Reactor de prueba de ingeniería de fusión de China

El Reactor de Prueba de Ingeniería de Fusión de China (CFETR) está planificado en Hefei , provincia de Anhui. Aún 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 disrupciones, el control y prevención de ELM de tipo I, las tecnologías para la gran potencia de calentamiento, la producción y el manejo de tritio. ^{[ 8 ]}  Además, si bien se conocen las propiedades de los materiales necesarios para la construcción del CFETR, muchos de estos materiales aún no se han fabricado y la investigación continúa para la creación de los materiales requeridos. ^{[ 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 si bien el deuterio es abundante en la naturaleza, 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 manera económica y rentable. ^{[ 9 ]}

Estos desafíos son multifacéticos y complejos, y requieren cooperación e investigación interdisciplinarias. Por ello, para abordar los 19 problemas clave del sistema planteados por el CFETR, se han formado equipos individuales para tratar cada problema de forma aislada. ^{[ 8 ]} Esta iniciativa está liderada por el Centro Integral de Investigación para la Tecnología de Fusión (CRAFT) y su equipo de 300 científicos, ingenieros e investigadores en China, con el objetivo de resolver estos problemas críticos ofreciendo soluciones prácticas, viables y rentables. ^{[ 8 ]}

Antes de la introducción de fuentes de energía renovables como la energía solar y 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 mayor aplicación generalizada y la utilización de energías renovables 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 las energías renovables, la viabilidad económica de la energía de fusión se ha convertido en un tema central del debate sobre la economía futura de la energía. ^{[ 10 ]}

Actualmente, los economistas sugieren que es improbable que la energía de fusión sea tan barata como la energía renovable . ^{[ 10 ]} Las plantas de fusión, al igual que las 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, es probable que la operación y el mantenimiento de estas plantas altamente especializadas también sean costosos. ^{[ 10 ]} Si bien los costos de operación y construcción del CFETR no se conocen bien, 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 $/MWh más costosa por cada 1.000 millones de dólares de aumento en el precio de la tecnología de fusión. ^{[ 10 ]} Este alto LCOE se debe en gran medida a los elevados costos de capital incurridos en la construcción de centrales de fusión. ^{[ 10 ]}

En contraste, el LCOE de las energías renovables parece ser sustancialmente menor. Por ejemplo, el LCOE de la energía solar se sitúa entre 40 y 46 $/MWh, el de la energía eólica terrestre entre 29 y 56 $/MWh, y el de la energía eólica marina en aproximadamente 92 $/MWh. ^{[ 14 ]} Por lo tanto, estas opciones rentables parecen ser las más viables económicamente. ^{[ 10 ]}

Sin embargo, esto no implica que la energía de fusión carezca de viabilidad económica total. Más bien, es probable que la energía de fusión cubra las brechas energéticas que las energías renovables no puedan llenar. ^{[ 10 ]} Por lo tanto, es probable que la energía de fusión funcione en conjunto con fuentes de energía renovables en lugar de convertirse en la principal fuente de energía. ^{[ 10 ]} Aun así, en los casos en que la energía renovable no esté fácilmente disponible, la energía de fusión podría convertirse en la fuente de energía dominante y suministrar la carga base de la red eléctrica dentro de esas áreas geográficas específicas. ^{[ 10 ]}

A partir de 2021, la comunidad internacional ha propuesto los siguientes dos objetivos de seguridad:

• Proteger a las comunidades y al medio ambiente de los peligros radiológicos ^{[ 15 ]}

• Garantizar que los protocolos de seguridad de los reactores de fusión sean tan competitivos y completos como los de los reactores de fisión ^{[ 15 ].}

Estos objetivos se determinan utilizando el principio de riesgos aceptables y pueden dividirse aún más en subcategorías que incluyen la exposición ocupacional a la radiación , la liberación rutinaria de materiales radiactivos , la respuesta y minimización de accidentes y los residuos radiactivos . ^{[ 15 ]}

La seguridad nuclear es considerada de suma importancia por el gobierno chino , aunque hasta la fecha no existe un marco integral de seguridad para 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 la Operación Segura de Reactores de Investigación (HAF202). ^{[ 17 ]} Si bien estos son útiles para describir consideraciones generales de seguridad nuclear, no son específicos para reactores de fusión. Además, a diferencia de los reactores de fisión, el CFETR no tiene un núcleo de reactor . Por lo tanto, estas leyes deben actualizarse para adaptarse al diseño y los mecanismos de los reactores de fusión. ^{[ 16 ]}

Además, si bien se acepta ampliamente que la energía de fusión será más segura que la fisión debido al mecanismo de enfriamiento del plasma del dispositivo tipo tokamak que enfría el reactor y detiene las reacciones ante perturbaciones en el sistema, la confianza en este ideal y mecanismo por sí solos no es suficiente. ^{[ 17 ]} Más bien, los parámetros de perturbación deben definirse e identificarse adecuadamente para prevenir la posible liberación de materiales radiactivos ante 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 hipotética liberación accidental ante fallas del sistema de doble confinamiento. ^{[ 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 lo tanto, se requiere que los ingenieros técnicos elaboren un diseño que proteja contra cualquier falla catastrófica del reactor de fusión que requiera evacuación. ^{[ 17 ]}

En noviembre de 2020, el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) comenzó a trabajar con diversas naciones para establecer normas de seguridad para reactores de fusión, aplicables a diferentes diseños de reactores. ^{[ 18 ]} Además, comenzaron a investigar las regulaciones de dosis adecuadas, así como la forma correcta de gestionar y eliminar los residuos radiactivos derivados de la energía de fusión. ^{[ 18 ]}

Se prevé que el daño por radiación de neutrones en las paredes sólidas de los recipientes sea mayor que el de los reactores de fisión debido a las mayores energías de los neutrones. ^{[ 19 ]} Además, este daño, junto con los grandes volúmenes de helio e hidrógeno producidos dentro del recipiente, probablemente provoque fatiga de la infraestructura, dañando potencialmente el recipiente y transformándolo en metal radiactivo y, por lo tanto, en residuos radiactivos . ^{[ 19 ]} Asimismo, los científicos han planteado que muchos componentes no estructurales se volverán altamente radiactivos . ^{[ 20 ]}

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 estructurales y no estructurales radiactivos, ^{[ 19 ]} este problema puede sortearse con la ingeniería de aleaciones estructurales de baja activación para garantizar que estos materiales desechados califiquen como residuos radiactivos de bajo nivel . ^{[ 20 ]} Sin embargo, con la tecnología disponible actualmente, 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 .

La radiactividad de estos residuos tiene una vida media de 12,3 años, por lo que persistirá como radiactivo durante aproximadamente <100 años, en comparación con los residuos radiactivos de fisión, que permanecen altamente radiactivos durante aproximadamente 1000 años. ^{[ 19 ]} Además, los ingenieros responsables del CFETR pretenden limitar la producción de residuos radiactivos de nivel intermedio a bajo mediante la introducción de sistemas de gestión de residuos tritiados. ^{[ 21 ]} Esto tiene el doble efecto de extraer tritio para reciclarlo de nuevo en la máquina y reducir la radiactividad de los residuos producidos por el reactor de fusión. ^{[ 4 ]}