Concepto artístico de DEMO conectado a la red eléctrica
DEMO , o 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 tienen como objetivo 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 para una colaboración internacional como la que hubo con el ITER. [1] [2]
Los planes para los reactores de clase DEMO tienen como objetivo basarse en el reactor de fusión nuclear experimental ITER . [3] [4]
El diseño de reactor de 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: el reactor de clase DEMO de la UE debe producir al menos 2000 megavatios (2 gigavatios ) de energía de fusión de forma continua, y debe producir 25 veces más energía que la requerida para el punto de equilibrio científico, que no incluye la energía necesaria para operar el reactor. El diseño de la clase DEMO de la UE de 2 a 4 gigavatios de salida 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, después de superar una pérdida del 5% debido al acoplamiento de la turbina al generador síncrono, da como resultado un valor nominal de salida de energía eléctrica de aproximadamente 750 megavatios. [6] :5
Para lograr sus objetivos, si se utiliza un diseño de tokamak convencional, un reactor DEMO debe tener dimensiones lineales aproximadamente un 15 % mayores que las del ITER y una densidad de plasma aproximadamente un 30 % mayor que la del ITER. Según el cronograma de EUROfusion , está previsto que comience a funcionar en 2051. [7]
Se estima que los reactores de fusión comerciales posteriores podrían construirse por aproximadamente una cuarta parte del costo de DEMO. [8] [9] Sin embargo, la experiencia del ITER sugiere que el desarrollo de un ciclo de innovación tecnológica basado en tokamak de miles de millones de dólares estadounidenses capaz de desarrollar centrales eléctricas de fusión que puedan competir con tecnologías de energía no de fusión es probable que se enfrente al problema del "valle de la 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
En el Informe final del Comité sobre un plan estratégico para la investigación de plasma ardiente en Estados Unidos de 2019 de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de Estados Unidos se señalaba que "un gran dispositivo DEMO ya no parece ser el mejor objetivo a largo plazo para el programa estadounidense. En cambio, las innovaciones científicas y tecnológicas y el creciente interés y potencial de las empresas del sector privado para avanzar en los conceptos y tecnologías de energía de fusión sugieren que instalaciones más pequeñas y compactas atraerían mejor la participación industrial y acortarían el tiempo y reducirían el costo del camino de desarrollo hacia la energía de fusión comercial". [13] Aproximadamente dos docenas de empresas del sector privado apuntan ahora a desarrollar sus propios reactores de fusión dentro del cronograma de la hoja de ruta DEMO. [14] [15] Estados Unidos parece estar trabajando para lograr una o más plantas nacionales de energía de fusión de clase DEMO sobre una base de costos compartidos. [2] [16] [17]
El anuncio del 3 de octubre de 2019 de UK Atomic Energy sobre su reactor conectado a la red Spherical Tokamak for Energy Production (STEP) [18] para 2040 sugiere una máquina de fase combinada DEMO/PROTO aparentemente diseñada para adelantarse al cronograma del ITER. [19] La máquina CFETR propuesta por China , un reactor generador de gigavatios conectado a la red, se superpone al cronograma DEMO. [20] [21] Japón también tiene planes para un reactor DEMO, el JA-DEMO, a través de su JT-60 mejorado , [22] [23] al igual que Corea del Sur (K-DEMO). [24]
En noviembre de 2020, un panel de expertos independientes revisó el trabajo de diseño e I+D de EUROfusion en el DEMO de la UE, y EUROfusion confirmó que estaba avanzando con el siguiente paso de su hoja de ruta hacia la energía de fusión, a saber, el diseño conceptual de un DEMO en asociación con la comunidad y la industria de fusión europeas, sugiriendo 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 sustancial del mundo, en el Culham Centre for Fusion Energy . La planta se construirá entre 2022 y 2025 y está destinada a liderar el camino para las plantas piloto comerciales a fines de la década de 2020. La planta tendrá el 70% de la 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 la década de 1970. Un gráfico de WM Stacey muestra que en 1979, General Atomics y Oak Ridge National Laboratory ya habían completado sus diseños . [27]
En una reunión de junio de 1986 organizada por el OIEA, los participantes acordaron la siguiente definición concisa de reactor DEMO: "El DEMO es una central eléctrica completa que demuestra que todas las tecnologías requeridas para un prototipo de reactor comercial funcionan de manera suficientemente fiable como para generar la confianza suficiente para que esos reactores comerciales sean competitivos con otras fuentes de energía. El DEMO no necesita ser económico en sí mismo ni tampoco tiene que ser del tamaño de un reactor a escala real". [28]
El año siguiente, un documento del OIEA muestra los parámetros de diseño de un reactor DEMO en los EE. UU. diseñado por el Laboratorio Nacional de Argonne, un reactor DEMO en Italia llamado FINTOR (reactor Tokamak de Frascati, Ispra, Napoli), un reactor DEMO en Culham (Reino Unido) y un reactor DEMO europeo llamado NET (Next European Torus). Los principales parámetros del NET eran 628 MW de potencia eléctrica neta y 2200 MW de potencia térmica bruta, casi los mismos que el diseño actual del reactor DEMO de la UE. [29]
Cronología
El calendario de la UE para el proyecto DEMO se ha retrasado varias veces, como ocurrió con el calendario del ITER. El siguiente calendario fue presentado en la Conferencia sobre Energía de Fusión del OIEA en 2004 por Christopher Llewellyn Smith : [8]
El diseño conceptual debía completarse en 2017.
El diseño de ingeniería se completará en 2024 (después de los aportes de las pruebas DT del ITER y los datos del IFMIF , ambos retrasados a partir de 2016 [actualizar])
La primera fase de construcción durará de 2024 a 2033.
La primera fase de operación durará de 2033 a 2038.
La estación se ampliará y actualizará posteriormente (por ejemplo, con el diseño de la manta 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 mostraba las dependencias de las actividades de DEMO en ITER e IFMIF. [30]
El diseño conceptual se completará en 2020 [30] : 63
El diseño de ingeniería está completo y se ha tomado la decisión de construirlo en 2030
Construcción desde 2031 hasta 2043
Operación a partir de 2044, Demostración de generación eléctrica 2048
Se pretendía que esta hoja de ruta de 2012 se actualizara en 2015 y 2019. [30] : 49 La EFDA fue sustituida por EUROfusion en 2013. La hoja de ruta se actualizó posteriormente en 2018. [31]
El diseño conceptual se completará 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
El DEMO se construirá una vez que se diseñen diseños que resuelvan los numerosos problemas de los reactores de fusión actuales, entre ellos: contener el combustible de plasma a altas temperaturas, mantener una densidad suficientemente grande de iones reactivos y capturar neutrones de alta energía de la reacción sin fundir las paredes del reactor.
La energía de activación para la fusión es muy grande porque los protones en cada núcleo se repelen fuertemente entre sí; ambos tienen carga positiva . Para fusionarse, los núcleos deben estar a una distancia de 1 femtómetro (1 × 10 −15 metros) entre sí, donde los efectos de efecto túnel cuántico permiten que los núcleos progenitores 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 en la cola del maxwelliano experimentan fusión, mientras que las colisiones elásticas continuas entre los otros núcleos no alterarán el estado del plasma.
DEMO, un reactor Tokamak , requiere plasma denso y altas temperaturas para que se mantenga la reacción de fusión.
Las altas temperaturas proporcionan a los núcleos la energía suficiente para superar su repulsión electrostática . Esto requiere temperaturas en el orden de los 100 MK y se consigue utilizando energía procedente de diversas fuentes, entre ellas el calentamiento óhmico (a partir de corrientes eléctricas inducidas en el plasma), microondas , haces de iones o inyección de haces neutros.
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 unos 160 GK saldrán del plasma junto con los rayos X , sin que ninguno de ellos se vea afectado por los fuertes campos magnéticos. Dado que los neutrones reciben la mayor parte de la energía de la fusión, serán la principal fuente de energía térmica del reactor. El producto de helio ultracaliente a unos 40 GK permanecerá atrás (temporalmente) para calentar el plasma y debe compensar todos los mecanismos de pérdida (principalmente rayos X de bremsstrahlung por la desaceleración de los electrones) que tienden a enfriar el plasma con bastante rapidez.
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 sellada y presurizada. El litio (especialmente cuando está fundido) reacciona violentamente con el agua, incluso con la humedad del aire y la humedad de otras sustancias, liberando gas hidrógeno, que puede incendiarse y provocar una explosión.
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 crear corriente eléctrica .
El exceso de energía térmica residual de 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 agregan nuevamente 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. Solo se consume una pequeña cantidad de litio.
El proyecto DEMO está pensado para desarrollar y mejorar los conceptos del ITER. Dado que todavía no se ha propuesto, muchos de los detalles, incluidos los métodos de calentamiento y el método para la captura de neutrones de alta energía, aún no están determinados. [32] [33] [34]
Diseño conceptual
Todos los aspectos de DEMO se analizaron 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.
PROTO era una propuesta para un experimento posterior a 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 los refinamientos tecnológicos restantes y demostrando la generación de electricidad a nivel comercial. Se esperaba que se realizara 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]
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