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EFDA European Fusion Development Agreement - Close Support Unit - Garching

Alberto Loarte Prieto – Charla Fusión Nuclear – Abril 2000 - 1 -

Energía de Fusión La Energía del Siglo XXI

o

Cómo crear una Estrella en la Tierra

Alberto Loarte DG Research Comisión Europea

EFDA – Close Support Unit – Garching

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik



Esquema de la Charla 1. Necesidades energéticas mundiales 2. Principios físicos de Fusión (y Fisión)

nuclear 3. Fusión como Fuente de Energía : Confinamiento magnético e inercial 4. Confinamiento magnético : Tokamaks

y Stellerators 5. Futuro : International Thermonuclear

Experimental Reactor (ITER)

6. Conclusiones



1. Necesidades energéticas mundiales

• Las Reservas de Combustibles fósiles

(Petróleo, Gas, Carbón) no son infinitas

(~ 100 años) ni reemplazables (~ 100 Maños)

• Problemas de Suministro empezarán < 2050

400

300

200

100

01900

Now2000 2100 2200 2300

Shortfall beginsYear (A.D.)

World energyconsumption

Shortfall must besupplied byalternative sources

Energy available(fossil, hydro,non-breeder fission)

Assumes world populationstablizes at 10 billion,consuming at 2/3 U.S. 1985 rate

Energy consumption(billion barrels ofoil equiv. per year)



• Desarrollo de Países en Vías de Desarrollo

creará una gran Demanda de Energía

ENERGY

POPULATION

ENERGY

POPULATION

1987

2020

Growth in population and energydemand 1987 – 2020

INDUSTRIALISEDCOUNTRIES

DEVELOPINGCOUNTRIES

INDUSTRIALISEDCOUNTRIES

DEVELOPINGCOUNTRIES



• Uso de Combustibles fósiles produce CO 2

(Carbón : 1000 Mwe = 32000 Ton. CO 2 por Día)

(1 Mpersona)

Uso masivo de Combustibles fósiles

Efecto Invernadero

(CO2 atrapa Radiación : Tierra no se enfría (Noche))

Cambio climático

(Subida Temperatura media de la Tierra)

Energías renovables (Solar, Eólica) aportarán ~20%

Fuentes de Energía que no produzcan CO 2 son

necesarias en el Siglo XXI



2. Principios Físicos de Fusión (y Fisión) nuclear

• Reacciones químicas exotérmicas:

A + B ÆÆ C + D + Energía

MA + MB = MC + MD

1000 Mwe Día :

8.600T C + 23.000T O2 = 31.600T CO2 + 1000 Mwe Día

EPotencial (C) + EPotencial (O2 ) > EPotencial (CO2 )

Leyes Procesos físico – químicos habituales

• Ley de Conservación de la Energía • Ley de Conservación de la Masa



• Constitución de la Materia

La Materia está hecha de Átomos

Átomo II

Núcleo (Z-protones +, N Neutrones 0)

+

Z electrones -

Z determina el Elemento químico (Z = 6 para el Carbono, Z=8 Oxígeno) Neutrones

mantienen Protones juntos en Núcleo (Protones tienen Carga positiva ÆÆ se repelen)



• Teoría de la Relatividad especial :

E = m c 2 (c = 300.000 Km/s : Velocidad de la Luz)

¡ La Masa es una Forma de Energía !

−

=

c

v

cm2

20

1E

( )cv2

1E vmcm 2

02

0 <<+≈ (Des. Taylor)

cvE →∞→ cv ≤

• Reacciones nucleares exotérmicas:

A + B ÆÆ C + D + Energía

Energía = [(M A+MB) – (MC+MD)] c2

• Procesos nucleares con (M A+MB) >> (MC+MD) :

• Fisión nuclear (Centrales nucleares actuales) • Fusión nuclear (Estrellas)



• Energía del Enlace nuclear

Nuc

lear

bin

ding

ene

rgy

rele

ased

Energyreleased in Fusion

3He

D

T

Li

4He

Atomic mass

Energy releasedin fission

U

Fusion

D Deuterium 3He Helium 3 T Tritium Li Lithium 4He Helium 4 U Uranium

Fission

JG97.362/4c

T 4He

D n

u•

FUSION FISSION

Hydrogen = 1H1 Deuterium = 1H2 Tritium = 1H3

1H11H2 1H3

La Fusión nuclear en Estrellas ha producido toda

la Materia del Universo a partir de Hidrógeno (H,D)



• Fisión nuclear

Consiste en dividir Núcleos grandes

Cadena de Fisión del Uranio

Los residuos de la Fisión del Uranio son Núcleos de Tamaño medio y radiactivos ~ 1000 años



¿Por qué no ocurre la Fusión nuclear fácilmente?

Fuerzas de Atracción nucleares solo actúan a

Distancias cortas

Repulsión Coulombiana : Núcleos son

eléctricamente positivos

FCoulomb ~ qA qB / distancia 2



Entonces, ¿Qué hay que hacer para que funcione?

a) Lanzar el Núcleo A contra el B a alta Velocidad

A ÆÆ ÅÅ B b) Que A se choque con B

Difícil porque A y B son muy pequeños

(Experimento de Dispersión αα de Rutherford)

y, ¿Como?

Para a) Acelerador de Partículas

Calentar A y B a muy alta Temperatura

y utilizar el Movimiento térmico

(~ 100 – 200 Millones °C)

Para b) Probando muchas Veces

(Acelerador inviable energéticamente)



¿Qué pasa cuando se calienta Algo a Millones °C?

Al subir la Temperatura los Átomos/Moléculas se

mueven más deprisa

–

–

– +

++

+–

ColdSolid:Ice

WarmLiquid: Water

HotGas: Steam

HotterPlasma

A Millones de °C los Átomos colisionan unos con

otros a alta Energía y se arrancan los Electrones

Materia = “Sopa” Nucleos + + Electrones - = Plasma



Casi toda la Materia del Universo es un Plasma

Plasmas en el Universo

Contemporary Physics Education Project (CPEP)

Plasmas no pueden entrar en Contacto con Nada

si no se enfrían, se vuelven Gas y no hay Fusión

nuclear



3. Fusión como Fuente de Energía : Confinamiento magnético e inercial

Reacción Fundamental de la Energía de Fusión

2

1D (10KeV) + 3

1T(10KeV) ÆÆ 4

2He (3.5 MeV) + 1

0n (14.1 MeV)

La Energía del 4

2He se reutiliza en calentar 2

1D, 3

1T

La Energía del 1

0n se utiliza en Producción de Vapor de

Agua (+ Turbina ÆÆ Electricidad)



• Fuentes de los Combustibles : Deuterio y Tritio

El 0,02% del Agua es D 2O en vez de H 2O

El Litio es abundante en la Corteza terrestre

D + T 4He + n

Tritium production

6Li + n 4He + T

7Li + n 4He + T + n

Deuterium + Lithium Helium + Energy



• Esquema Reactor de Fusión

Lithium

Lithiumblanket

LiDeuterium

Vacuumvessel

Reactor containment

Steamgenerator

Turbine

Generator

HeliumDT, He

DTT + He

4He4He

Primaryfuels

JG95.113/55c

PlasmaDT

n



• Comparación Fuentes de Energía

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)



• Ventajas de la Fusión Nuclear

• Limpia. No Gases Efecto Invernadero ni

Lluvia ácida

• Segura. Reactores contienen Combustible

para arder pocos Segundos. En ningún Caso

de Accidente habría que evacuar la Zona

• Inagotable. Combustibles abundantes.

Deuterio (300.000 Maños)

Tritio (Litio > 2000 años)

• No Residuos radiactivos de larga Vida.



• No Residuos radiactivos de larga Vida.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Time after shutdown (years)

1

101

102

103

104

105

106

107

108EFR A

EFR B

PWR

Coal

FusionModel 1

FusionModel 2

Comparison of Relative Radiotoxicityfrom various power sources

JG97

.362

/11c

Rel

ativ

e ra

diot

oxic

ity

• Desventajas de la Fusión Nuclear

Reactores tecnológicamente complejos.

Procesos físicos no completamente

entendidos



• Plasmas son Gases a alta Temperatura

Los Gases se expanden al calentarlos

Plasmas deben estar aislados

• Producción de Energía de Fusión necesita

Un Plasma suficientemente denso (n)

(muchas Colisiones entre D y T)

Un Plasma suficientemente caliente (T)

(vencer la Repulsión coulombiana)

Durante un Tiempo suficiente ( ττ)

(aislado térmicamente)

nTτ τ ((Producto de Fusión)

Confinamiento



• Tipos de Confinamiento

Gravitacional (Estrellas): Fuerza de Gravitación

Alta n, Media T, Largo ττ

Inercial (Láseres): Implosión

Muy alta n, Alta T, Muy Corto ττ

Magnético (Toroides): Fuerza Electromagnética

Baja n, Muy alta T, Medio ττ



• Confinamiento inercial

Implosión por Iluminación externa

100 million atmosphere plasma envelope formed

1018 –1019 Wm–2 Laser or particle beams

Fuel

Shell

Láser Nova (LLNL EEUU)

Muy complicado

Láseres de alta Potencia son

energéticamente muy ineficientes



Láser Nova (LLNL EEUU)



• Confinamiento Magnético

Corriente eléctrica = Carga eléctrica en Movimiento

Corriente eléctricas crean Campos magnéticos (B)

Fuerza de Lorentz “ata” las Partículas cargadas al

Campo magnético

BvqF&

*

&

×=

Sin B&

Con B&

Pérdidas B&

se eliminan en Configuraciones

toroidales (Donuts ©)



• Campo magnéticos confinan Plasmas pero no

los calientan

• Un Plasma se calienta con :

Calentamiento Óhmico

(~ Resistencia Eléctrica, sólo hasta ~ 3 M° C)

Haces de Partículas de alta Energía

Microondas



4. Confinamiento Magnético : Tokamaks y Stellerators

• Tokamaks

(“Cámara Toroidal con Bobinas Magnéticas”, en Ruso )

Es el Sistema más avanzado

Utiliza el Principio del Transformador

(Ia , Va ) ÆÆ ( Ib , Vb )



Esquema del Tokamak spule

Magnetspule(Hauptfeld)

PlasmaPlasmastrom

MagnetfeldlinieMagnetspule(Zusatzfeld)



Esquema Joint European Torus (JET)



Joint European Torus (JET)



Joint European Torus (JET) en Construcción



• Procesos de Interacción Plasma-Pared

Desviadores Poloidales

Cryopump

Impurities

JG97

.367

c

Slow driftacross fields

Plasma



• Producción de Energía de Fusión con

Tokamaks

Los mejores Resultados del JET P fusion ~ Pcalentamiento



Progreso en Fusión Nuclear (19969 –2000)

Reactor

conditionsIgnition

QDT=1

QDT=0.1

JETJETDIII-D

JETJET

JETJET

JT-60U

JT-60

JT–60UTFTR

TFTR

TFTR

TFTRTFTR

FTTFTR

TEXTOR

TFRTFR

DIII-D

DIII-D

DIII-D

ALC-A

ALC-C

ASDEX

PLTPLT

T10

T3D–T Exp

Reactor–relevant conditions

Inaccessible region

Lim

it of

Bre

mss

trahl

ung

0.1 1 10 100

Central Ion temperature Ti (keV)

0.01

0.1

1

10

100

1997

1980

1970

1965

Year

JG98.208/13c

Fus

ion

prod

uct,

n iτ E

. Ti (

x102

0 m

–3 s

.keV

)



• Stellerators

Todos los Campos magnéticos se crean con

Bobinas Externas

Es tecnológicamente más complejo que el

Tokamak (tiene Ventajas potenciales)

Es el primer diseño inventado pero sólo

recientemente se han superado las dificultades

tecnológicas



Stellerator TJ-II (Ciemat, Madrid)

Stellerator Wendelstein – 7 X (en Construcción)



Comparación Tokamaks/Stellerators

JT 60

DIII-DJET

T 10

1.000.000

10.000

1.000

100

10

1 10 100 1.000200

Temperatur (Millionen Grad)

Zündung

Fus

ions

prod

ukt

= D

icht

e x

Ene

rgie

eins

chlu

ßze

it x

Tem

pera

tur

(10

T

eilc

hen

pro

Kub

ikze

ntim

eter

x S

ekun

de x

Gra

d)17

ISAR 1WENDELSTEIN

7-A

WENDELSTEIN 7-X

ASDEX

Pulsator

TFTR

ALCATOR

TFTR

ASDEX

1

500

JT 60-U

JET

ALCATOR: Boston, USAASDEX, ASDEX Upgrade: Garching, DD III-D: San Diego, USAISAR 1: Garching, DITER: EU, Japan, USA, RußlandJET: Culham, GBJT 60, JT 60-U: Naka, JapanTFTR: Princeton, USATore Supra: Cadarache, FT 3, T 10: Moskau, RußlandWENDELSTEIN: Garching, D

Stand: Januar 1999

100.000

geplant

bis 1999

bis 1986

bis 1977

bis 1965T 3

T 3

TFTR(DT, 19994)JET

(DT, 1991)

Tore Supra

ITERJET

(DT, 1997)

ALCATOR C-modASDEX Upgrade

WENDELSTEIN 7-AS



• La Tecnología de Fusión es desafiante

Robótica para Mantenimiento e Instalación



5. Futuro : International Thermonuclear

Experimental Reactor (ITER)

• El ITER será el primer Experimento con

Producción neta de Energía de Fusión

Pfusion > 10 Pcalentamiento

• ITER proyecto conjunto = UE + Japón + Rusia + (EEUU)

Diseño : Garching (EU) + Naka (Japón)

Finalizado a Finales de este Año

Negociaciones para Construcción en Curso



Vista global de ITER

Cryostat

Plasma

Superconductingmagnets

Divertor

Centralsolenoid

Shieldingblanketmodules

JG95.113/59c



Tokamak y Sistemas auxiliares



• Prototipos de algunos Elementos construidos

Cámara Toroidal de Vacío (Japón)



Robots para Instalación y Mantenimiento (UE)



Bobina del Solenoide Central (EEUU)



6. Conclusiones

• La Fusión Nuclear es la Fuente de Energía del

Siglo XXI (Limpia, Segura, Inagotable)

• La Física y la Ingeniería necesaria para la

Fusión Nuclear son desafiantes (+interesantes)

• Tras 40 años de Investigación estamos listos

para construir el primer Reactor experimental

• Páginas Web sobre Energía de Fusión :

([email protected] )

http://www-fusion.ciemat.es (Español / Inglés)

http://www.iter.org (Inglés)

http://www.jet.efda.org (Inglés)

http://www.ipp.mpg.de (Alemán / Inglés)

http://fusioned.gat.com (Inglés)

mailto:[email protected]

http://www-fusion.ciemat.es/

http://www.iter.org/

http://www.jet.efda.org/

http://www.ipp.mpg.de/

http://fusioned.gat.com/

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