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ITER
El camino para dominar
la energía de las estrellas
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ITEREl camino para dominar
la energía de las estrellas
José Ángel Mier
Dpto. de Física Aplicada
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Índice
• ¿ITER?
•¿Por qué necesitamos ITER?
• Principios de la Fusión
• Los plasmas calientes y su confinamiento
• Avances y problemas científicos abiertos
• Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
• Conclusiones
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ITER (“Camino” en latín) es una gran instalación de Física e
Ingeniería cuyo objetivo es demostrar la viabilidad científica y
tecnológica de la fusión termonuclear como futura fuente de
energía inagotable, barata y medioambientalmente aceptable.
Por su tamaño y países involucrados es uno de los mayores proyectos
científicos vigentes en todo el mundo
INTERNATIONAL THERMONUCLEAR EXPERIMENTAL REACTOR
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Índice
• ¿ITER?
•¿Por qué necesitamos ITER?
• Principios de la Fusión
• Los plasmas calientes y su confinamiento
• Avances y problemas científicos abiertos
• Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
• Conclusiones
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¿Por qué necesitamos ITER?
CONSUMO ENERGÉTICO MUNDIAL DE ENERGÍA PRIMARIA
(Fuente: Global Energy Statistical Yearbook 2014)
1 tonelada equivalente de petróleo = 1 tep ~ 41.9 GJ ~ 11630 kWh
El consumo medio mundial de energía a finales del siglo XX
fue de casi 2 toneladas equivalentes de petróleo
por persona y año
País
Millones
de
habitantes
Consumo
energía
(Mtep/año)
Consumo
energía persona
(tep/año-pers)
China 1300 3000 2.3
USA 310 2200 7
India 1200 820 0.7
Rusia 140 730 5.2
Japón 130 455 3.5
Alemania 81 323 4
Brasil 200 293 1.5
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¿Por qué necesitamos ITER?
Población mundial
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Correlación entre consumo energético y riqueza de un país
¿Por qué necesitamos ITER?
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Necesidades energéticas futuras
¿Por qué necesitamos ITER?
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¿Por qué necesitamos ITER?
Necesidades energéticas
Consumo medio mundial: 2000 Vatios/persona
Consumo total finales siglo XX: 6000 millones X 2000 X 1 año = 12 TW año
Supongamos un futuro donde la población se duplica y menos de 1/3
del consumo americano permite una calidad de vida satisfactoria
Consumo total (XXI): 10000 millones X 3000 X 1 año = 30 TW año
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¿Por qué necesitamos ITER?
Necesidades energéticas
Consumo
Mundial de
Energía
Finales del XX X 3? =
Consumo
Mundial de
Energía
Siglo XXIPetróleo 35%
Carbón 23%
Gas 21%
Nuclear 7%
Hidroelec. 2%
Renovables 10%
Otros 2%
Nuevo
cóctel
energético
Recursos suficientes
Medioambientalmente sostenible
Seguridad en el suministro
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¿Por qué necesitamos ITER?
La concentración de CO2 en la atmósfera se ha incrementado
fuertemente con el uso de combustibles fósiles desde 1800
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¿Por qué necesitamos ITER?
Requisitos para una “central” de 1000 MW
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¿Por qué necesitamos ITER?
Fuentes de energía actuales : conclusiones
• Los combustibles fósiles son muy contaminantes y/o las reservas de los
mismos serán escasas a mediados de este siglo. Al ritmo actual: ¡100 años!
(salvo el carbón)
• Las energías renovables no pueden suministrar, con la tecnología actual,
energía suficiente para satisfacer las necesidades futuras
• La fisión nuclear conlleva unos problemas de seguridad y contaminación
(residuos radiactivos) inaceptables por nuestra sociedad.
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¿Y si reprodujéramos
una
“estrella” en la Tierra?
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Índice
• ¿ITER?
•¿Por qué necesitamos ITER?
• Principios de la Fusión
• Los plasmas calientes y su confinamiento
• Avances y problemas científicos abiertos
• Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
• Conclusiones
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Principios de la Fusión nuclear
Energía de enlace por nucleón
H1
H2
H3
He 4
Fe 56 As 75 Sr 86
Xe 124
U238
W182
FisiónFusión
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Masa Atómica (Z+N)
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Principios de la Fusión nuclear
Fisión y fusión nuclear
U235
n
Productosde fisión
Xe144
Sr89
+ ENERGIA
Fisión
Fusión
+ ENERGIA (17.6 MeV)
D
T
n
He
neutrón
protón
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Principios de la Fusión nuclear
¿Cuánta energía se libera?
ANTES
DESPUÉS
En estos principios se basa la bomba
atómica (fisión), las centrales nucleares y
la bomba H (fusión) y la energía que se
genera en:
las ESTRELLAS
𝐸 = 𝑚𝑐2
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Principios de la Fusión nuclear
Reacciones de Fusión
Ciclo del Tritio
2H + 3H → 4He 3.56 MeV + n 14.03 MeV
2H + 2H → 3He 0.82 MeV + n 2.45 MeV
2H + 2H → 3H 1.01 MeV + p 3.02 MeV
2H + 3He → 4He 3.71 MeV + p 14.64 MeV
6Li + n → 4He + 3H + 4.8 MeV
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Principios de la Fusión nuclear
Capacidad de
producción
energética
≈ 2 millones de toneladas ≈ 20000 vagones de
mercancias
≈ 1,3 millones de toneladas ≈ 10 millones de barriles
≈ 30 toneladas de UO2 ≈1 vagón mercancías
≈ 0.6 toneladas de Deuterio ≈ 1 furgoneta
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Principios de la Fusión nuclear
Problema:
Cargas del mismo signo se repelen
Solución:
Lanzar una contra otra a gran velocidad
Fuerzas eléctricas repulsivas de largo alcance Fuerzas nucleares de corto alcance
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Principios de la Fusión nuclear
¿Qué es un PLASMA ?
Estado Gaseoso Calentamiento Plasma
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¿Qué es un PLASMA ?
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• La reacción de Fusión D-T
es la que requiere unas
condiciones menos
complicadas
¿Qué condiciones se necesitan para lograr la fusión
en términos económicamente rentables?
1) Temperatura iones > 100 millones de grados
2) Densidad ∗ Tiempo confinamiento > 1020 m-3 s
Principios de la Fusión nuclear
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Índice
• ¿ITER?
•¿Por qué necesitamos ITER?
• Principios de la Fusión
• Los plasmas calientes y su confinamiento
• Avances y problemas científicos abiertos
• Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
• Conclusiones
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Los plasmas calientes y su confinamiento
Confinamiento magnético
Temperatura > 100 millones de grados
Densidad > 1020 iones/m3
Tiempos confinamiento > 1.5 segundos
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Partícula cargada Línea de Campo
Confinamiento magnético
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Confinamiento magnético
CILINDRO ESPEJO MAGNÉTICO
CONFIGURACIÓN TOROIDAL CONFIGURACIÓN TOKAMAK
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Los plasmas calientes y su confinamiento
TOKAMAK STELLARATOR
En el tokamak, el propio plasma contribuye
a crear el campo magnético que lo confina,
mediante una fuerte corriente toroidal.
FUNCIONAMIENTO PULSADO
El stellarator depende de las bobinas
externas para crear el campo magnético.
FUNCIONAMIENTO CONTINUO
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Índice
• ¿ITER?
•¿Por qué necesitamos ITER?
• Principios de la Fusión
• Los plasmas calientes y su confinamiento
• Avances y problemas científicos abiertos
• Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
• Conclusiones
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Avances y problemas abiertos
JOINT EUROPEAN TORUS: JET
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Avances y problemas abiertos
JET
ITER JETRadio mayor 6.2 m 2.96 m
Campo mag. toroidal 5.3 T 3.4 T
Corriente del plasma 15 MA 4.8 MA
Duración del pulso > 300 s 20 s
Potencia de calentamiento ~75 MW 25 MW
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Avances y problemas abiertos
Balance de potencia y triple producto
fusion
inyectada
PQ
P
Factor Q
Q=1 ; Breakeven
Q= ∞; Ignición
Triple producto
𝑛𝜏𝐸𝑇 ≳ 3 × 1021 keV ⋅ s/m3
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Avances y problemas abiertos
Cuestiones científicas abiertas
• Transporte anómalo de energía y partículas
(comportamiento no difusivo)
• Efecto de los campo eléctricos con cizalladura: barrera de
transporte
• Operación con corriente no inductiva: funcionamiento
continuo
• Operación a alta densidad y estabilidad
• Control y extracción de impurezas: divertor…
• Extracción de potencia
• Comportamiento materiales (IFMIF en Japón)
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Índice
• ¿ITER?
•¿Por qué necesitamos ITER?
• Principios de la Fusión
• Los plasmas calientes y su confinamiento
• Avances y problemas científicos abiertos
• Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
• Conclusiones
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
Estrategia europea
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
El soporte político
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
El soporte científico
Cross section of present EU D-shaped
tokamaks compared to the ITER project
AUG JET
ITERJET
tE ∝ Ip R2
Tiempo de confinamiento tE =
Wplasma/Pinput
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
• Proyecto internacional de tokamak con el objetivo fundamental de probar la viabilidad tecnológica de la fusión
• Tendrá un coste de 20000 M€
• Ubicado en Cadarache (Francia)
•La construcción empezó en el 2008
• Barcelona acoge la Agencia Europea delProyecto (F4E)
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
Módulo Manto
Fértil
Diver
tor
Solenoide
Central
Estructura externa
interbobinas
Bobina Campo Toroidal
Bobina Campo Poloidal
Soportes gravitatorios
Cámara de Vacío
Criostato
Cierre de Puerta
(Calentamiento IC)
Criobomba
Parámetro ITER
R (m) 6.2
a (m) 2
BT (T) 5.3
IP (MA) 15
Pfusion (MW) 500
Fluxneutrons (MW/m2) 0.5
Q 10
Coste < 4 G€
http://www.iter.org
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
Sección transversal
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
ITER EN CIFRAS
• 80000 km de cables superconductores (aleación Nb y Sn). Se han producido
alrededor de 400 toneladas en menos de 4 años (150 Toneladas/año)
• El peso de ITER es 23000 toneladas (más de 3 Torres Eiffel)
• El plasma de ITER será de 840 m3 (el máximo actual es de 100 m3)
• A partir de 2016 trabajarán 5000 personas
•El transporte por carretera (“itinerario ITER”) será de piezas de hasta 990
toneladas. Se hará en muchos casos por control remoto y con vehículos de
hasta 33 m de largo y 10 m de ancho.
• Cada bobina toroidal pesa 360 toneladas (es el peso de un Boeing 747 lleno)
•Las temperatura del plasma será de 150 millones de ºC (en el interior del Sol
son 15 millones de ºC)
• El factor Q > 10. Esto significa que se generarán 500 MW de potencia
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
Desafíos tecnológicos
• Campo magnético toroidal 18 Bobinas superconductoras con tamaño y
características sin precedentes (40 kA, He líquido, precisiones milimétricas)
• Conductor central hasta 17 MA
• Sistemas remotos de mantenimiento
• Flujos de calor extremadamente elevados en los componentes de la primera
pared de hasta 15 MW/m2
• Materiales bajo irradiación neutrónica
• Sistemas de calentamiento del plasmas hasta 50 MW: Inyección de neutros,
radio frecuencia (40-55 MHz), microondas (170 GHz)
• Estudios de Tritio
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
El cronograma de ITER
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
Cadarache
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
Esquema de una planta de fusión
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Proyecto ITER: un reto científico y tecnológico
La seguridad intrínseca de la fusión
• Cualquier desviación de las condiciones
óptimas finaliza el proceso
• No son posibles reacciones en cadena
• Mínimo almacenamiento de tritio
• Calor residual no es suficiente para fundir las
estructuras
• Activación radiactiva con vida media muy corta
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• Tecnología de detritiación
• Bombardeo de la primera pared
• Residuos de media y baja (100 años)
• Muy compleja tecnológicamente
• Acceso del tercer mundo
• Esfuerzo enorme de investigación: necesidad de grandes
recursos humanos y económicos
• Apuesta tecnológica a medio plazo
Problemas de la Fusión
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CONCLUSIONES
• El programa de fusión ofrece multitud de oportunidades científicas y
tecnológicas para el futuro
• Quedan problemas por resolver que hagan que la fusión sea
asequible y barata
• La comunidad internacional ha apostado, a través de ITER, por
verificar la viabilidad tecnológica de la fusión
LA FUSIÓN PUEDE SER LA FUENTE DE ENERGÍA ,
INAGOTABLE, BARATA Y MEADIOAMBIENTALMENTE
ACEPTABLE DEL FUTURO
www.iter.org
