Estado actual de la fusión nuclear controlada y sus perspectivas

1. 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

2. La Fotosfera y la Cromosfera en el ultravioleta extremo(30.4nm)http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/realtime-images.html

3. Las Fábricas de Elementos

4. Las Fábricas de Elementos

5. 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)

6. Las reacciones a considerar

7. 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).

8. El mapa de los plasmas

9. El Confinamiento Magnético

10. Tokamak Fusion Test ReactorPrinceton Plasma Physics LaboratoryR=2.4m, a=0.8m

11. Joint European TorusR=3.0m, a=1.0m

12. Joint European TorusR=3.0m, a=1.0m

13. Joint European TorusR=3.0m, a=1.0m

14. Joint European Torus

15. Hitos en fusión nuclear controlada

16. Simulación Giro-cinéticaJeff Candy y Ron Waltz General Atomics

17. La física detrás de la fusión nuclearEdge localized modes en MAST

18. La física detrás de la fusión nuclearEdge localized modes (ELMs) en MAST

19. 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.

20. La Fusión Nuclear y la Ley de Moore

21. ITER “El camino” más allá de JETR=6.2, a=2.0

22. Estado actual de la construcción de Iter (Marzo 2011)

23. Sede de ITER en Cadarache, Francia2015

25. 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

26. La fracción de calentamiento (Iter)

27. 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)

28. Las dos rutas de asalto hacia la ignición

29. ITER - IGNITOR

30. La fracción de calentamiento (Iter) (Ignitor)

31. Problemas de los plasmas en combustión • Confinameinto de partículas αenergéticas 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

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. La ingeniería de la fusión nuclear Flujo de energía: El problema del desviador

36. La ingeniería de la fusión nuclear Flujo de energía: El problema del desviador Desarrollo de cobertores

37. 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.

38. El problema de los desechos radiactivos

39. 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.

40. "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

41. El entusiasmo de los medios (2007)

42. KSTAR Tokamak a base de bobinas superconductoras en Corea del SurInicio de operación 2008

43. 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 -------------

44. ______________ = ____________ Boeing 747 Spruce Goose ITER ?

45. 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.

46. 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

47. Tokamaks Esféricos Naional Spherical Torus Experient (NSTX) Princeton Plasma Physics Laboratoy, USA Mega-Amp Spherical Tokamak (MAST) UKAEA Culham, UK

48. 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).

49. Replaceable Fusion Module Concept – the other major idea A B • 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 49

50. Replaceable Fusion Module A B • 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 50