Central eléctrica de demostración

DEMO , o planta de energía de demostración (a menudo estilizada como DEMOnstration power plant ), se refiere a una clase propuesta de reactores experimentales de fusión nuclear destinados a demostrar la producción neta de energía eléctrica a partir de la fusión nuclear. La mayoría de los socios de ITER tienen planes para sus propios reactores de clase DEMO. Con la posible excepción de la UE y Japón, no existen planes de colaboración internacional como la que hubo con ITER. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Los planes para los reactores de clase DEMO pretenden basarse en el reactor experimental de fusión nuclear ITER. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El diseño de reactor de clase DEMO más conocido y documentado es el de la Unión Europea (UE). Los siguientes parámetros se han utilizado como base para los estudios de diseño: el DEMO de la UE debería producir al menos 2000 megavatios (2 gigavatios ) de energía de fusión de forma continua, y debería producir 25 veces más energía que la necesaria para el punto de equilibrio científico, lo que no incluye la energía necesaria para operar el reactor. El diseño del DEMO de la UE, con una potencia térmica de 2 a 4 gigavatios, estará a la escala de una central eléctrica moderna . ^{[ 5 ]} Sin embargo, el valor nominal de la turbina de vapor es de 790 megavatios, lo que, tras superar una pérdida del 5 % debido al acoplamiento de la turbina al generador síncrono, resulta en un valor nominal para la potencia eléctrica de salida de aproximadamente 750 megavatios. ^{[ 6 ] :5}

Para lograr sus objetivos, si se utiliza un diseño de tokamak convencional , un reactor DEMO debe tener dimensiones lineales aproximadamente un 15 % mayores que las de ITER, y una densidad de plasma aproximadamente un 30 % mayor que la de ITER. Según el cronograma de EUROfusion , está previsto que la operación comience en 2051. ^{[ 7 ]}

Se estima que los reactores de fusión comerciales subsiguientes podrían construirse por aproximadamente una cuarta parte del costo de DEMO. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Sin embargo, la experiencia de ITER sugiere que el desarrollo de un ciclo de innovación tecnológica basado en tokamaks de miles de millones de dólares estadounidenses, capaz de desarrollar centrales de energía de fusión que puedan competir con tecnologías de energía no fusionada, probablemente se enfrente al problema del "valle de la muerte" en el capital de riesgo , es decir, una inversión insuficiente para ir más allá de los prototipos, ^{[ 10 ]} ya que los tokamaks DEMO necesitarán desarrollar nuevas cadenas de suministro ^{[ 11 ]} y son intensivos en mano de obra. ^{[ 12 ]}

El «Informe final del Comité sobre un plan estratégico para la investigación del plasma de fusión en EE. UU.» de 2019 de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de EE. UU. señaló: «Un dispositivo DEMO de gran tamaño ya no parece ser el mejor objetivo a largo plazo para el programa estadounidense. En cambio, las innovaciones científicas y tecnológicas, así como el creciente interés y potencial de las empresas del sector privado para impulsar conceptos y tecnologías de energía de fusión, sugieren que instalaciones más pequeñas y compactas atraerían mejor la participación industrial y acortarían el tiempo y reducirían el coste del camino de desarrollo hacia la energía de fusión comercial». ^{[ 13 ]} Aproximadamente dos docenas de empresas del sector privado ahora pretenden desarrollar sus propios reactores de fusión dentro del cronograma de la hoja de ruta DEMO. ^{[ 14 ] [ 15 ]} EE. UU. parece estar trabajando para construir una o más centrales de energía de fusión de clase DEMO nacionales mediante un sistema de financiación compartida. ^{[ 2 ] [ 16 ] [ 17 ]}

El anuncio del 3 de octubre de 2019 de UK Atomic Energy sobre su reactor conectado a la red Spherical Tokamak for Energy Production (STEP) ^{[ 18 ]} para 2040 sugiere una máquina combinada de fase DEMO/PROTO aparentemente diseñada para adelantarse al cronograma del ITER. ^{[ 19 ]} La máquina CFETR propuesta por China , un reactor generador de gigavatios conectado a la red, se superpone al cronograma DEMO. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Japón también tiene planes para un reactor DEMO, el JA-DEMO, a través de su JT-60 mejorado , ^{[ 22 ] [ 23 ]} al igual que Corea del Sur (K-DEMO). ^{[ 24 ]}

En noviembre de 2020, un panel de expertos independientes revisó el diseño y el trabajo de I+D de EUROfusion sobre el DEMO de la UE, y EUROfusion confirmó que estaba procediendo con el siguiente paso de su Hoja de Ruta hacia la Energía de Fusión, a saber, el diseño conceptual de un DEMO en asociación con la comunidad y la industria de fusión europeas, sugiriendo una máquina de fase DEMO respaldada por la UE que podría llevar formalmente el nombre DEMO. ^{[ 25 ]}

En junio de 2021, General Fusion anunció que aceptaría la oferta del gobierno británico para albergar la primera planta de demostración de fusión de asociación público-privada sustancial del mundo, en el Centro Culham para la Energía de Fusión . La planta se construirá entre 2022 y 2025 y tiene como objetivo ser pionera en la construcción de plantas piloto comerciales a finales de la década de 2020. La planta operará al 70 % de su capacidad total y se espera que alcance un plasma estable de 150 millones de grados. ^{[ 26 ]}

El concepto del reactor DEMO se remonta a la década de 1970. Un gráfico de WM Stacey muestra que, para 1979, General Atomics y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge ya habían completado diseños de reactores DEMO . ^{[ 27 ]}

En una reunión organizada por el OIEA en junio de 1986, los participantes acordaron la siguiente definición concisa de reactor DEMO: «El DEMO es una central eléctrica completa que demuestra que todas las tecnologías necesarias para un prototipo de reactor comercial funcionan con la suficiente fiabilidad como para generar la confianza necesaria para que dichos reactores comerciales sean competitivos con otras fuentes de energía. El DEMO no necesita ser económicamente viable ni tener el tamaño de un reactor a escala real». ^{[ 28 ]}

Al año siguiente, un documento del OIEA muestra los parámetros de diseño de un reactor DEMO en EE. UU. por el Laboratorio Nacional Argonne, un reactor DEMO en Italia llamado FINTOR (Frascati, Ispra, Napoli Tokamak Reactor), un reactor DEMO en Culham (Reino Unido) y un reactor DEMO europeo llamado NET (Next European Torus). Los parámetros principales de NET eran una potencia eléctrica neta de 628 MW y una potencia térmica bruta de 2200 MW, casi idénticas al diseño actual del reactor DEMO de la UE. ^{[ 29 ]}

El cronograma del EU DEMO se ha retrasado varias veces, tras retrasos en el cronograma del ITER. El siguiente cronograma fue presentado en la Conferencia de Energía de Fusión del OIEA en 2004 por Christopher Llewellyn Smith : ^{[ 8 ]}

• El diseño conceptual debía completarse en 2017.
• El diseño de ingeniería debe estar completo para 2024 (después de la información de las pruebas DT del ITER y los datos del IFMIF , ambos retrasados ​​desde 2016).)
• La primera fase de construcción tendrá lugar entre 2024 y 2033.
• La primera fase de operación tendrá una duración de 2033 a 2038.
• Posteriormente, la estación deberá ampliarse y modernizarse (por ejemplo, con un diseño integral de la fase 2).
• La segunda fase de operación comenzará en 2040.

En 2012, el Acuerdo Europeo de Desarrollo de la Fusión (EFDA) presentó una hoja de ruta hacia la energía de fusión con un plan que mostraba las dependencias de las actividades de DEMO con respecto a ITER e IFMIF. ^{[ 30 ]}

• Diseño conceptual que deberá estar terminado en 2020 ^{[ 30 ] : 63}
• Diseño de ingeniería finalizado y decisión de construir en 2030.
• Construcción desde 2031 hasta 2043
• Operación a partir de 2044, demostración de generación de electricidad en 2048.

Esta hoja de ruta de 2012 estaba destinada a ser actualizada en 2015 y 2019. ^{[ 30 ] : 49} La EFDA fue reemplazada por EUROfusion en 2013. La hoja de ruta se actualizó posteriormente en 2018. ^{[ 31 ]}

• El diseño conceptual deberá estar finalizado antes de 2030.
• Diseño de ingeniería 2030-2040
• Construcción a partir de 2040

Esto implicaría que las operaciones comenzarían en algún momento de la década de 2050.

Cuando el deuterio y el tritio se fusionan, los dos núcleos se unen para formar un estado resonante que se divide para formar a su vez un núcleo de helio (una partícula alfa ) y un neutrón de alta energía .

² ₁ H+ ³ ₁ H→ ⁴ ₂ He+ ¹ ₀ n+ 17,6 MeV

La unidad DEMO se construirá una vez que se diseñen soluciones para los numerosos problemas de los reactores de fusión actuales. Estos problemas incluyen: contener el combustible de plasma a altas temperaturas, mantener una densidad suficientemente alta de iones reactivos y capturar neutrones de alta energía de la reacción sin fundir las paredes del reactor.

• La energía de activación para la fusión es muy grande porque los protones en cada núcleo se repelen fuertemente entre sí; ambos tienen carga positiva . Para que se produzca la fusión, los núcleos deben estar a menos de 1 femtómetro (1 × 10⁻¹⁵ ^metros ) de distancia, donde los efectos de tunelización cuántica permiten que los núcleos originales se fusionen en el estado resonante. El principio consiste en formar una distribución cuasi-maxwelliana para los deuterones y los tritones, a temperaturas muy altas, donde los núcleos en la cola de la distribución maxwelliana se fusionan, mientras que las colisiones elásticas continuas entre los demás núcleos no alteran el estado del plasma.
• DEMO, un reactor Tokamak , requiere tanto plasma denso como altas temperaturas para que la reacción de fusión se mantenga.
• Las altas temperaturas proporcionan a los núcleos la energía suficiente para superar su repulsión electrostática . Esto requiere temperaturas del orden de 100 MK y se logra utilizando energía de diversas fuentes, como el calentamiento óhmico (a partir de corrientes eléctricas inducidas en el plasma), microondas , haces de iones o inyección de haces neutros.
• Los recipientes de contención se derriten a estas temperaturas, por lo que el plasma debe mantenerse alejado de las paredes mediante confinamiento magnético .

Una vez iniciada la fusión, los neutrones de alta energía, a unos 160 GK, saldrán del plasma junto con los rayos X , sin verse afectados por los fuertes campos magnéticos. Dado que los neutrones reciben la mayor parte de la energía de la fusión, serán la principal fuente de energía térmica del reactor. El helio ultra caliente, a unos 40 GK, permanecerá (temporalmente) en el plasma para calentarlo y deberá compensar todas las pérdidas (principalmente rayos X de frenado por la desaceleración de los electrones), que tienden a enfriar el plasma con bastante rapidez.

• El recipiente de contención del Tokamak tendrá un revestimiento compuesto de baldosas cerámicas o compuestas que contendrán tubos por los que fluirá litio metálico líquido caliente, enfriando así el revestimiento.
• El litio absorbe fácilmente neutrones de alta velocidad para formar helio y tritio, calentándose en el proceso.
• Este aumento de temperatura se transmite a otro refrigerante (intermedio), posiblemente agua líquida (a presión) en una tubería sellada y presurizada. El litio (especialmente cuando está fundido) reacciona violentamente con el agua, incluso con la humedad del aire y la humedad de otras sustancias, liberando gas hidrógeno, que puede incendiarse de forma explosiva.
• El calor del refrigerante intermedio se utilizará para hervir agua en un intercambiador de calor .
• El vapor procedente del intercambiador de calor se utilizará para accionar turbinas y generadores, y así generar corriente eléctrica .
• El calor residual que excede la energía eléctrica generada se vierte al medio ambiente.
• El helio, como subproducto, es la "ceniza" de esta fusión, y no se permitirá que se acumule demasiado en el plasma.
• Se añaden al plasma cantidades medidas con precisión de deuterio y tritio, y se calientan.
• El litio se procesa para eliminar el helio y el tritio, y el resto se recicla para captar más calor y neutrones. Solo se consume una cantidad ínfima de litio.

El proyecto DEMO está diseñado para desarrollar y mejorar los conceptos de ITER. Dado que actualmente solo se trata de una propuesta, muchos detalles, incluidos los métodos de calentamiento y el método para la captura de neutrones de alta energía, aún no se han determinado. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

Todos los aspectos de DEMO se discutieron en detalle en un documento de 2009 de la Asociación de Fusión Euratom-UKAEA. ^{[ 35 ]} Se estudiaron cuatro diseños conceptuales PPCS A, B, C, D. Los desafíos identificados incluyeron: ^{[ 35 ]}

• materiales estructurales resistentes al alto flujo de neutrones
• superconductores de alta temperatura , para evitar la necesidad de grandes cantidades de helio para la refrigeración , lo que pondría en riesgo las reservas mundiales de helio.
• Necesidad de alta eficiencia en los sistemas de calefacción y accionamiento de corriente.

En el cronograma de 2012, el diseño conceptual debería estar terminado en 2020.

Si bien los reactores de fusión como ITER y DEMO no producirán ni residuos transuránicos ni de productos de fisión , que en conjunto constituyen la mayor parte de los residuos nucleares producidos por los reactores de fisión , algunos de los componentes de los reactores ITER y DEMO se volverán radiactivos debido a la incidencia de neutrones sobre ellos . Se espera que se desarrollen materiales en contacto con el plasma para que los residuos producidos de esta manera tengan vidas medias mucho más cortas que los residuos de los reactores de fisión, y que los residuos permanezcan dañinos durante menos de un siglo. ^{[ 36 ]} El desarrollo de estos materiales es el objetivo principal de la Instalación Internacional de Irradiación de Materiales de Fusión . El proceso de fabricación de tritio actualmente conlleva la producción de residuos de larga duración. Sin embargo, mientras que el tritio de la etapa inicial de ITER provendrá principalmente del funcionamiento actual de los reactores de fisión CANDU de agua pesada, ^{[ 37 ]} la etapa tardía de ITER (hasta cierto punto) y DEMO deberían poder producir su propio tritio gracias a la cría de tritio , ^{[ 38 ]} prescindiendo del reactor de fisión que se utiliza actualmente para este propósito.

PROTO fue una propuesta para un experimento posterior a DEMO, parte de la estrategia a largo plazo de la Comisión Europea para la investigación de la energía de fusión. PROTO funcionaría como una central eléctrica prototipo, incorporando cualquier mejora tecnológica restante y demostrando la generación de electricidad a escala comercial. Su lanzamiento estaba previsto para después de DEMO, más allá de 2050, y probablemente no será la segunda parte de un experimento DEMO/PROTO, ya que no aparece en la documentación oficial.

• Reactor de prueba de ingeniería de fusión de China
• Proceso COLEX
• ITER
• PROTO
• Tokamak esférico para la producción de energía