Demostración de la central eléctrica

Instalación de fusión planificada

Concepto artístico de DEMO conectado a la red eléctrica.

DEMO , o una planta de energía de demostración (a menudo estilizada como planta de energía DEMOnstration ), se refiere a una clase propuesta de reactores experimentales de fusión nuclear que están destinados a demostrar la producción neta de energía eléctrica a partir de la fusión nuclear. La mayoría de los socios del ITER tienen planes para sus propios reactores de clase DEMO. Con la posible excepción de la UE y Japón, no hay planes de colaboración internacional como sí hubo con ITER. ^{[1] [2]}

Los planes para reactores de clase DEMO están destinados a aprovechar el reactor de fusión nuclear experimental ITER . ^{[3] [4]}

El diseño de reactor clase DEMO más conocido y documentado es el de la Unión Europea (UE). Los siguientes parámetros se han utilizado como base para los estudios de diseño: la DEMO de la UE debería producir al menos 2000 megavatios (2 gigavatios ) de energía de fusión de forma continua, y debería producir 25 veces más energía de la necesaria para alcanzar el equilibrio científico, lo que No incluye la energía requerida para operar el reactor. El diseño EU DEMO de 2 a 4 gigavatios de potencia térmica estará a la escala de una central eléctrica moderna . ^[5] Sin embargo, el valor nominal de la turbina de vapor es de 790 megavatios, lo que, tras superar una pérdida del 5% debido al acoplamiento de la turbina al generador síncrono, da como resultado un valor nominal de producción de energía eléctrica de aproximadamente 750 megavatios. ^{[sesenta y cinco}

Para lograr sus objetivos, si se utiliza un diseño de tokamak convencional, un reactor DEMO debe tener dimensiones lineales aproximadamente un 15% más grandes que el ITER y una densidad de plasma aproximadamente un 30% mayor que el ITER. Según el cronograma de EUROfusion , está previsto que la operación comience en 2051. ^[7]

Se estima que se podrían construir reactores de fusión comerciales posteriores por aproximadamente una cuarta parte del coste de DEMO. ^{[8] [9]} Sin embargo, la experiencia del ITER sugiere que el desarrollo de un ciclo de innovación tecnológica multimillonario basado en tokamak capaz de desarrollar centrales eléctricas de fusión que puedan competir con tecnologías energéticas no basadas en la fusión probablemente se tope con el "valle de la "Problema de muerte" en el capital de riesgo , es decir, inversión insuficiente para ir más allá de los prototipos, ^[10] ya que los tokamaks DEMO necesitarán desarrollar nuevas cadenas de suministro ^[11] y requieren mucha mano de obra. ^[12]

El lugar de DEMO en el desarrollo de la energía de fusión

El Informe final del Comité sobre un plan estratégico para la investigación de plasma ardiente de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de EE. UU. de 2019 señaló que "un dispositivo DEMO grande ya no parece ser el mejor objetivo a largo plazo para el programa de EE. UU. En cambio, las innovaciones científicas y tecnológicas y el creciente interés y potencial de las empresas del sector privado para promover conceptos y tecnologías de energía de fusión sugieren que instalaciones más pequeñas y compactas atraerían mejor la participación industrial y acortarían el tiempo y el costo del camino hacia el desarrollo. energía de fusión comercial". ^[13] Aproximadamente dos docenas de empresas del sector privado ahora pretenden desarrollar sus propios reactores de fusión dentro del calendario de la hoja de ruta DEMO. ^{[14] [15]} Estados Unidos parece estar trabajando para crear una o más plantas de energía de fusión nacionales de clase DEMO sobre una base de costos compartidos. ^{[2] [16] [17]}

El anuncio del 3 de octubre de 2019 de la Energía Atómica del Reino Unido sobre su reactor esférico Tokamak para la producción de energía (STEP) ^[18] conectado a la red para 2040 sugiere una máquina de fase combinada DEMO/PROTO aparentemente diseñada para saltar el calendario del ITER. ^{[19] La máquina} CFETR propuesta por China , un reactor generador de gigavatios conectado a la red, se superpone al calendario de la DEMO. ^{[20] [21]} Japón también tiene planes para un reactor DEMO, el JA-DEMO, a través de su JT-60 actualizado , ^{[22] [23]} al igual que Corea del Sur (K-DEMO). ^[24]

En noviembre de 2020, un panel de expertos independientes revisó el diseño y el trabajo de I+D de EUROfusion en la DEMO de la UE, y EUROfusion confirmó que estaba avanzando con el siguiente paso de su hoja de ruta hacia la energía de fusión, es decir, el diseño conceptual de una DEMO en asociación con la Unión Europea. comunidad e industria de fusión, lo que sugiere una máquina de fase DEMO respaldada por la UE que podría llevar formalmente el nombre DEMO. ^[25]

En junio de 2021, General Fusion anunció que aceptaría la oferta del gobierno del Reino Unido de albergar la primera planta de demostración de fusión de asociación público-privada importante del mundo , en el Centro Culham de Energía de Fusión . La planta se construirá entre 2022 y 2025 y está destinada a liderar el camino para plantas piloto comerciales a finales de la década de 2020. La planta estará al 70% de su escala completa y se espera que alcance un plasma estable de 150 millones de grados. ^[26]

Historia del concepto

El concepto del reactor DEMO se remonta a los años 70. Un gráfico de WM Stacey muestra que en 1979, General Atomics y el Laboratorio Nacional Oak Ridge habían completado diseños DEMO . ^[27]

En una reunión de junio de 1986 organizada por la OIEA, los participantes acordaron la siguiente y concisa definición de reactor DEMO: "El DEMO es una central eléctrica completa que demuestra que todas las tecnologías necesarias para un prototipo de reactor comercial funcionan con la suficiente fiabilidad como para desarrollar suficiente confianza para estos reactores comerciales sean competitivos con otras fuentes de energía. La DEMO no necesita ser económica en sí misma ni tiene que ser del tamaño de un reactor a gran escala". ^[28]

Al año siguiente, un documento de la OIEA muestra los parámetros de diseño para un reactor DEMO en los EE. UU. por el Laboratorio Nacional Argonne, un reactor DEMO en Italia llamado FINTOR (Frascati, Ispra, Napoli Tokamak Reactor), un reactor DEMO en Culham (Reino Unido) y un reactor DEMO europeo llamado NET (Next European Torus). Los principales parámetros de NET fueron 628 MW de potencia eléctrica neta y 2200 MW de potencia térmica bruta, casi los mismos que el diseño actual DEMO de la UE. ^[29]

Línea de tiempo

El calendario de la DEMO de la UE se ha retrasado varias veces, tras el retraso en el calendario del ITER. El siguiente calendario fue presentado en la Conferencia sobre Energía de Fusión de la OIEA en 2004 por Christopher Llewellyn Smith : ^[8]

• El diseño conceptual debía completarse en 2017.
• El diseño de ingeniería deberá estar completo en 2024 (después de los aportes de las pruebas de ITER DT y los datos de IFMIF , ambos retrasados ​​a partir de 2016 ^[actualizar])
• La primera fase de construcción durará de 2024 a 2033.
• La primera fase de funcionamiento durará de 2033 a 2038.
• Luego se ampliará y actualizará la estación (p. ej., con el diseño general de la fase 2)
• La segunda fase de operación comenzará en 2040.

En 2012, el Acuerdo Europeo para el Desarrollo de la Fusión (EFDA) presentó una hoja de ruta hacia la energía de fusión con un plan que muestra las dependencias de las actividades DEMO del ITER y el IFMIF. ^[30]

• El diseño conceptual se completará en 2020 ^{[30] : 63}
• Diseño de ingeniería completo y decisión de construir en 2030.
• Construcción de 2031 a 2043
• Operación a partir de 2044, Demostración de generación eléctrica 2048

Esta hoja de ruta de 2012 debía actualizarse en 2015 y 2019. ^{[30] : 49} La EFDA fue reemplazada por EUROfusion en 2013. La hoja de ruta se actualizó posteriormente en 2018. ^[31]

• El diseño conceptual estará completo antes de 2030
• Diseño de ingeniería 2030-2040
• Construcción a partir de 2040

Esto implicaría que las operaciones comenzarían en algún momento de la década de 2050.

Consideraciones técnicas

La reacción de fusión deuterio - tritio (DT) se considera la más prometedora para producir energía de fusión .

Esquema de una planta de energía de fusión nuclear DEMO

Cuando el deuterio y el tritio se fusionan, los dos núcleos se unen para formar un estado resonante que se divide para formar a su vez un núcleo de helio (una partícula alfa ) y un neutrón de alta energía .

²
₁h
+³
₁h
→⁴
₂Él
+¹
₀norte
+ 17,6 MeV

La DEMO se construirá una vez que se hayan diseñado diseños que resuelvan los numerosos problemas de los reactores de fusión actuales. Estos problemas incluyen: contener el combustible de plasma a altas temperaturas, mantener una densidad suficientemente grande de iones que reaccionan y capturar neutrones de alta energía de la reacción sin derretir las paredes del reactor.

• La energía de activación para la fusión es muy grande porque los protones de cada núcleo se repelen fuertemente entre sí; ambos están cargados positivamente . Para fusionarse, los núcleos deben estar a 1 femtómetro (1 × 10 ⁻¹⁵ metros) entre sí, donde los efectos de túnel cuántico permiten que los núcleos originales se fusionen en el estado resonante. El principio es formar una distribución cuasi-maxwelliana para los deuterones y los tritones, a temperaturas muy altas, donde los núcleos de la cola del maxwelliano se fusionan, mientras que las continuas colisiones elásticas entre los demás núcleos no alterarán el estado del plasma.
• DEMO, un reactor Tokamak , requiere tanto plasma denso como altas temperaturas para que se mantenga la reacción de fusión.
• Las altas temperaturas dan a los núcleos suficiente energía para superar su repulsión electrostática . Esto requiere temperaturas en la región de 100 MK y se logra utilizando energía de diversas fuentes, incluido el calentamiento óhmico (a partir de corrientes eléctricas inducidas en el plasma), microondas , haces de iones o inyección de haz neutro.
• Los recipientes de contención se derriten a estas temperaturas, por lo que el plasma debe mantenerse alejado de las paredes mediante confinamiento magnético .

Una vez que la fusión ha comenzado, los neutrones de alta energía a aproximadamente 160 GK saldrán del plasma junto con los rayos X , sin verse afectados por los fuertes campos magnéticos. Dado que los neutrones reciben la mayor parte de la energía de la fusión, serán la principal fuente de producción de energía térmica del reactor. El producto de helio ultracaliente a aproximadamente 40 GK permanecerá atrás (temporalmente) para calentar el plasma y debe compensar todos los mecanismos de pérdida (principalmente rayos X bremsstrahlung debido a la desaceleración de los electrones) que tienden a enfriar el plasma con bastante rapidez.

• El recipiente de contención Tokamak tendrá un revestimiento compuesto por baldosas cerámicas o compuestas que contienen tubos por los que fluirá metal litio líquido caliente, enfriando el revestimiento.
• El litio absorbe fácilmente neutrones de alta velocidad para formar helio y tritio, calentándose en el proceso.
• Este aumento de temperatura se transmite a otro refrigerante (intermedio), posiblemente agua líquida (presurizada) , en una tubería presurizada sellada.
• El calor del refrigerante intermedio se utilizará para hervir agua en un intercambiador de calor .
• El vapor del intercambiador de calor se utilizará para impulsar turbinas y generadores, para generar corriente eléctrica .
• La energía térmica residual que excede la energía eléctrica generada se vierte al medio ambiente.
• El subproducto de helio es la "ceniza" de esta fusión y no se permitirá que se acumule demasiado en el plasma.
• Se vuelven a añadir al plasma cantidades cuidadosamente medidas de deuterio y tritio y se calientan.
• El litio se procesa para eliminar el helio y el tritio, y el resto se recicla para recolectar más calor y neutrones. Sólo se consume una pequeña cantidad de litio.

El proyecto DEMO está previsto para aprovechar y mejorar los conceptos de ITER. Dado que por el momento sólo se ha propuesto, muchos de los detalles, incluidos los métodos de calentamiento y el método para la captura de neutrones de alta energía, aún están indeterminados. ^{[32] [33] [34]}

Diseño conceptual

Todos los aspectos de DEMO se discutieron en detalle en un documento de 2009 de la Asociación de Fusión Euratom-UKAEA. ^[35] Se estudiaron cuatro diseños conceptuales PPCS A,B,C,D. Los desafíos identificados incluyeron: ^[35]

• Materiales estructurales resistentes al alto flujo de neutrones.
• Superconductores de alta temperatura , para evitar la necesidad de grandes cantidades de helio para enfriar , lo que desafiaría las reservas mundiales de helio.
• Necesidad de alta eficiencia en los sistemas de calefacción y accionamiento de corriente.

En el cronograma de 2012, el diseño conceptual debería estar terminado en 2020.

Desecho radioactivo

Si bien los reactores de fusión como ITER y DEMO no producirán desechos transuránicos ni de productos de fisión , que en conjunto constituyen la mayor parte de los desechos nucleares producidos por los reactores de fisión , algunos de los componentes de los reactores ITER y DEMO se volverán radiactivos debido a los neutrones que inciden sobre ellos. . Se espera que se desarrollen materiales de revestimiento de plasma de modo que los desechos producidos de esta manera tengan vidas medias mucho más cortas que los desechos de los reactores de fisión, y que los desechos sigan siendo dañinos durante menos de un siglo. ^[36] El desarrollo de estos materiales es el objetivo principal de la Instalación Internacional de Irradiación de Materiales de Fusión . El proceso de fabricación de tritio actualmente conlleva la producción de residuos de larga duración. Sin embargo, mientras que el tritio del ITER en sus primeras etapas procederá principalmente del funcionamiento actual de los reactores de fisión CANDU de agua pesada , ^[37] el ITER en sus primeras etapas (hasta cierto punto) y DEMO deberían poder producir su propio tritio gracias a la cría de tritio . ^[38] prescindiendo del reactor de fisión utilizado actualmente para este fin.

PROTO

PROTO fue una propuesta para un experimento más allá de DEMO, parte de la estrategia a largo plazo de la Comisión Europea para la investigación de la energía de fusión. PROTO actuaría como un prototipo de central eléctrica, incorporando cualquier mejora tecnológica restante y demostrando la generación de electricidad a nivel comercial. Solo se esperaba después de DEMO, más allá de 2050, y probablemente no será la segunda parte de un experimento DEMO/PROTO, ya que ya no aparece en la documentación oficial. ^[39]

Ver también

• Reactor de prueba de ingeniería de fusión de China
• proceso COLEX
• ITER
• PROTO
• Tokamak esférico para producción de energía

Referencias

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