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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
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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
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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)
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• 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
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• 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
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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
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• 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)
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• 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)
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• 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)
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• 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
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¿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
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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)
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¿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
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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
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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)
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• 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
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• Esquema Reactor de Fusión
Lithium
Lithiumblanket
LiDeuterium
Vacuumvessel
Reactor containment
Steamgenerator
Turbine
Generator
HeliumDT, He
DTT + He
4He4He
Primaryfuels
JG95.113/55c
PlasmaDT
n
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• 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)
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• 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.
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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
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Láser Nova (LLNL EEUU)
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• 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 ©)
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• 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
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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 )
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Esquema del Tokamak spule
Magnetspule(Hauptfeld)
PlasmaPlasmastrom
MagnetfeldlinieMagnetspule(Zusatzfeld)
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Esquema Joint European Torus (JET)
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Joint European Torus (JET)
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Joint European Torus (JET) en Construcción
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• Procesos de Interacción Plasma-Pared
Desviadores Poloidales
Cryopump
Impurities
JG97
.367
c
Slow driftacross fields
Plasma
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• Producción de Energía de Fusión con
Tokamaks
Los mejores Resultados del JET P fusion ~ Pcalentamiento
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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
)
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• 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
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Stellerator TJ-II (Ciemat, Madrid)
Stellerator Wendelstein – 7 X (en Construcción)
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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
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• La Tecnología de Fusión es desafiante
Robótica para Mantenimiento e Instalación
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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
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Vista global de ITER
Cryostat
Plasma
Superconductingmagnets
Divertor
Centralsolenoid
Shieldingblanketmodules
JG95.113/59c
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Tokamak y Sistemas auxiliares
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• Prototipos de algunos Elementos construidos
Cámara Toroidal de Vacío (Japón)
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Robots para Instalación y Mantenimiento (UE)
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Bobina del Solenoide Central (EEUU)
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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 :
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)