Instalación internacional de irradiación de materiales de fusión
Instalación de pruebas de materiales
Fondo Monetario Internacional
Representación esquemática del área objetivo de la Instalación Internacional de Irradiación de Materiales de Fusión (IFMIF). Un par de haces de deuterones irradian una pequeña área objetivo para estudiar los efectos del intenso flujo de neutrones (producido por la interacción de los deuterones con una corriente de litio) sobre los materiales.

La Instalación Internacional de Irradiación de Materiales de Fusión , también conocida como IFMIF , es una instalación de prueba de materiales proyectada en la que se pueden calificar completamente los materiales candidatos para el uso en un reactor de fusión productor de energía. IFMIF será una fuente de neutrones impulsada por acelerador que produce un flujo de neutrones rápidos de alta intensidad con un espectro similar al esperado en la primera pared de un reactor de fusión que utiliza una reacción nuclear de deuterio-litio. El proyecto IFMIF se inició en 1994 como un programa de investigación científica internacional, llevado a cabo por Japón, la Unión Europea, Estados Unidos y Rusia, y administrado por la Agencia Internacional de la Energía . Desde 2007, Japón y la Unión Europea lo han llevado a cabo en virtud del Acuerdo de Enfoque Más Amplio en el campo de la investigación de la energía de fusión, a través del proyecto IFMIF/EVEDA, que realiza actividades de validación de ingeniería y diseño de ingeniería para IFMIF. [1] [2] La construcción de IFMIF se recomienda en el Informe de la Hoja de Ruta Europea para Infraestructuras de Investigación, que fue publicado por el Foro Estratégico Europeo sobre Infraestructuras de Investigación (ESFRI). [3]

Fondo

La reacción de fusión deuterio - tritio genera neutrones monoenergéticos con una energía de 14,1 MeV. En las plantas de energía de fusión, los neutrones estarán presentes en flujos del orden de 10 18 m −2 s −1 e interactuarán con las estructuras materiales del reactor por lo que su espectro se ampliará y suavizará. [ cita requerida ] Una fuente de neutrones relevante para la fusión es un paso indispensable hacia el desarrollo exitoso de la energía de fusión . [4] El diseño, la construcción y la concesión de licencias seguros de una instalación de energía de fusión por parte de la agencia reguladora nuclear correspondiente requerirá datos sobre la degradación de los materiales orientados al plasma bajo la irradiación de neutrones durante la vida útil de un reactor de fusión. La principal fuente de degradación de los materiales es el daño estructural que normalmente se cuantifica en términos de desplazamientos por átomo (dpa). [5] Mientras que en el gran experimento de fusión actualmente construido, el ITER , el daño estructural en los aceros del reactor no superará los 2 dpa al final de su vida operativa, se espera que la creación de daños en una planta de energía de fusión ascienda a 15 dpa por año de operación. [6]

Ninguna de las fuentes de neutrones disponibles comúnmente es adecuada para las pruebas de materiales de fusión por diversas razones. La acumulación de gas en la microestructura del material está íntimamente relacionada con la energía de los neutrones en colisión. Debido a la sensibilidad de los materiales a las especificidades de las condiciones de irradiación, como la relación generación de partículas α/dpa a niveles de daño superiores a 15 dpa por año de funcionamiento en condiciones de temperatura controlada, las pruebas de materiales requieren que la fuente de neutrones sea comparable al entorno de un reactor de fusión.

En los aceros, las reacciones 54 Fe(n,α) 51 Cr y 54 Fe(n,p) 54 Mn son responsables de la mayoría de los protones y partículas α producidas, y estas tienen un umbral de energía neutrónica incidente de 0,9 MeV y 2,9 MeV respectivamente. [7] [8] Por lo tanto, los reactores de fisión rápida convencionales , que producen neutrones con una energía media de alrededor de 1-2 MeV, no pueden cumplir adecuadamente los requisitos de prueba para los materiales de fusión. De hecho, el factor principal de fragilización, la generación de partículas α por transmutación, está lejos de las condiciones realistas (en realidad alrededor de 0,3 appm He/dpa). [9] Las fuentes de neutrones de espalación proporcionan un amplio espectro de energías de hasta el orden de cientos de MeV que conducen a estructuras de defectos potencialmente diferentes y generan núcleos transmutados ligeros que afectan intrínsecamente las propiedades objetivo de la aleación. Las instalaciones de implantación de iones ofrecen un volumen de irradiación insuficiente (valores máximos de unos pocos cientos de µm de espesor de capa) para realizar pruebas de propiedades mecánicas estandarizadas. Además, la baja sección transversal de dispersión elástica para iones ligeros hace que los niveles de daño superiores a 10 dpa sean poco prácticos. [10]

En 1947, Robert Serber demostró teóricamente la posibilidad de producir neutrones de alta energía mediante un proceso en el que los deuterones de alta energía se despojan de su protón al impactar un objetivo, mientras que el neutrón continúa su camino. [11] En la década de 1970, los primeros diseños de fuentes de neutrones de alta energía que utilizan esta reacción de despojo se desarrollaron en los EE. UU. [12] [13] En la década de 1980, los rápidos avances en la tecnología de aceleradores lineales de alta corriente llevaron al diseño de varias fuentes de neutrones impulsadas por aceleradores para satisfacer los requisitos de una instalación internacional de prueba de materiales de fusión de alto flujo y gran volumen. [14] [15] La instalación de prueba de irradiación de materiales de fusión (FMIT) basada en una fuente de neutrones de deuterio-litio se propuso para probar materiales y tecnología de fusión. [16] [17] [18] [19]

La reacción deuterio-litio explotada para IFMIF es capaz de proporcionar un espectro de neutrones de fusión adecuado como lo demuestra la comparación de IFMIF con otras fuentes de neutrones disponibles. [20] [21] [22] [23] En un experimento con deuterones de 40 MeV de un ciclotrón que incide sobre litio, se midieron el espectro de neutrones y la producción de radiactividad en el litio, y se encontró suficiente acuerdo con las estimaciones calculadas. [24]

Descripción

El IFMIF constará de cinco sistemas principales: una instalación de acelerador, una instalación de objetivo de Li, una instalación de prueba, una instalación de examen posterior a la irradiación (PIE) y una instalación convencional. [25] [26] [27] Toda la planta debe cumplir con las regulaciones internacionales de instalaciones nucleares. La energía del haz (40 MeV) y la corriente de los aceleradores paralelos (2 x 125 mA) se han ajustado para maximizar el flujo de neutrones (10 18 m −2 s −1 ) al tiempo que se crean condiciones de irradiación comparables a las de la primera pared de un reactor de fusión. Se podrían alcanzar tasas de daño superiores a 20 dpa por año de operación en un volumen de 0,5 L de su módulo de prueba de alto flujo que puede acomodar alrededor de 1000 pequeñas muestras de prueba . [28] Las técnicas de ensayo de muestras pequeñas desarrolladas apuntan a la caracterización mecánica completa (fatiga, tenacidad a la fractura, tasa de crecimiento de grietas, fluencia y tensión de tracción) de los materiales candidatos y permiten, además de una comprensión científica de los fenómenos de degradación inducida por neutrones de fusión, la creación de los elementos principales de una base de datos de materiales de fusión adecuada para diseñar, licenciar y operar de manera confiable los futuros reactores de fusión. Las principales contribuciones esperadas del IFMIF a la comunidad de fusión nuclear son: [29]

  1. Proporcionar datos para el diseño de ingeniería para DEMO ,
  2. Proporcionar información para definir los límites de rendimiento de los materiales.
  3. contribuir a la finalización y validación de las bases de datos existentes,
  4. contribuir a la selección u optimización de diferentes materiales de fusión alternativos,
  5. Validar la comprensión fundamental de la respuesta de los materiales a la radiación, incluida la evaluación comparativa del modelado de los efectos de la irradiación en escalas de longitud y de tiempo relevantes para aplicaciones de ingeniería.
  6. Las pruebas de concepto y los materiales funcionales se realizan antes o como complemento de las pruebas del módulo de manta de prueba del ITER.

Diseño de ingeniería intermedia IFMIF

El diseño de ingeniería de la planta IFMIF está íntimamente ligado a las actividades de validación y se llevó a cabo durante la primera fase del proyecto denominado Actividades de validación de ingeniería y diseño de ingeniería IFMIF (IFMIF/EVEDA). El Informe de diseño de ingeniería intermedio IFMIF se estableció en junio de 2013 [26] y fue adoptado por las partes interesadas en diciembre de 2013. El Diseño de ingeniería intermedio IFMIF define los principales sistemas en líneas generales.

Instalación de aceleradores (LiPac)

Los dos haces de deuterones CW del acelerador de 5 MW cada uno inciden de manera superpuesta en un ángulo de ±9° con una huella de 200 mm x 50 mm y un perfil de tiempo constante en el chorro de Li líquido, con la región de absorción del pico de Bragg a unos 20 mm de profundidad.

Instalación objetivo

La instalación de destino, que contiene un inventario de aproximadamente 10 m3 de Li, forma y acondiciona el objetivo del haz. La pantalla de Li cumple dos funciones principales: reaccionar con los deuterones para generar un flujo de neutrones estable en la dirección de avance y disipar la potencia del haz de manera continua. El Li que fluye (15 m/s; 250 °C) se moldea y acelera en la proximidad de la región de interacción del haz mediante una boquilla reductora de dos etapas que forma un chorro cóncavo de 25 mm de espesor con un radio de curvatura mínimo de 250 mm en el área de la huella del haz. La presión centrífuga resultante eleva el punto de ebullición del Li que fluye y, de este modo, garantiza una fase líquida estable. La potencia del haz absorbida por el Li se evacua mediante el sistema de eliminación de calor y el litio se enfría a 250 °C mediante una serie de intercambiadores de calor. El control de impurezas, esencial para la calidad de la pantalla líquida, se realizará mediante un diseño personalizado de sistemas de trampas frías y calientes, y se esperan purezas de Li durante la operación superiores al 99,9%. El monitoreo en línea de impurezas detectará niveles de impurezas superiores a 50 ppm. Con base en análisis numéricos realizados en las últimas tres décadas, no se espera que la interacción haz-objetivo tenga un impacto crítico en la estabilidad del chorro. [30]

Instalación de pruebas

La instalación de prueba proporcionará regiones de flujo alto, medio y bajo que van desde ›20 dpa/año de potencia máxima (fpy) hasta ‹1 dpa/fpy con volúmenes de irradiación cada vez más disponibles de 0,5 L, 6 L y 8 L que albergarán diferentes materiales metálicos y no metálicos potencialmente sujetos a los diferentes niveles de irradiación en una planta de energía. Más específicamente, en la región de flujo alto, se planean fluencias de 50 dpa en ‹3,5 años en una región de 0,5 L, junto con fluencias relevantes para la planta de energía de ›120 dpa en ‹5 años en una región de 0,2 L. La región de flujo alto albergará alrededor de 1000 muestras pequeñas ensambladas en 12 cápsulas individuales con control de temperatura independiente que permitirán no solo la caracterización mecánica de los materiales estructurales candidatos probados, sino también una comprensión de la influencia en su degradación con la temperatura del material durante la irradiación.

Instalación de post-irradiación

La instalación de examen post-irradiación, una parte esencial del IFMIF, está ubicada en un ala del edificio principal para minimizar las operaciones de manipulación de muestras irradiadas. [31] No solo permitirá probar muestras irradiadas en los diferentes módulos de prueba, sino también caracterizar metalográficamente las muestras después de las pruebas destructivas.

Actividades de validación de ingeniería del IFMIF

Fig. 7. Imagen LEBT del inyector de deuterones del Prototipo de Acelerador Lineal IFMIF (LIPAc) en instalación en Rokkasho, Japón.

Para minimizar los riesgos en la construcción del IFMIF, el proyecto IFMIF/EVEDA ha construido o está construyendo prototipos de aquellos sistemas que afrontan los principales retos tecnológicos que se han identificado a lo largo de los años de cooperación internacional en el establecimiento de una fuente de neutrones relevante para la fusión, [17] [32] a saber: 1) la Instalación del Acelerador, 2) la Instalación del Objetivo, y 3) la Instalación de Prueba. [33] [34] Un Prototipo de Acelerador (LIPAc), diseñado y construido principalmente en los laboratorios europeos CEA , CIEMAT, INFN y SCK•CEN bajo la coordinación de F4E y en instalación en Rokkasho en las instalaciones de JAEA , es idéntico al diseño del acelerador IFMIF hasta su primera etapa de aceleración superconductora (9 MeV de energía, 125 mA de D+ en corriente de Onda Continua (CW)), y entrará en funcionamiento en junio de 2017. [35] Un Bucle de Prueba de Li (ELTL) en las instalaciones de Oarai de JAEA, que integra todos los elementos de la instalación de objetivo de Li de IFMIF, se puso en servicio en febrero de 2011, [36] y se complementa con experimentos de corrosión realizados en un bucle de Li (Lifus6) en ENEA , Brasimone. [37] Un módulo de prueba de alto flujo (dos diseños diferentes que admiten aceros ferríticos-martensíticos de activación reducida (RAFM) o SiC ), [38] [39] [40] con un prototipo de las cápsulas que albergan las muestras pequeñas se irradiaron en el reactor de investigación BR2 de SCK•CEN [41] y se probaron en el circuito de helio de enfriamiento HELOKA del Instituto de Tecnología de Karlsruhe , Karlsruhe, [42] junto con un módulo de prueba de fatiga por fluencia [43] fabricado y probado a escala real en el Instituto Paul Scherrer . Se está poniendo a disposición información específica detallada sobre las actividades de validación en curso en publicaciones relacionadas. [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50]

Véase también

  • ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional, en latín "el camino")

Referencias

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