Reactor de prueba de ingeniería de fusión de China
Tokamak
CFETR
Reactor de prueba de ingeniería de fusión de China
Tipo de dispositivoTokamak
UbicaciónHefei , provincia de Anhui , China
Especificaciones técnicas
Radio mayor7,2 metros
Radio menor2,2 metros
Campo magnético6,5  toneladas
Corriente de plasma14  MA

El reactor de prueba de ingeniería de fusión de China ( chino :中国聚变工程实验堆; pinyin : Zhōngguó Jùbiàn Gōngchéng Shíyànduī ), o CFETR , es un reactor de fusión tokamak propuesto , que utiliza un campo magnético para confinar el plasma y generar energía. [1] A partir de 2015, los dispositivos tokamak son los principales candidatos para la construcción de un reactor de fusión termonuclear viable y práctico. [1] Estos reactores pueden usarse para generar energía sostenible al tiempo que garantizan un menor impacto ambiental y una huella de carbono más pequeña que las centrales eléctricas basadas en combustibles fósiles. [2] [3]

El CFETR utiliza y pretende aprovechar la investigación de fusión nuclear preexistente del programa del Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) para abordar las brechas entre el ITER y la planta termonuclear de próxima generación y la clase de reactor sucesor del ITER, la Planta de Energía de Demostración (DEMO) . [4]

En 2019, se encuentran en funcionamiento en China tres reactores de prueba de fusión domésticos. Entre ellos se encuentran EAST en ASIPP en Hefei , HL-2A (M) en el Instituto de Física del Suroeste (SWIP) en Chengdu y J-TEXT ubicado en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong en Wuhan . [5] Además, en 2021, en un esfuerzo por simular con mayor precisión un CFETR potencialmente funcionalmente operativo, el HL-2A en SWIP se actualizó al HL-2M . [5] La construcción del HL-2M se completó en noviembre de 2019 y el dispositivo se puso en servicio el 4 de diciembre de 2020. [3]

El diseño conceptual del CFETR, completado en 2015, se basa en gran medida en el diseño de estos tres reactores de fusión domésticos. [5] La construcción del CFETR probablemente comenzará en la década de 2020, y se espera que esté terminado en la década de 2030. [5]

Metas y objetivos

El reactor de prueba de ingeniería de fusión de China (CFETR) funcionará en dos fases. En la primera fase, el CFETR deberá demostrar que funciona en estado estable y que es autosuficiente en materia de tritio con una tasa de reproducción de tritio > 1. [4] Además, en la fase 1, el CFETR debería demostrar que genera energía de fusión hasta 200 MW. [4]

La segunda fase, la fase de validación DEMO , requiere que el CFETR genere energía de más de 1 GW. [6] De manera más general, el CFETR también servirá como una herramienta de investigación y desarrollo para la prueba de varios materiales estructurales y funcionales para identificar o desarrollar un material con una alta resistencia al flujo de neutrones . [7]

Diseño

En 2019, el diseño del CFETR se encontraba en su fase de diseño de ingeniería, cuya finalización estaba prevista entre 2020 y 2021. La primera etapa, entre 2010 y 2015, se conoce como la etapa de diseño conceptual. [7] Era necesario demostrar la viabilidad económica de la construcción de una máquina a pequeña escala. Además, esta etapa proporcionó una prueba de concepto para la construcción de un reactor de fusión rentable capaz de generar energía. [7]

La segunda fase del diseño, la fase de diseño de ingeniería, comenzó en 2015, dirigida al diseño de una máquina a gran escala con el objetivo de lograr una potencia de salida de 1 GW según el requisito de validación de DEMO . [4] Desde 2017, la investigación se ha orientado hacia la simulación de varios escenarios operativos, investigando los matices de varios diseños experimentales de componentes individuales del CFETR, como el recipiente de vacío de tamaño completo y la tecnología de cría de tritio. [4]

A partir de 2019, los descubrimientos realizados desde las fases conceptuales y de ingeniería de la investigación se estaban consolidando, integrando y desarrollando. [7]

Desafíos

Esquema de la reacción de fusión: el deuterio y el tritio experimentan una reacción de fusión para producir un solo neutrón, helio y energía.

Ubicación, recursos e infraestructura

El reactor de prueba de ingeniería de fusión de China está previsto en Hefei , provincia de Anhui. Todavía quedan por resolver algunos problemas críticos, entre ellos 19 problemas clave del sistema, como el control de la inestabilidad vertical con bobinas internas, el control de impurezas, el transporte de partículas alfa, la prevención y mitigación de perturbaciones, el control y prevención de ELM tipo I, las tecnologías para la gran potencia de calentamiento, la cría y manipulación del tritio. [8]  Además, aunque se conocen las propiedades de los materiales necesarios para la construcción del CFETR, muchos de estos materiales aún no se han fabricado y todavía se está investigando para la creación de los materiales necesarios. [4]

Además, la autosuficiencia del CFETR es uno de los mayores desafíos. El deuterio y el tritio son las fuentes de combustible para el CFETR, y mientras que el deuterio es naturalmente abundante, las fuentes comerciales de tritio son escasas. [9]  Si bien el tritio se puede producir en condiciones de laboratorio utilizando reactores de agua pesada , aceleradores y reactores de agua ligera , [9]  la cantidad actual de tritio que se produce internacionalmente es insuficiente para operar reactores de fusión . [9] Por lo tanto, los desafíos clave son crear un concepto de ciclo de combustible apropiado para el reciclaje y la renovación del tritio, así como formular métodos novedosos para producir tritio de una manera económica y rentable. [9]

Estos desafíos son multifacéticos y complejos, y requieren de cooperación e investigación interdisciplinarias. Por ello, para abordar los 19 problemas sistémicos clave que plantea el CFETR, se han formado equipos individuales para abordar cada cuestión de forma aislada. [8] Esta iniciativa está encabezada por el Centro de Investigación Integral para la Tecnología de Fusión (CRAFT) y su equipo de 300 científicos, ingenieros e investigadores en China, en un intento de resolver estos problemas críticos ofreciendo soluciones prácticas, viables y rentables. [8]

Viabilidad económica

Antes de la introducción de fuentes de energía renovables como la solar y la eólica , la fusión se promocionaba como el futuro de la energía limpia y con cero emisiones netas de carbono . [10] Sin embargo, la introducción, la aplicación más generalizada y la utilización de la energía renovable han alterado drásticamente el panorama energético. Por ejemplo, se proyecta que las energías renovables suministrarán el 74% de la energía mundial para 2050. [11] Además, con la caída de los precios de la energía renovable, la viabilidad económica de la energía de fusión ha pasado a primer plano en el discurso de la futura economía de la energía. [10]

Costo nivelado de energía (LCOE) para diversas fuentes de energía, incluidas la energía eólica, solar y nuclear. [12]

En la actualidad, los economistas sugieren que es poco probable que la energía de fusión sea tan barata como la energía renovable . [10] Las plantas de fusión, al igual que las plantas de fisión , tendrán grandes costos iniciales y de capital , ya que el costo de los materiales, la maquinaria y la infraestructura necesarios para construir estas plantas de fusión probablemente sea exorbitante. Además, la operación y el mantenimiento de estas plantas altamente especializadas probablemente también sean costosos. [10] Si bien los costos de operación y construcción del CFETR no son bien conocidos, se proyecta que un concepto de fusión DEMO de la UE tenga un costo nivelado de energía (LCOE) de $ 121 / MWh. [13]

Además, los economistas sugieren que la energía de fusión se vuelve 16,5 dólares más costosa por MWh por cada 1.000 millones de dólares de aumento en el precio de la tecnología de fusión. [10] Este alto LCOE es en gran medida el resultado de los altos costos de capital incurridos en la construcción de plantas de fusión. [10]

En cambio, el LCOE de las energías renovables parece sustancialmente más bajo. Por ejemplo, el LCOE de la energía solar parece ser de 40 a 46 dólares por MWh, el de la energía eólica terrestre se estima entre 29 y 56 dólares por MWh, y el de la energía eólica marina es de aproximadamente 92 dólares por MWh. [14] Por lo tanto, estas opciones rentables parecen ser las más viables económicamente. [10]

Sin embargo, esto no quiere decir que la energía de fusión pueda carecer de viabilidad económica completa. Más bien, es probable que la energía de fusión cubra las brechas energéticas que las energías renovables no pueden llenar. [10] Por lo tanto, es probable que la energía de fusión funcione en conjunto con las fuentes de energía renovables en lugar de convertirse en la fuente principal de energía. [10] Aun así, en los casos en que la energía renovable puede no estar fácilmente disponible, la energía de fusión podría convertirse en la fuente dominante de energía y abastecer la carga base de la red eléctrica dentro de esas áreas geográficas específicas. [10]

Seguridad

A partir de 2021, se han propuesto los siguientes objetivos de seguridad en la comunidad internacional: proteger a las comunidades y al medio ambiente de los peligros radiológicos . [15] y garantizar que los protocolos de seguridad de un reactor de fusión sean tan competitivos y completos como los de un reactor de fisión. [15]

Estos dos objetivos se determinan utilizando el principio de riesgos aceptables y pueden desglosarse en subcategorías, como por ejemplo, entre otras, exposición a la radiación ocupacional , liberación rutinaria de materiales radiactivos , respuesta y minimización de accidentes y residuos radiactivos . [15]

El gobierno chino considera muy importante la seguridad nuclear , aunque hasta la fecha no existe un marco integral de seguridad de la fusión nuclear en China. [16] A partir de 2019, los protocolos de seguridad seguidos en China se basan en la tecnología de reactores de fisión; estos se describen en la Ley de la República Popular China sobre Prevención y Control de la Contaminación Radiactiva (2003 ), la Ley de Seguridad Nuclear (2017) y el Reglamento sobre Operación Segura de Reactores de Investigación (HAF202). [17] Si bien estos son beneficiosos para delinear consideraciones generales de seguridad nuclear, no son específicos del reactor de fusión. Además, a diferencia de los reactores de fisión, el CFETR no tiene un núcleo de reactor . Por lo tanto, estas piezas de legislación deben actualizarse para acomodar el diseño y los mecanismos de los reactores de fusión. [16]

Además, aunque se acepta ampliamente que la energía de fusión será más segura que la fisión debido al mecanismo de enfriamiento de plasma del dispositivo de estilo tokamak que enfría el reactor y detiene las reacciones ante perturbaciones en el sistema, la confianza en este ideal y mecanismo por sí solo no es suficiente. [17] Más bien, los parámetros de perturbación deben definirse e identificarse adecuadamente para prevenir la posible liberación de materiales radiactivos en caso de perturbaciones o fallas del sistema. [15] Por lo tanto, deben considerarse cuidadosamente las medidas de seguridad apropiadas. Además, el tritio es un isótopo radiactivo limitado . Como tal, la naturaleza radiactiva del tritio puede resultar peligrosa en casos de liberación accidental hipotética en caso de falla del sistema de confinamiento dual. [16] Por lo tanto, en tales circunstancias, las áreas que rodean el CFETR tendrán que ser evacuadas y pasarán entre 32 y 54 años antes de que las familias puedan regresar a sus hogares originales. [17] Sin embargo, los ingenieros del CFETR están diseñando el reactor actual de acuerdo con un criterio de no evacuación. [17] Por ello, se requiere que los ingenieros técnicos elaboren un diseño que proteja contra una falla catastrófica del reactor de fusión que requiera evacuación. [17]

A partir de noviembre de 2020, el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) comenzó a trabajar con varias naciones para crear estándares de seguridad para reactores de fusión para varios diseños de reactores de fusión. [18] Además, han comenzado a investigar regulaciones de dosis apropiadas, así como también cómo se deben gestionar y eliminar adecuadamente los desechos radiactivos de la energía de fusión. [18]

Productos de desecho

Se espera que el daño por radiación de neutrones en las paredes de los recipientes sólidos sea mayor que el de los reactores de fisión debido a las mayores energías de los neutrones. [19] Además, es probable que este daño junto con los grandes volúmenes de helio e hidrógeno producidos dentro del recipiente resulte en fatiga de la infraestructura, dañando potencialmente el recipiente y transformándolo en metal radiactivo y, por lo tanto, en desechos radiactivos . [19] Además, los científicos han postulado que muchos componentes no estructurales se volverán altamente radiactivos . [20]

Sin embargo, es importante reconocer que la radiactividad por kilogramo de residuos sería sustancialmente menor para el reactor de fusión en comparación con el reactor de fisión. [19] Si bien la naturaleza de la reacción de fusión deuterio-tritio es tal que probablemente producirá mayores volúmenes de residuos radiactivos estructurales y no estructurales, [19] este problema se puede evitar con la ingeniería de aleaciones estructurales de baja activación para garantizar que estos materiales descartados califiquen como residuos radiactivos de bajo nivel . [20] Sin embargo, con la tecnología actualmente disponible, el resultado más probable es la ingeniería de aleaciones estructurales de activación intermedia. [20] Esto dará como resultado la producción de residuos radiactivos de nivel bajo a intermedio .

No obstante, es importante señalar que la radiactividad de dichos desechos tiene una vida media de 12,3 años, por lo que persistirá como radiactiva durante aproximadamente <100 años, en comparación con los desechos radiactivos de fisión, que siguen siendo altamente radiactivos durante aproximadamente 1000 años. [19] Además, los ingenieros detrás del CFETR pretenden limitar la producción de desechos radiactivos de nivel intermedio a bajo mediante la introducción de sistemas de gestión de desechos tritiados. [21] Esto tiene el doble efecto de extraer tritio para reciclarlo nuevamente en la máquina y reducir la radiactividad de los desechos producidos por el reactor de fusión. [4]

Futuro

El 4 de diciembre de 2020, el HL-2M se calentó a aproximadamente 150 millones de grados Celsius, diez veces más caliente que el núcleo del Sol . [22] La exitosa construcción y operación del HL-2M en SWIP probablemente haya proporcionado un impulso para la transición del CFETR a la fase de construcción desde su actual fase de diseño de ingeniería. [19]

Con China avanzando activamente hacia el desarrollo de su sector de energía renovable y sostenible, la construcción del CFETR no es una cuestión de si sucederá, sino más bien de cuándo. [19]  De acuerdo con el cronograma actual de fusión, es probable que el CFETR comience su fase de construcción a principios de la década de 2020 y que se complete un prototipo industrial para 2035, con una aplicación comercial a gran escala para 2050. [19] Además, para 2025 se espera que China alcance la capacidad de 79 GW de energía nuclear. Para lograr este objetivo, la construcción de instalaciones nucleares se enfatiza fuertemente en el 14º plan quinquenal de China (2021-2025) a medida que el país avanza hacia la neutralidad de carbono . [19]

Véase también

Referencias

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