Campos magnéticosen un stellarator

Confinamiento magnético El plasma, formado por iones de hidrógeno concarga eléctrica positiva (protones) y electronescuya carga es negativa, se confina en una cáma-ra de forma toroidal, alejado de las paredesmediante intensos campos magnéticos. Estemodo de alcanzar la fusión, llamado “confina-miento magnético”, se basa en el fenómeno físi-co por el cual las partículas cargadas que consti-tuyen el plasma orbitan alrededor de las líneasdel campo magnético. Si el campo magnético essuficientemente fuerte y las líneas del campomagnético forman superficies cerradas, los ionesy electrones permanecen atrapados en estassuperficies magnéticas hasta que colisionan conotra partícula. Principalmente, dos tipos demáquinas se basan en esta idea: los tokamaks ylos stellarators. Existen otras configuracionesmagnéticas como las estricciones de campoinvertido (“reversed field pinch”) y los toka-maks esféricos. Hasta el momento, los tokamaksson los que mejor resultado han dado. Para con-seguir suficientes reacciones de fusión en undispositivo de confinamento magnético, es nece-sario calentar el plasma mediante microondas ohaces de partículas hasta alcanzar la temperaturacorrecta. Una vez que el proceso de fusióncomienza se genera gran cantidad de los produc-tos de la fusión, núcleos de helio y neutrones.

Plasma en ignición Uno de los productos de las reacciones de fu-sión D-T, los núcleos de helio (partículas alfa),absorben el 20% (3,5 MeV) de la energía defusión liberada en forma de energía cinética.Como están cargadas eléctricamente, las partí-

culas alfa se frenan en el plasma confinado porcampos magnéticos y pueden transferir su ener-gía al combustible de deuterio y tritio. Este pro-ceso de “auto-calentamiento”, que sólo tienelugar en dispositivos suficientemente grandes,permite que se alcance la temperatura requeridapara la fusión con una pequeña aportación deenergía externa o incluso sin ella. En este últimocaso se dice que el plasma está en ignición.Además de los núcleos de helio, cada reacciónde fusión produce un neutrón que transporta el80% (14 MeV) de la energía de fusión liberada.Los neutrones no están confinados por camposmagnéticos y pasan directamente al “manto” quecubre las paredes del toroide, donde su energíaes absorbida. En una central de fusión, un siste-ma de refrigeración absorberá el calor del manto.Del mismo modo que en una central eléctricaconvencional, este refrigerante puede utilizarsepara generar vapor, a través de intercambiadores,mover las turbinas y así producir electricidad.

Fusión inercial La fusión nuclear también puede alcanzarse enla tierra mediante el denominado “confinamien-to inercial”. En este método una pastilla de unospocos milímetros de diámetro, rellena con com-bustible de deuterio y tritio, se ilumina simultá-neamente con muchos haces de láseres de altapotencia o haces atómicos. La ablación de lasuperficie de las pastillas provoca la compresióndel resto, hasta tal punto que se produce un grannúmero de reacciones de fusión en la zona cen-tral. El principal desafío de la fusión inercial eslograr una iluminación uniforme y suficiente-mente potente con una alta frecuencia de repeti-ción: en un reactor de fusión típico se deberíancalentar y quemar alrededor de 10 ó 20 pastillaspor segundo.

EFDA

Campos magnéticos en un tokamak

Una opción enerLa fusión es una de las bles para el futuro de lahecho, la fusión ofrece to seguro y compatible un suministro de combunible. Una vez desarrollpara desempeñar un impenergía eléctrica de basecas que también satisfac

Hitos importantes eLa investigación en fusión húltimas décadas en todo el marrollaron rápidamente a prinplanificaron ya los primeros y tritio. En 1991 se consiguitierra las primeras reaccioneliberando una potencia de futante hito para la fusión se loy operado por físicos e ingenTorus), cerca de Oxford (Rede fusión de hasta 10 MW eel éxito del JET aumentó cuencima de 10 MW durante a

El “siguiente paso” Estos resultados, junto con omundo, han permitido el dessarias para planificar “el siguEste proyecto, un tokamak dducción de centenares de mecación de potencia” (el cociepotencia del calentamiento eplasmas cercanos a la igniciórequeridas para una central elogías necesarias para conve

Primer tokInstituto K(Federaci

Bobina de CampoPoloidal

Bobina de CampoToroidal

Corriente del PlasmaLínea de Campo Magnético

Plasma

DIII - D

JET

Una imagen compuestaJET, mostrando el p

rgética sostenible as pocas opciones energéticas sosteni- la humanidad a largo plazo. Dece la perspectiva de un funcionamien-le con el medio ambiente, así comobustible seguro y ampliamente dispo-ollada, tiene el potencial necesariomportante papel en la producción dease junto con otras fuentes energéti-facen estos importantes requisitos.

Laboratorios de Fen fusión

n ha experimentado un progreso enorme en lasl mundo. Los experimentos con tokamaks se des-rincipios de los 70, cuando se

os experimentos con deuteriouieron por primera vez en lanes controladas de fusión D-T fusión de 1,7 MW. Este impor-e logró en un tokamak construidogenieros de toda Europa, el JET (Joint EuropeanReino Unido). En 1994 se produjo una potencia

en el tokamak estadounidense TFTR. En 1997cuando se consiguieron potencias de fusión pore algunos segundos, con un máximo de 16 MW.

n otros de los diferentes tokamaks de todo eldesarrollo de las bases técnicas y científicas nece-iguiente paso” con un alto grado de confianza.k denominado ITER, tiene como objetivo la pro-megavatios de energía de fusión y una “amplifi-ciente entre la potencia de fusión generada y lao externo del plasma) mayor de 10. Produciráción, aunque por debajo de las condicionesl eléctrica de fusión e integrará todas las tecno-vertir la fusión en una fuente de energía viable.

Una fuente de energía sin CO2La reducción de las emisiones de gases que producen el efecto invernadero es un pro-blema urgente para evitar el gran daño medioambiental causado por el aumento globalde la temperatura, la subida del nivel del mar, el cambio en la distribución de las preci-pitaciones, etc. Los acuerdos del Protocolo de Kyoto son sólo el primer paso. Una con-tribución importante para evitar el cambio climático debe venir del desarrollo e imple-mentación de tecnologías energéticas con emisiones de gases de efecto invernadero casinulas. En las plantas de energía de fusión no existirán esas emisiones: la fusión es unade las pocas opciones posibles, a largo plazo, para una producción de energía a granescala, de forma centralizada.

kamak en elKurchatov ión Rusa)

JT - 60 U

Evolución del consumo deen el periodo 1971 a 20

del toroide plasma

Energía de fusión producidaen JET

El combustible para la fusión - prácticamente inagotable El deuterio (D) y el tritio (T), los combustibles de la fusión, son los isótopos de hidrógeno más pesa-dos y menos comunes. El deuterio está ampliamente distribuido geográficamente - hay alrededor de35 gramos de D por cada metro cúbico de agua - y su obtención no es cara. El tritio, con una vidamedia de 12 años, es extremadamente raro en la naturaleza ya que sólo los rayos cósmicos puedenoriginarlo. Sin embargo, se puede producir en una central de fusión a partir de litio, que es uno de losmetales ligeros más abundantes en la corteza terrestre. La cantidad de combustible necesario en unaplanta de fusión es muy pequeña. Se necesitarán tan sólo 100 kg de deuterio (correspondiente a 2800toneladas de agua del mar) y 150 kg de tritio (correspondiente a 10 toneladas del mineral de litio)para operar una central de una potencia eléctrica de 1 GW durante un año.

Fusión en el Mundo

15

5

10

00 1.0 2.0 3.0 4.0

Q≈0.2

Q≈0.64

5.0 6.0

Tiempo (s)

Po

ten

cia

de

Fu

sió

n (

MW

)

JET(1997)

JET(1997)

JET(1991)

JG00

.57/

1c

Poca cantidad dparada rápidaLa minúscula cantidadplasma es una caracterintríseca de una centralde energía de fusión, iggas, deberá ser alimentpor un suministro extercámara donde se produinyecta la pequeña canrequerida para su funcisegundos. Esto significfusión pueden ser interdos, parando la inyeccicampo magnético, permdetenga rápidamente site su funcionamiento. Dmantener las condicionma hace que la fusión nintrínsecamente seguro

Aspectos de segEn una central de fusióración de energía, cuanfusión en el plasma, estradiactivo de los materestructura que rodea al seguridad han demostraenergía es suficientemeincluso en caso de una refrigeración activa, la temperatura que supong.

PetróleoCombustibles Ren

CarbónHidroeléctrica

1

1980

23456789

0

10

e energía primaria000 (en Mtoe)

Evolución de la concentración de CO2en el tiempo

EFD

A

Desarrollo de materiales estructu-rales de baja activación No hay productos radioactivos procedentes de lapropia reacción de fusión. Sin embargo, los neu-trones producidos son de un nivel alto de ener-gía (14 MeV). Además de convertir el litio entritio en el manto, los neutrones interaccionancon las paredes de la cámara de plasma y de loscomponentes internos, activando los materialescon que estan construidos. La radioactividadgenerada por el reactor de fusión dependerá dela elección de los materiales usados en la con-strucción de estos componentes, lo que abre laposibilidad de reducir considerablemente elnivel de residuos de las futuras centrales nuclea-res de fusión. Una tarea importante de investiga-ción es, por tanto, el desarrollo de aceros debaja activación o aleaciones de vanadio ycromo. También se están evaluando materialescerámicos y compuestos de fibras debido a supotencial de baja activación para aplicaciones amás largo plazo. Los resultados obtenidos en losestudios de desarrollo de materiales realizadoshasta hoy, muestran que la radioactividad produ-cida durante el funcionamiento de las centralesde fusión disminuirá rápidamente hasta nivelesen los que la reutilización de los materiales seráposible en unos cien años.

Tritio: producido y quemado en elemplazamiento Un rasgo específico de una central de fusión esque el único componente radiactivo del combu-stible, el tritio, se produce dentro del propioreactor en un manto que rodea al plasma y quecontiene litio. Los neutrones liberados por lasreacciones de fusión reaccionan con el litio con-virtiéndolo en tritio. Por tanto, el único compo-nente radiactivo del combustible se produce y sequema dentro del reactor y no requiere transpor-te, excepto durante la puesta en marcha y el des-mantelamiento de la central.

Sin emisiones radioactivas dañinasLos materiales primarios del combustible defusión, litio y deuterio, no son radioactivos ypueden ser transportados sin problemas a la cen-tral. La “ceniza” de la reacción de fusión es unapequeña cantidad del gas inerte helio que tam-poco es radiactivo. Los exhaustivos estudios deseguridad realizados han demostrado que unacentral de fusión puede operar sin riesgo de quese produzcan escapes radiactivos dañinos paralos seres humanos ni para el medioambiente. Lacantidad máxima de tritio que puede ser liberadaen cualquier accidente concebible generado enel interior del reactor ha sido evaluada comosuficientemente pequeña para que no sea nece-saria la evacuación de personas situadas en elexterior del perímetro de la instalación.

de combustible -

ad de combustible en elerística de la seguridadral de fusión. Una central igual que una central de

entada de forma continuaterno de combustible. En laduce la reacción sólo seantidad de combustiblencionamiento durante unosfica que las reacciones deerrumpidas en unos segun-

cción de combustible o elermitiendo que el reactor se si surgen problemas duran-. De hecho, la dificultad deones requeridas en el plas-n nuclear sea un procesoro.

guridad intrínseca sión la única fuente de libe-ando no hay reacciones deestá asociada al decaimientoeriales activados en laal plasma. Los estudios de

strado que esta fuente demente pequeña para quena pérdida prolongada de lala estructura no alcance unaonga riesgo alguno.

260

280

300

320

340

360

380

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

AÑO

D57

D47

Siple

Polo sur

Con

cent

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e C

O2

(ppm

)

Gasnovables

Nuclear

1990 2000 D+T

Plasma

Manto(contiene Litio)

Intercambiador de Calor

Cámara de Vacío

Generador de Vapor

Turbina y Alternador

D

Energía Eléctrica

Helio

Tritio y Helio

Tritio

Combustible de Deuterio

Bobina Superconductora

4He

T+4He

Estructurade Contención

JG99.278/3c

Esquema de una central eléctricade fusión

Integración de un prototipo de divertor

ITER: costes y programación Se prevé que la construcción del ITER requeriráuna inversión directa de capital de alrededor de4600 millones de Euros compartidos entre lossocios internacionales, principalmente a través decontribuciones en especie. ITER se fabricará yconstruirá en unos 10 años y está previsto quefuncione durante unos 20 años.

Una colaboración mundial ITER -“el camino” en latín- será la próxima gran instalación detipo tokamak. Su objetivo es “demostrar la viabilidad científica ytecnológica de la energía de fusión para fines pacíficos”. ITER hasido diseñado en el marco de una colaboración internacional. ITER pretende lograr y estudiar plasmas de fusión en condicionespróximas a la ignición, muy similares a las esperadas en un reac-tor de fusión. Debe producir una potencia de fusión de 500-700MW con un factor de amplificación de energía de al menos 10. Su objetivo es también: demostrar el buen funcionamiento enrégimen estacionario, la disponibilidad e integración de las tec-nologías esenciales para las centrales de fusión y probar compo-nentes para un futuro reactor, incluyendo prototipos de mantosfértiles de tritio.

Tecnologías clave del ITER demostradas ensiete grandes proyectos ITER incorporará tecnologías clave para las centrales de fusiónmediante la construcción y uso de componentes con el tamañoy los requisitos de un reactor: bobinas superconductoras, com-ponentes para alto flujo de calor, sistemas de mantenimientoremoto e instalaciones para el manejo de tritio. Durante los 10últimos años muchos de los puntos críticos de estas tecnologíashan sido resueltos satisfactoriamente, en concreto a través desiete grandes proyectos de I+D que han proporcionado unabase técnica sólida para la construcción del dispositivo ITER.

Plataforma de ensayos para divertores(Brasimone, Italia)

Prototipo de la bobina de campo toroidalen la instalación para ensayos TOSKA

(Karlsruhe, Alemania)

ITER, “el camino” al futuro ITER, “el camino” al futuro

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The EFDA Parties are the European Commission and the Associates of the EuropeanFusion Programme which is co-ordinated and managed by the Commission.Neither the Commission, the Associates nor anyone acting on their behalf is responsiblefor any damage resulting from the use of information contained in this publication.

A special thank to those who voluntarily provided the translation of this brochure into theother languages.www.efda.org

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Hacia una central de energía eléctricaEn paralelo a la construcción y la puesta en funcio-namiento del ITER, se llevará a cabo un programade I+D tanto en física como en tecnología para pre-parar el siguiente paso, DEMO. Este programa pro-bablemente incluirá una Instalación Internacionalde Irradiación de Materiales para Fusión (IFMIF).Esta fuente de neutrones de alta intensidad es nece-saria para probar y verificar el comportamiento delos materiales necesarios para los futuros reactoresde fusión, en particular los de baja activación.DEMO entrará en funcionamiento unos 30-35 añosdespués de la construcción del ITER y demostrarála producción de energía eléctrica y su autosufi-ciencia con respecto al consumo de tritio. DEMOconducirá a la fusión a su era industrial.

Maqueta de la Planta del ITER

EFDA

Fusión, la fuente de energía del sol La reacciones de fusión proporcionan la energía del sol convirtiendo el hidrógeno enhelio. En estas reacciones, alrededor 0.5% de la masa del hidrógeno se convierte en ener-gía de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein E=mc2 que relaciona la masa y laenergía. Esta energía escapa como radiación electromagnética, es decir, luz, de la cual lamayor parte se pierde en las profundidades del espacio. Menos de una parte en mil mil-liones cae sobre la Tierra, pero aún así proporciona una gran cantidad de energía, la cualha mantenido el ciclo del agua, el viento y la vida durante millones de años.

Cien millones de grados Para que se produzca la fusión, los núcleos atómicos tienen que recibir suficiente energía cinética(velocidad) para superar su mutua repulsión electroestática cuando colisionan. Esta energía cinéti-ca se obtiene mediante el calentamiento del combustible a temperaturas muy elevadas. Para lafusión D-T la temperatura necesaria es del orden de 100-150 millones de grados centígrados. A estas temperaturas el combustible gaseoso está completamente ionizado, formando un “plas-ma”. El plasma no debe entrar en contacto con las paredes de la cámara donde tiene lugar la reac-ción, ya que la superficie de la pared se evaporaría y el plasma se ensuciaría y enfriaría, perdien-do las condiciones necesarias para que las reacciones de fusión se sigan produciendo.

He

nT

D

4He + n + EnergíaD + T

Energía

Aprovechar la fusión en la Tierra Los átomos de hidrógeno en el sol y las estrellas sefusionan bajo la presión extrema de la gravedad. Enla Tierra no se puede reproducir el mismo mecanis-mo, por lo que la humanidad debe desarrollar otrosmedios para conseguirlo. En principio, la fusión esposible con muchos elementos ligeros. Entre todaslas reacciones posibles, la fusión D-T, de deuterio(D) y tritio (T) por la que se convierten estos dosisótopos de hidrógeno en helio y neutrones, es laforma más fácil para lograrlo y ha sido la elegidapara las futuras centrales de energía de fusión.

La reacción de fusión