Fusión nuclear: situación del proyecto ITER

ITER (“El Camino” en latín) es uno de los proyectos energéticos más ambiciosos actualmente en marcha en el mundo. En el sur de Francia, un grupo numeroso de naciones (China, Unión Europea, India, Corea, Rusia y EE.UU.) están colaborando para construir el mayor tokamak del mundo, un dispositivo de fusión por confinamiento magnético diseñado para demostrar la viabilidad de la fusión a gran escala como fuente de energía limpia (libre de carbono) basada en el mismo principio que alimenta a nuestro Sol y a las estrellas.

Autor: Gabriel Morales, Universidad Rey Juan Carlos

PROYECTO ITER (http://www.iter.org/)

Objetivos

La cantidad de energía de fusión que un sistema magnético toroidal “tokamak” es capaz de producir está directamente relacionada con el número de reacciones de fusión que se produzcan en su núcleo. Los científicos saben que cuanto mayor sea el reactor, mayor será el volumen del plasma y, por tanto, mayor será el potencial de energía de fusión. Con diez veces el volumen de plasma de la mayor máquina en operación actualmente, el Tokamak del ITER será una herramienta experimental única, capaz de obtener plasmas de mayor duración con un mejor confinamiento. La máquina se ha diseñado específicamente para:

1) Producir 500 MW de potencia de fusión en pulsos de 400 s.

El record actual de potencia de fusión lo tiene el tokamak europeo JET. En 1997, el JET produjo 16 MW de potencia de fusión para una potencia de entrada total de 24 MW (Q=0,67). ITER se ha diseñado para producir un retorno de energía de Q=10, o 500 MW de potencia de fusión a partir de 50 MW de potencia de entrada, en pulsos de larga duración (400-600 s). Será el primer experimento de fusión en la historia en producir energía neta. ITER no capturará la energía que produzca en forma de electricidad, su objetivo es facilitar los primeros experimentos de fusión con producción neta de energía que a su vez servirán para preparar el camino a la máquina que pueda hacerlo.

2) Demostrar la operación integrada de tecnologías para una planta de energía de fusión

ITER será el eslabón entre los dispositivos actuales de fusión a escala experimental (más pequeña) y las futuras centrales de fusión de demostración. Los científicos serán capaces de estudiar plasmas en condiciones similares a las esperadas en una futura central, y podrán evaluar de forma integrada tecnologías relativas al calentamiento, control y diagnosis de plasma, criogénesis y mantenimiento remoto.

3) Alcanzar un plasma de deuterio-tritio en el que la reacción se sostenga internamente

Actualmente, la investigación en fusión se encuentra en el umbral de explorar plasmas en ignición –aquellos en los que el calor de la reacción de fusión queda confinado dentro del plasma de forma suficientemente eficiente para alcanzar una larga duración. Los científicos confían en que los plasmas del ITER no solo producirán mucha más potencia de fusión, sino que además permanecerá estable durante periodos de tiempo más largos.

4) Probar la producción in situ de tritio

Una de las misiones de las etapas finales de la operación del ITER es demostrar la viabilidad de producir tritio en el interior de la vasija de vacío. El suministro mundial de tritio (usado junto al deuterio como combustibles de la reacción de fusión) no es suficiente para cubrir las necesidades de las futuras centrales de fusión. ITER proporcionará una oportunidad única de evaluar experimentalmente las planchas de producción de tritio in situ en un entorno de fusión real.

5) Demostrar las características de seguridad de un dispositivo de fusión

En 2012, cuando la organización del ITERobtuvo la licencia como operador nuclear en Francia, el dispositivo de fusión ITER se convirtió en el primero a nivel mundial en haber superado con éxito este riguroso examen de seguridad. Una de las metas principales de la operación del ITER es demostrar el control del plasma y de las reacciones de fusión con consecuencias insignificantes sobre el entorno.

Fases del proyecto

La construcción de la instalación científica ITER en St-Paul-lez-Durance, Francia, comenzó en 2010 y se espera que dure unos diez años. En paralelo, se está llevando a cabo la fabricación de los componentes de la máquina ITER en los diferentes países participantes en el proyecto, habiéndose recibido ya envíos de componentes finalizados desde mediados de 2014.

Una vez que se pueda acceder al edificio del Tokamak, comenzará la instalación de la máquina ITER. La fase de montaje del ITER, que incluye la instalación de la máquina principal y la instalación de todos los sistemas auxiliares, continuará con una fase de comisionado para asegurar que todos los sistemas operan al unísono. El comisionado finalizará con la producción del Primer Plasma.

Se espera que la fase operativa del ITER se extienda durante 20 años: en primer lugar se ha planificado un periodo de varios años de “puesta a punto” de operación con hidrógeno puro, en el que la máquina permanecerá accesible para reparaciones, y donde se probarán los regímenes físicos con mayor potencial. Esta fase dará paso a otra de operación con deuterio y pequeñas cantidades de tritio para evaluar las provisiones de apantallamiento de pared. Finalmente, los científicos lanzarán una tercera fase con operaciones de frecuencia creciente con mezclas equivalentes de deuterio y tritio, a máxima potencia de fusión.

¿Y después del ITER?

Décadas de investigación en fusión y varias generaciones de dispositivos de fusión han contribuido al diseño del ITER. Y el ITER, a su vez, contribuirá al diseño de la siguiente generación de máquinas –DEMO– que llevará la investigación de fusión al umbral de un prototipo de reactor de fusión.

El conocimiento y la experiencia adquiridos durante la exploración de los plasmas calientes del ITER se usará para concebir la máquina que explorará la operación en continuo o casi continuo (estado estacionario) y probarán la producción a gran escala de electricidad y la autosuficiencia del combustible de tritio. El término DEMO describe más una fase que una máquina en particular. De momento, los diferentes países miembros del proyecto ITER están considerando varios proyectos DEMO conceptuales, siendo aún demasiado pronto para decir si DEMO será un proyecto de colaboración internacional como ITER, o si estará constituido por una serie de proyectos nacionales. Pero sí que existe consenso en cuanto al plazo para la fase DEMO de investigación en fusión: la planificación, ya en marcha, debería continuar durante los primeros años de operación del ITER para beneficiarse del retorno de los experimentos realizados en él. Se prevé que la construcción comience en la década de 2030, y la operación en la de 2040. Por ejemplo, ya hay en marcha un proyecto DEMO en Corea: el proyecto K-DEMO, un tokamak con un radio mayor de 6,65 m (en comparación con los 6,21 m del ITER).

DEMO es la máquina que abordará las cuestiones tecnológicas para llevar la energía de fusión a la red eléctrica. Las principales metas de la fase DEMO son la exploración de la operación continua (estado estacionario), la investigación de sistema de captura de energía eficientes, el logro de una producción neta de potencia en el rango de Q=30-50, y la producción in situ de tritio (dentro del reactor). DEMO será una máquina más sencilla que ITER, con menos sistemas de diagnóstico y un diseño más dirigido a la captura de energía que a la exploración de los regímenes de plasma.

Con ITER en construcción y DEMO en su fase conceptual, se han planeado otras instalaciones con características y objetivos diversos para llevar a cabo investigaciones y desarrollos complementarios en las áreas de materiales avanzados, auto-suficiencia de tritio y aprovechamiento térmico. En Japón, por ejemplo, ha comenzado la fase de validación de ingeniería del programa “International Fusion Materials Irradiation Facility” (IFMIF). Esta instalación evaluará y caracterizará los materiales avanzados necesarios para una planta de fusión de escala comercial.

Más allá de DEMO, la etapa final para producir energía de fusión será la construcción de un reactor prototipo, completamente optimizado para producir electricidad de forma competitiva. El calendario para dicho prototipo depende enormemente de la voluntad política para alcanzar esta etapa, pero la mayor parte de los pronósticos ubican esta fase de desarrollo de la energía de fusión a mitad de siglo.

Construcción del ITER

La construcción comenzó en 2010, con el edificio del Tokamak como elemento central. Actualmente sigue la construcción en un emplazamiento de 180 hectáreas al sur de Francia. Se está construyendo un total de treinta y nueve edificios y áreas técnicas, que albergarán el Tokamak y todos sistemas auxiliares. El corazón de la instalación –el edificio del Tokamak es una estructura de siete plantas de hormigón reforzado que se asentará 13 metros por debajo del nivel del suelo y tendrá una elevación de 60 m. El montaje previo de los componentes del Tokamak se realizará en el adyacente “Assembly Hall”. Otros edificios auxiliares próximos al edificio del Tokamak incluyen las torres de refrigeración, las instalaciones eléctricas, una sal de control, instalaciones de tratamiento de residuos, y la planta criogénica que proporcionará helio líquido para enfriar los imanes del ITER.

Se necesitarán al menos cuatro años y más de 2.300 trabajadores para completar los elementos principales. En ese momento, los edificios se entregarán a la Organización ITER para comenzar el trabajo de integración y montaje. El montaje con éxito de los más de un millón de componentes (diez millones de partes), construidos en las fábricas de los miembros del proyecto por todo el mundo y transportados al emplazamiento del ITER, constituye un tremendo reto, tanto desde el punto de vista logístico como de ingeniería. Aproximadamente 2.000 personas participarán en el montaje.

En las oficinas de ITER de todo el mundo, se ha orquestado y coordinado al detalle la secuencia exacta del calendario de montaje e instalación. Los primeros componentes de gran tamaño han comenzado a llevar a Francia en 2015.

¿Retrasos en el proyecto?

El Primer Plasma y la posterior operación a plena potencia con deuterio-tritio están programados originalmente para 2020 y 2027. Sin embargo, el proyecto va con retraso, principalmente debido al incremento de costes y a la reducción de presupuesto en varios miembros participantes en los últimos años. Actualmente se está realizando una auditoría independiente para certificar los plazos y costes reales, que será publicada en junio de 2016. En función del resultado de este análisis los diferentes países miembros actualizarán sus compromisos con el proyecto. Cabe destacar en este sentido las presiones políticas que se están produciendo en EE.UU. en relación a su apoyo al proyecto internacional.