la Energía del Siglo XXI

Transcripción

EFDA
European Fusion Development Agreement - Close Support Unit - Garching
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
Alberto Loarte Prieto – Charla Fusión Nuclear – Abril 2000
-1-
EFDA
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
-2-
EFDA
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
Assumes world population
stablizes at 10 billion,
consuming at 2/3 U.S. 1985 rate
300
Energy consumption
(billion barrels of
oil equiv. per year)
200
Shortfall must be
supplied by
alternative sources
World energy
consumption
Energy available
(fossil, hydro,
non-breeder fission)
100
0
1900
2000
Now
2100
2200
Shortfall begins
Year (A.D.)
-3-
2300
EFDA
•
Desarrollo de Países en Vías de Desarrollo
creará una gran Demanda de Energía
Growth in population and energy
demand 1987 – 2020
1987
INDUSTRIALISED
COUNTRIES
DEVELOPING
COUNTRIES
INDUSTRIALISED
COUNTRIES
DEVELOPING
COUNTRIES
POPULATION
ENERGY
2020
POPULATION
ENERGY
-4-
EFDA
Uso de Combustibles fósiles produce CO
• (Carbón
: 1000 Mwe = 32000 Ton. CO por Día)
2
2
(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 CO2 son
necesarias en el Siglo XXI
-5-
EFDA
2. Principios Físicos de Fusión (y Fisión)
nuclear
•
Reacciones químicas exotérmicas:
A+B
Æ
C + D + Energía
MA + MB
=M
C
+ 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
-6-
EFDA
•
Constitución de la Materia
La Materia está hecha de Átomos
Átomo
II
+
0
Núcleo (Z-protones , N Neutrones )
+
-
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
se repelen)
Æ
-7-
EFDA
•
Teoría de la Relatividad especial :
2
E=mc
(c = 300.000 Km/s : Velocidad de la Luz)
¡ La Masa es una Forma de Energía !
m
E=
E≈m
0
c
2
+
1
m
2
0
v
2
2
v
 
c
1 −
E→∞
•
c
0
2
(v << c ) (Des. Taylor)
v→c
v≤c
Reacciones nucleares exotérmicas:
A+B
Æ
C + D + Energía
Energía = [(MA+MB) – (MC+MD)] c2
• Procesos nucleares con (M +M ) >> (M +M ) :
A
B
C
D
• Fisión nuclear (Centrales nucleares actuales)
• Fusión nuclear (Estrellas)
-8-
EFDA
• Energía del Enlace nuclear
Nuclear binding energy released
D
3He
Fusion
D
3He
Energy
released
in Fusion
T
T
Li
4He
U
Deuterium
Helium 3
Tritium
Lithium
Helium 4
Uranium
Fission
Li
4He
U
Energy released
in fission
JG97.362/4c
D
Atomic mass
n
u•
4He
T
FUSION
Hydrogen = 1H1
1
1H
FISSION
Deuterium = 1H2
Tritium = 1H3
2
1H
3
1H
La Fusión nuclear en Estrellas ha producido toda
la Materia del Universo a partir de Hidrógeno (H,D)
-9-
EFDA
• 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
- 10 -
EFDA
¿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
- 11 -
2
EFDA
Entonces, ¿Qué hay que hacer para que funcione?
a) Lanzar el Núcleo A contra el B a alta Velocidad
A Æ
Å B
b) Que A se choque con B
Difícil porque A y B son muy pequeños
(Experimento de Dispersión α 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)
- 12 -
EFDA
¿Qué pasa cuando se calienta Algo a Millones °C?
Al subir la Temperatura los Átomos/Moléculas se
mueven más deprisa
–
+
+
+ –
–
+
–
Cold
Warm
Hot
Hotter
Solid:Ice
Liquid: Water
Gas: Steam
Plasma
A Millones de °C los Átomos colisionan unos con
otros a alta Energía y se arrancan los Electrones
+
-
Materia = “Sopa” Nucleos + Electrones = Plasma
- 13 -
EFDA
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
- 14 -
EFDA
3. Fusión como Fuente de Energía :
Confinamiento magnético e inercial
Reacción Fundamental de la Energía de Fusión
2
3
D (10KeV) + 1T(10KeV)
1
Æ
4
1
He (3.5 MeV) + 0n (14.1 MeV)
2
4
La Energía del 2He se reutiliza en calentar
1
2
1
3
D, 1T
La Energía del 0n se utiliza en Producción de Vapor de
Agua (+ Turbina
Æ
Electricidad)
- 15 -
EFDA
• Fuentes de los Combustibles : Deuterio y Tritio
El 0,02% del Agua es D2O en vez de H2O
El Litio es abundante en la Corteza terrestre
4
D+ T
He + n
Tritium production
6
Li + n
4
7
Li + n
4
He + T + n
Deuterium + Lithium
Helium + Energy
He + T
- 16 -
EFDA
• Esquema Reactor de Fusión
Reactor containment
Lithium
blanket
Deuterium
Li
Primary
fuels
Vacuum
vessel
Plasma
DT
n
T + He
DT
DT, He
Helium
4He 4He
Lithium
Generator
JG95.113/55c
Steam
generator
- 17 -
Turbine
EFDA
• Comparación Fuentes de Energía
~2,000,000 TONNES
(21,010 RAILCAR LOADS)
COAL
OIL
~1,300,000 TONNES
(10,000,000 BARRELS)
FISSION
~30 TONNES UO2
(ONE RAILCAR LOAD)
FUSION
~0.6 TONNES D
(ONE PICKUP TRUCK)
- 18 -
EFDA
• 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.
- 19 -
EFDA
• No Residuos radiactivos de larga Vida.
Comparison of Relative Radiotoxicity
from various power sources
108
EFR A
EFR B
107
PWR
105
104
103
Coal
102
Fusion
Model 2
101
Fusion
Model 1
1
0
50
JG97.362/11c
Relative radiotoxicity
106
100 150 200 250 300 350 400 450 500
Time after shutdown (years)
• Desventajas de la Fusión Nuclear
Reactores tecnológicamente complejos.
Procesos físicos no completamente
entendidos
- 20 -
EFDA
•
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)
nTττ (Producto de Fusión)
Confinamiento
- 21 -
EFDA
•
Tipos de Confinamiento
Gravitacional (Estrellas): Fuerza de Gravitación
Alta n, Media T, Largo τ
Inercial (Láseres): Implosión
Muy alta n, Alta T, Muy Corto τ
Magnético (Toroides): Fuerza Electromagnética
Baja n, Muy alta T, Medio τ
- 22 -
EFDA
•
Confinamiento inercial
Implosión por Iluminación externa
Fuel
Shell
1018 –1019 Wm–2
Laser or particle beams
100 million atmosphere plasma envelope formed
Láser Nova (LLNL EEUU)
Muy complicado
Láseres de alta Potencia son
energéticamente muy ineficientes
- 23 -
EFDA
Láser Nova (LLNL EEUU)
- 24 -
EFDA
•
Confinamiento Magnético
Corriente eléctrica = Carga eléctrica en Movimiento
Corriente eléctricas crean Campos magnéticos (B)
Fuerza de Lorentz “ata” las Partículas cargadas al
Campo magnético
&
&
*
F=q v × B
Sin
Pérdidas
&
B
Con
&
B
&
B se eliminan en Configuraciones
©
toroidales (Donuts )
- 25 -
EFDA
•
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
- 26 -
EFDA
4. Confinamiento Magnético : Tokamaks
y Stellerators
Tokamaks
•(“Cámara
Toroidal con Bobinas Magnéticas”,
Es el Sistema más avanzado
Utiliza el Principio del Transformador
(Ia , Va )
Æ (I
b
, Vb )
- 27 -
)
en Ruso
EFDA
Esquema del Tokamak
spule
Magnetspule
(Zusatzfeld)
Plasmastrom
Plasma
Magnetfeldlinie
- 28 -
Magnetspule
(Hauptfeld)
EFDA
Esquema Joint European Torus (JET)
- 29 -
EFDA
Joint European Torus (JET)
- 30 -
EFDA
Joint European Torus (JET) en Construcción
- 31 -
EFDA
- 32 -
EFDA
Procesos de Interacción Plasma-Pared
Desviadores Poloidales
Slow drift
across fields
Plasma
Impurities
Cryopump
JG97.367c
•
- 33 -
EFDA
•
Producción de Energía de Fusión con
Tokamaks
Los mejores Resultados del JET Pfusion ~ Pcalentamiento
- 34 -
EFDA
Progreso en Fusión Nuclear (19969 –2000)
Reactor
conditions
100
Ignition
Inaccessible
region
g
TFTR
m
it
of
Br
em
ss
tra
hl
un
10
1
ALC-C
FT
Li
Fusion product, niτE. Ti (x1020 m–3 s.keV)
QDT=1
JT-60U
JET
TFTR
JET
1997
JET
DIII-D
JET
TFTR
JT–60U
JET
TFTR
JET
DIII-D
TFTR QDT=0.1
JT-60
DIII-D
TFTR
Reactor–relevant
DIII-D
conditions
TEXTOR
ALC-A ASDEX
0.1
Year
PLT
1980
PLT
T10
TFR
TFR
0.01
1970
T3
D–T Exp
JG98.208/13c
0.1
1
10
Central Ion temperature Ti (keV)
- 35 -
1965
100
EFDA
•
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
- 36 -
EFDA
Stellerator TJ-II (Ciemat, Madrid)
Stellerator Wendelstein – 7 X (en Construcción)
- 37 -
EFDA
Fusionsprodukt = Dichte x Energieeinschlußzeit x Temperatur
(1017 Teilchen pro Kubikzentimeter x Sekunde x Grad)
Comparación Tokamaks/Stellerators
1.000.000
Zündung
JT 60-U
ITER
JET
(DT, 1997)
100.000
JET
WENDELSTEIN 7-X
TFTR
JET
TFTR
10.000
(DT, 19994)
(DT, 1991)
DIII-D
ALCATOR
ALCATOR C-mod
TFTR
JET
ASDEX
Upgrade
Tore Supra
JT 60
1.000
ASDEX
T 10
100
Pulsator
WENDELSTEIN
7-AS
WENDELSTEIN
7-A
ASDEX
ISAR 1
geplant
bis 1999
T3
10
bis 1986
bis 1977
bis 1965
T3
1
1
10
100
200
500
1.000
Temperatur (Millionen Grad)
ALCATOR: Boston, USA
ASDEX, ASDEX Upgrade: Garching, D
D III-D: San Diego, USA
ISAR 1: Garching, D
ITER: EU, Japan, USA, Rußland
JET: Culham, GB
JT 60, JT 60-U: Naka, Japan
TFTR: Princeton, USA
Tore Supra: Cadarache, F
T 3, T 10: Moskau, Rußland
WENDELSTEIN: Garching, D
- 38 -
Stand: Januar 1999
EFDA
•
La Tecnología de Fusión es desafiante
Robótica para Mantenimiento e Instalación
- 39 -
EFDA
- 40 -
EFDA
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
- 41 -
EFDA
Vista global de ITER
Cryostat
Super
conducting
magnets
Plasma
Central
solenoid
Shielding
blanket
modules
Divertor
J G9
- 42 -
9
3/5
5.11
c
EFDA
Tokamak y Sistemas auxiliares
- 43 -
EFDA
•
Prototipos de algunos Elementos construidos
Cámara Toroidal de Vacío (Japón)
- 44 -
EFDA
Robots para Instalación y Mantenimiento (UE)
- 45 -
EFDA
Bobina del Solenoide Central (EEUU)
- 46 -
EFDA
6. Conclusiones
•
La Fusión Nuclear es la Fuente de Energía del
•
La Física y la Ingeniería necesaria para la
•
Tras 40 años de Investigación estamos listos
•
Páginas Web sobre Energía de Fusión :
Siglo XXI (Limpia, Segura, Inagotable)
Fusión Nuclear son desafiantes (+interesantes)
para construir el primer Reactor experimental
([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)
- 47 -

la Energía del Siglo XXI

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