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 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 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 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

Iter Unión Europea, Japón, Por iniciar construcción 2019 Nuevos aparatos Nombre País e institución Status now First plasma SST-1 India IPP Ensamblado (2005) 2012 EAST China ASIPP Operacional 2006 K-STAR Rep. de Corea KBSI Operacional 2007 Wendelstein 7-X. Alemania IPP En construcción 2012 Iter Unión Europea, Japón, Por iniciar construcción 2019 E.U.A. , Rusia, China, Rep. de Corea e India Ignitor Rusia e Italia En planeación -------------

______________ = ____________ Boeing 747 Spruce Goose 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.

Q > 20 , fα > 0.8 (¿Física nueva?) 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) Q ~ 0.6 , fα ~ 0.1 Estimado (con deuterio) 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) Princeton Plasma Physics Laboratoy, USA Mega-Amp Spherical Tokamak (MAST) 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 49 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 50 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 51 51

Comparison between ITER and the spherical tokamak concept 52

Tokamak Solutions http://www.tokamaksolutions.co.uk/index.html

El confinamiento inercial

El confinamiento inercial

National Ignition Facility Edward I. Moses, Nucl National Ignition Facility Edward I. Moses, Nucl. Fusion 49 (2009) 104022

Laser Inertial Fusion Energy (LIFE) Edward I. Moses, Nucl Laser Inertial Fusion Energy (LIFE) Edward I. Moses, Nucl. Fusion 49 (2009) 104022

Laser Inertial Fusion Energy (LIFE) Edward I. Moses, Nucl 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 2000-5000 MW de energía térmica.

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