
Energía potencial electrones Calor
Epotencial(C) + Epotencial(O2) > Epotencial(CO2)
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 8
Bases físicas de la fusión nuclear (II)
Reacciones nuclearesReacciones químicas
Masa Reactivos = Masa Productos
8.6 kg C + 23 kg O2 = 31.6 kg CO2 + 1 kWe día
Masa Reactivos = Masa Productos
en reacciones nucleares no se conserva la masa se conserva la energía
E = m c2
Hydrogen = 1H1 Deuterium = 1H2 Tritium = 1H3
1H11H2 1H3
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 9
Bases físicas de la fusión nuclear (III)
Reacciones nuclearesproductoras de energía
Fisión de Uranio : 235U + n --> 140Cs + 93Rb + 3n + 200 106 eV Fusión de Hidrógeno : 2D + 3T --> 4He + n + 17.6 106 eVCombustión : C + O2 --> CO2 + 3.6 eV
COAL
OIL
FISSION
FUSION
~2,000,000 TONNES(21,010 RAILCAR LOADS)
~1,300,000 TONNES(10,000,000 BARRELS)
~30 TONNES UO2(ONE RAILCAR LOAD)
~0.6 TONNES D(ONE PICKUP TRUCK)
Comparación de combustibles
1 eV =1.6 10-19 J
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 10
Bases físicas de la fusión nuclear (IV)
Condiciones para fusión nuclearFuerzas nucleares intensas pero
de corto alcance (10-15 m)
Fuerza coulombiana repele los núcleos e impide que se fusionen
Fcoulomb ~ qA qB/distancia2
Plasma : 4o estado de la materia–�
–�
–�+
++
+–�
ColdSolid:Ice
WarmLiquid: Water
HotGas: Steam
HotterPlasma
Películafusion.mov
Colisiones a alta energía T > 10 MoC
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 11
Fusión nuclear : Fuente de Energía (I)
Ciclo básico de la fusión nuclear :Deuterio existe en la naturalezaTritio decae radiactivamente (~ 13 a)
Esquema de un reactor de fusión
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 12
Fusión nuclear : Fuente de Energía (II)
Ventajas e inconvenientes de la fusión nuclear como fuentes de energíaCombustibles abundantes y distribuidos en la tierra : 0,02% del Agua es D2O
(300.000 M años) + Li abundante en la corteza terrestre (> 2000 años) Segura : Combustible en el reactor se quema en pocos segundos (no reacción en
cadena). En ningún caso de accidente hay que evacuar la zonaLimpia : 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)
Reactores tecnológicamente complejos, condiciones necesarias para obtener lafusión nuclear difíciles de obtener y mantener, procesos físicos no entendidoscompletamente:
T ~ 200 M oCn > 1020 m-3
τE > 5 s
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 13
Fusión nuclear : Fuente de Energía (III)
Como obtener las temperaturas (T) y densidades (n) necesarias y durantetiempos suficientemente largos (τE) para producir energía por fusión nuclear ?
Problema del confinamiento y equilibrio de fuerzas
Gravitatorio : Fuerza de la gravedad. Alta n, Media T, Largo τE Estrellas
Inercial (Láseres) : Fuerza de la implosión. Muy alta n, Alta T, Muy Corto τE
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 13 - 04 - 2004 14
Fusión nuclear : Fuente de Energía (IV)
Confinamiento inercial
100 million atmosphere plasma envelope formed
1018 –1019 Wm–2 Laser or particle beams
Fuel
Shell
muy difícil obtener ganancia neta de energía(conversion electricidad láser muy ineficiente)
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 15
Fusión nuclear : Fuente de Energía (V)
Confinamiento magnético
Reducción pérdidas de energía Fuerza de Compresion
Fuerza de Lorentz Ley de Ampere
BvqFrvr
×=BjFrrr
×=Br
Br
ConSin
Película plasma.mov
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 16
Fusión nuclear : Fuente de Energía (VI)
Reactores toroidales de fusión : el tokamak
Principio físico del transformador Ip JET
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 17
Fusión nuclear : Fuente de Energía (VII)
Componentes internos de un reactor tokamak (JET)
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 18
Fusión nuclear : Fuente de Energía (VIII)D
esca
rga
5920
2 : 1
.2M
A/1
.2T,
PN
BI=
6MW
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 19
Fusión nuclear : Fuente de Energía (IX)
Producción de energía de fusión
Pfusion (Ti ~ 100 – 300 M oC) ~ ni2Ti
2
QDT = Pfus/PINPUT ~ ni Ti τE Actualmente QDT ~ 1 1/10 del ITER
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 20
El proyecto ITER (I)
ITER = International Thermonuclear Experimental ReactorReactor basado en el TokamakObjetivo La fusión nuclear es viable como fuente de energíaInternacional : UE, Japón, Rusia, EEUU, China y CoreaITER es el proyecto científico actual más ambicioso junto con ISS
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 21
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)
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 22
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
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 23
El proyecto ITER (IV)
Flexibilidad operacional obtenida mediante la posibilidad de reparar y/o intercambiar el divertor (divertor cassettes)
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 24
El proyecto ITER (V)
Instalación y sustitución de los blanket modules ha sido demostrado en prototipos a escala real
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 25
Candidatos para emplazamientos
Rokkasho/JapónVandellós/España
Darlington NGS
Cadarache/Francia
ITER SITE
Darlington/Canadá
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 26
El proyecto ITER (VII)
Edificio del tokamak Instalaciones de ITER
Alberto Loarte La Energía de Fusión Nuclear y el Proyecto ITER Instituto Gabriel Alonso de Herrera 13 - 04 - 2004 27
Conclusiones
La Fusión Nuclear es una fuente de energía para el Siglo XXI(Limpia, Segura, Inagotable)
La física y la ingeniería necesaria para la Energía de Fusión Nuclear sondesafiantes y muy interesantes
La Fusión Nuclear estudia gran variedad de procesos físicos : fluidos +electródinamicos + atómicos-moleculares + nucleares + estado sólido + .....
El desarrollo de tecnologías para fusión nuclear es crucial para su éxitocomo fuente de energía
Tras 40 años de investigación estamos listos para construir el primer reactor experimental de
Fusión Nuclear : el ITER