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Lo más relevante de este artículo:
10 años para la construcción del ITER y un balance 500 MW de consumo para dar 410 MW.

DYNA DICIEMBRE 2003 49

ITER, UN AMBICIOSO PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

Resumen

La posibilidad de que el reactor experimental de fusión nuclear por confinamiento magnético ITER ( International
Thermonuclear Experimental Reactor) recale en España ha
generado una gran expectación en la comunidad investigadora de este país. Este proyecto pretende demostrar la viabilidad de la fusión nuclear como posible fuente de energía del futuro. El emplazamiento escogido por
la candidatura española ha sido Vandellós, que presenta, entre otras, características tan atractivas como son
el emplazamiento, la existencia de una central nuclear en la vecindad (más un puerto de mar junto a ésta) así como el menor coste del proyecto si se realiza en nuestro país. En la actualidad, en el seno de la Comunidad Económica Europea s e está debatiendo el emplazamiento final del proyecto. Las dos opciones, dentro de Europa, son Cadarache, en Francia, y Vandellós. Una vez realizada esta selección, la candidatura europea tendría que competir con las otras dos candidaturas posibles, como son la de Japón y la de Canadá.

En el presente artículo, se hará una descripción somera de la fusión como fuente energética y las posibles vías actuales de investigación para alcanzar una fuente energética útil. Sea
o no sea elegida España como sede del ITER, deberíamos estar al tanto de no perder el tren de la fusión, cuya potencialidad energética es extraordinaria.

La fusión como fuente de energía.

La fusión nuclear es una reacción exoenergética de dos núcleos atómicos. La energía de la reacción proviene
del defecto de masa entre los núcleos reaccionantes y
los núcleos y partículas resultantes de la reacción. La
conversión de energía viene directamente definida por la
famosa ecuación de Einstein E = mc2. Para que una reacción
de Fusión pueda tener lugar entre dos núcleos atómicos,
éstos se deben acercar lo suficiente. Esto supone
vencer la fuerza de repulsión coulombiana entre los dos
núcleos, que como es conocido, se escala como la inversa de la distancia entre las cargas al cuadrado. Debido a las distancias microscópicas que se necesitan para que la reacción nuclear tenga lugar, las fuerzas de acercamiento de los núcleos deben ser enormes.
Para hacerse una idea de la magnitud de las fuerzas involucradas a la fusión, basta con alzar la vista en un día soleado. El Sol es el reactor de fusión que nos pone como ejemplo el Universo. Debido a su gran masa (principalmente hidrógeno), se producen unas fuerzas gravitatorias
enormes, lo que produce una elevada densidad, presión y temperatura en su interior. La temperatura es lo suficientemente elevada como para que los electrones queden liberados de las fuerzas que los unen a los núcleos
positivos por fuerzas coulombianas. Este estado de la materia es lo que se denomina plasma. Las altas densidades
hacen que los núcleos se encuentren lo suficientemente cercanos, y junto con la elevada energía cinética, que permite que en los choques parte de la energía se emplee en vencer la repulsión coulombiana, hace que las reacciones de fusión sean posibles. En el caso del Sol, la reacción de fusión más común es la siguiente:

4•H1 + 2•e- Þ H e4 + 2 neutrinos + 6 fotones + 26 MeV

Esta reacción total está compuesta por distintas etapas, que no se incluyen aquí por no ser el objetivo del artículo. Para que esta reacción pueda tener lugar, se tienen que dar unas
condiciones de temperatura (del orden de 107 K), presión (del orden de los 108 bar) y una densidad (del orden de 104 kg/m3) extremas. En el caso del Sol, estas condiciones se pueden alcanzar gracias a las fuerzas gravitatorias. Obtener estas condicio-nes en la tierra, sin estas elevadas fuerzas gravitatorias, resulta en un problema muy complejo, pero de posible solución.
Para poder utilizar la fusión nuclear como fuente energética, en primer lugar se debe hacer un cambio en el combustible. En el caso de utilizar isótopos de hidrógeno como núcleos
a fusionar (el deuterio y el tritio), la probabilidad de la reacción aumenta considerablemente. La reacción que se utiliza para conseguir energía de la fusión es por lo tanto:

H2 (D)+ H3(T) Þ He4 + n + 18 MeV

Las condiciones de temperatura y densidad necesarias para alcanzar la fusión con este tipo de combustible son menores que las necesarias en el Sol. Cada reacción nuclear da lugar a
17,6 MeV de energía, lo que supone una energía específica de 8,6x105 MJ/g. Esta energía específica es la más alta conocida, tanto en energía nuclear como en energía química. La facilidad de obtener el combustible (tanto el deuterio, de forma natural, como el tritio, como resultado de la captura del
neutrón de fusión por de núcleos de litio), y las reservas ilimitadas del mismo, hacen de la fusión nuclear una solución a los problemas energéticos de la humanidad en el futuro. “Sólo” queda conseguirlo.

El desafío de la fusión

El problema de la fusión es el mantener un plasma confinado el suficiente tiempo y a las condiciones necesarias de temperatura y densidad como para que se lleve a cabo la fusión en la mayor parte de combustible posible. Uno de los principales problemas a la hora de trabajar con plasmas es su capacidad de expansión. Por su propia naturaleza, los
plasmas tienden a difundirse muy rápidamente, separándose las partículas unas de otras a gran velocidad, disminuyendo la densidad y la temperatura de las partículas de una forma muy rápida. Es necesario, por lo tanto, confinar el plasma. En el caso del Sol, es la fuerza gravitatoria la que consigue mantener confinado el plasma. Además, debido a las altas temperaturas del plasma, el contacto de éste con cualquier vasija o envoltorio provocaría la erosión de las paredes y la
consiguiente contaminación del plasma. Esto supondría un incremento de las pérdidas de radiación y una mayor
temperatura del plasma para conseguir la fusión. El plasma, por lo tanto, no puede estar en contacto con ningún sólido. En el caso de las aplicaciones la escala terrestre, existen dos
tecnologías investigadas en la actualidad en paralelo (aunque no son las únicas), que permiten este confinamiento
del plasma.
La primera de ellas se denomina Fusión por confinamiento magnético, que es la solución adoptada por el ITER. En ella se utilizan campos magnéticos para mantener las partículas cargadas del plasma en una trayectoria toroidal, como se aprecia en la figura adjunta.
Para ello, se han de generar unos campos magnéticos (de orden de Teslas) denominados toroidales y poloidales, que mantienen el plasma confinado en el toro. Cuando ambos campos magnéticos se generan mediante arrollamientos exteriores, se denomina una configuración de S t ellerator.
Cuando sólo es el campo magnético toroidal el que se genera
mediante los imanes exteriores, y el poloidal es generado por la propia corriente eléctrica que forma el plasma en su camino toroidal, la configuración se denomina Tokamak, que es la adoptada en el caso del ITER.
Una vez confinado el plasma en la configuración toroidal, hay que cederle energía para alcanzar las altas temperaturas de ignición necesarias para producir la fusión. En el caso del Corte esquemático del Sol, en función del radio (normalizado a la unidad.) Se muestra la variación de la densidad, la presión y la temperatura. En el centro se encuentra el núcleo solar, donde las temperaturas son tan altas, próximas o por encima de 10 millones de Kelvin (<1 keV en escala energética), que las reacciones de fusión se hacen lo suficientemente intensas para mantener su enorme potencia, cercana a los 4 x1026 W.

confinamiento magnético, las densidades alcanzadas en el plasma son relativamente bajas (muy inferiores al estado sólido), del orden de 1014 ion e s / c m3. La temperatura del plasma se debe elevar hasta unos 46 millones de grados, (la denominada temperatura de ignición, alcanzada la cual, la potencia de fusión es superior a la que se pierde por radiación.) Para elevar el plasma a estas temperaturas,
se utilizan técnicas de radiofrecuencia, inyección de neutros, etc. En origen, por la corriente interna que debía generarse en el plasma, los t o k a m a k tenían un comportamiento
inductivo (que depende de la variación temporal del flujo magnético, como en los transformadores) y su régimen debía ser por lo tanto de carácter pulsante (con un semiciclo de trabajo de unos pocos segundos de duración y un semiciclo de no trabajo. Sin embargo, mediante la creación
de la corriente eléctrica interna por procedimientos no inductivos (básicamente por la inyección cuasi-tangencial
de átomos neutros acelerados, que se ionizan y calientan el
plasma cuando son inyectados), los t o k a m a k podrían funcionar en régimen cuasi-continuo. En el ITER se probarán y estudiarán ambos esquemas de funcionamiento, aunque este último (el no inductivo) es mucho más interesante tecnológicamente. La segunda tecnología para alcanzar la fusión se denomina Fusión por confinamiento inercial. En este caso, en lugar de tener plasmas de baja densidad, alta temperatura y alto tiempo de confinamiento, se tienen plasmas de alta densidad, baja temperatura y muy bajo tiempo de confinamiento. El blanco de fusión, donde está contenido el combustible, es generalmente esférico y tiene dimensiones milimétricas. Si se ilumina la superficie exterior de dicho blanco con un láser lo más uniformemente posible, se produce un proceso de ablación del material de la superficie del blanco. Por la conservación de la cantidad de movimiento o, lo que es lo mismo, por efecto cohete, se produce una compresión del blanco hasta densidades muy altas (del orden de 100 y hasta 1.000 veces la densidad normal del combustible). Esto da lugar a altas temperaturas en el interior del blanco.
Si se diseña la implosión del blanco para que las máximas temperaturas se den en el centro, a partir de este punto se desarrolla una onda de fusión que avanza por todo el plasma precomprimido. Las temperaturas deben ser del orden de los 40 millones de grados (temperatura de ignición definida anteriormente). En la actualidad, el diseño más utilizado es la iluminación del láser en una cavidad de contención de la radiación, denominada H o l r a u m , en cuyo interior se encuentra situado el blanco de combustible. La iluminación del Holraum por el haz láser produce una potente emisión de rayos X, que iluminan el blanco con gran uniformidad, produciendo la ablación y la posterior compresión del mismo. A esta técnica se la denomina iluminación indirecta.
La tecnología de fusión por confinamiento inercial se encuentra también en avanzado estado de gestación.
En la actualidad, se encuentra ya casi terminada la construcción de la instalación N I F (National Ignition F a c i l i t y ), en el Laboratorio de Lawrence Livermore, en Estado Unidos. En la siguiente figura, se incluye una
fotografía del estado actual del proyecto.
El láser del NIF es el más potente construido en la actualidad (hasta Figura 4.- Instalaciones del NIF en Lawrence Livermore Laboratory.

3 MJ de energía descargada en el blanco) y permitirá, entre otras aplicaciones, demostrar la viabilidad de la fusión por confinamiento inercial.

El Proyecto ITER es un proyecto de largo alcance que tiene como objetivo la demostración de que se puede construir y tener en servicio un reactor de fusión que tenga como objetivo la producción de energía. Aunque restringido a un nivel experimental, ITER debe contener todas las características de un futuro reactor de fusión comercial. El proyecto comenzó desde una plataforma internacional mediada la década de los 80, en un entorno geopolítico
que pretendía mejorar las relaciones entre la Unión Soviética y el mundo Occidental. En concreto, el proyecto fue uno de los puntos de la agenda de diferentes reuniones entre Mr. Reagan y Mr. Gorbachov y estuvo también relacionado con la reubicación de científicos e ingenieros nucleares de programas de I+D de defensa. El primer diseño del ITER fue realizado desde 1990 hasta 1998. Cuando el diseño estaba ya terminado, la situación geopolítica mundial era completamente diferente a la que había posibilitado el comienzo del proyecto. En 1991, se había producido el
colapso de la Unión Soviética y el proyecto ya no era una prioridad en la agenda de los países inicialmente firmantes del proyecto. A parte de esta causa, ITER se había convertido en un proyecto demasiado amplio, caro y complejo para ser atractivo como una dispositivo de Ingeniería. Incluso, esto dio lugar a que los EEUU se retiraran del proyecto. De todos modos, se obtuvo mucha experiencia durante la etapa de diseño. Se desarrollaron poderosas herramientas computacionales, y el equipo de ITER estaba preparado para rediseñar el ITER de una forma mucho más inteligente, aunque algunas de las ambiciosas metas iniciales (como una ganancia infinita, siendo ganancia la relación entre la energía obtenida por fusión y la introducida en el plasma de manera continuada) tuvieron que ser reducidas a valores más prácticos (ganancias comprendidas entre 10 y 20.) Además, avances en los laboratorios que llevaban a cabo experimentos de fusión durante la década de los 90 (en los que cabe destacar el JET (Joint European Torus) dieron lugar
a resultados que podían ser fácilmente extrapolables a las metas finales del ITER. En 2000, ITER no era simplemente un proyecto surgido por necesidades políticas sino un completo y coherente diseño de un reactor experimental de fusión.
Una vez definidos los fundamentos de ITER, se procede a definir de forma somera el proyecto.
La siguiente figura describe el diseño del reactor. En la figura se observa la cámara de combustión, en la parte central, y con forma toroidal (aunque su sección recta no sea circular,
sino una D), los imanes superconductores que generan el campo toroidal. Como ya se ha mencionado, el diseño del ITER es el de un tokamak en el que el campo poloidal (que
mantiene confinado el plasma en la sección perpendicular al eje del toro) es generado por la propia corriente del plasma (que, en el caso del ITER, es de 15 MAmp). Los parámetros que definen el diseño nominal de ITER vienen representados
en la tabla adjunta. Como datos del diseño a resaltar, el diámetro del eje del toro que forma la cámara de combustión es de 12,4 m, mientras que el diámetro de la sección de dicho toro es de 4 m. El volumen total de la cámara es de 837 m3, el campo magnético generado en el eje del toro es de 5,3 Teslas. La potencia introducida en el sistema será de unos 40 MW para producir una potencia de fusión de unos 410 MW. Es decir, la ganancia del sistema (Q) es mayor que 10. El tiempo de confinamiento del plasma es de unos 3,7 segundos en el modo inductivo y las temperaturas iónicas y electrónicas son similares y cercanas a los 10 keV.
El diseño incluye una serie de sistemas de gran importancia para el correcto funcionamiento del reactor.
Para mantener el vacío en la cámara de combustión (se recuerda que la mínima presencia de impurezas provoca una disminución considerable en las posibilidades de fusión), se tiene un sistema de vacío, compuesto por una pared doble. La pared interior, que recibe todo el flujo de partículas provenientes de la fusión, como son los neutrones de alta energía, tienen una estructura de mosaico en forma de escamas, para facilitar el reemplazo de las mismas en caso de daño.
Para los imanes superconductores, es necesaria una planta de criogenización para la refrigeración de los componentes a las bajas temperaturas requeridas. Esta planta funciona
con He (a menos de 4 K) La capacidad de refrigeración del sistema es de 660 kW.
En cuanto a los sistemas de calentamiento del plasma, inicialmente se supone una potencia necesaria de calentamiento de 73 MW inyectados al plasma, aunque como límite máximo nominal se tiene una potencia de 100 MW. Para inyectar esta potencia en el plasma, se dispone de un ciclotrón de electrones, de un ciclotrón de iones y, como candidatos posibles pero todavía no introducidos en diseño, los haces de neutrones.La potencia eléctrica a suministrar desde la red es de 500 MW, en las demandas puntuales máximas, y de 110 MW en un estado estacionario del ITER. Esto supone una importante demanda de electricidad que debe ser tenida en cuenta a la hora de elegir el mplazamiento definitivo del reactor. La siguiente figura presenta un esquema de lo que sería el proyecto completo.

Una decisión complicada

Una vez que el diseño del ITER ha quedado prácticamente finalizado, queda una de las decisiones más complejas del proyecto como es el emplazamiento. Los países que
forman parte del diseño del nuevo ITER son los países de Europa, Canadá, Rusia y Japón. En la actualidad, se han reincorporado al proyecto países como EEUU, y por vez primera, China. En este momento, hay cuatro posibles emplazamientos para ITER.
Clarington, en Canadá, Cadarache en Francia, Rokkasho-mura en Japón, y Vandellós en España, por orden alfabético.
El país que finalmente logre se elegido deberá asumir un importante porcentaje del costo total del proyecto. La fase de construcción será de 10 años, con un coste de 4.750 millones de euros. Se prevé una duración de la fase de operación de 20 años dando lugar a un coste total del proyecto de unos 10.300 millones de euros.
La decisión final del emplazamiento está en espera de una decisión por parte de Europa. La U n i ó n Europea decidió presentar una única candidatura a la elección final del emplazamiento. Es decir, el primer paso es elegir entre Cadarache y Vandellós. Durante estos dos últimos años, el Comité del Programa de Fusión de la Unión Europea (EURATOM) e f e ctuó sendas evaluaciones para los dos emplazamientos utilizando los Informes de Seguridad y viabilidad, y otros estudios presentados por los países candidatos. De ello se desprendió que ambos lugares eran idóneos para acoger una instalación como el ITER. Cadarache aloja ya un laboratorio nuclear de primer orden, del Commisariat d’Energia Atomique francés. Vandellós es el emplazamiento de una central nuclear en funcionamiento, y de otra, Vandellós I, en fase avanzada de desmantelamiento, en la que se está cumpliendo un magnífico programa de Ingeniería, que permitirá utilizar ese terreno para cualquier fin y, especialmente, para que en su inmediata vecindad se pueda construir el ITER.
Con tal grado de empate técnico, la Comisión de la U.E. encargó un nuevo Comité, presidido por el Dr. David King, asesor del Premio Tony Blair, que ahondara en la evaluación Cadarache versus Vandellós, lo cual ha hecho este verano, emitiendo un informe basado en el estudio de una serie de puntos como son el entorno de los emplazamientos (desde el punto de vista de la Topología y Geología, infraestructura científica y técnica, etc.), los costes del proyecto, los problemas de licenciamiento, la aceptabilidad del entorno al proyecto, etc. Cada uno de los puntos estudiados tiene asociada una conclusión, que, en general, es la de que no existen diferencias entre los emplazamientos. Esto es así excepto en dos puntos importantes. El primero, referente a costes, señala que Vandellós presentaría un ahorro de costes de construcción importante (entre 34 y 274 millones de euros), lo que es un punto a favor muy importante. Pero en el informe también se señala que la experiencia en el campo nuclear de Cadarache puede resultar en una disminución de costes en la propia fase de construcción. Esta disminución resulta imposible de cuantificar, al menos, de momento, pues depende de hipotéticos problemas no previstos, que pudieran surgir. Otra de las ventajas de la opción española es que, mientras que el gobierno francés debería cortar el programa de fusión (el Tore S u p ra) para poder hacer frente al coste que supone albergar el emplazamiento para el país anfitrión, el gobierno español se compromete a mantener el programa de fusión liderado por el Ciemat con el Stellerator TJII. Cuando, hace dos años, en octubre de 2001, el gobierno español habló por primera vez de su decisión de optar a ser anfitrión del ITER, la comunidad internacional no lo tomó como una apuesta demasiado seria.
Cuando posteriormente quedó elegido el emplazamiento, concluyendo positivamente todas las autoridades (municipales, de la Generalitat y del Gobierno), y presentado el gobierno todas sus credenciales, en la comunidad científica se dio a Vandellós por ganador. Es un lugar excepcional para llevar adelante un proyecto de esta envergadura, con extraordinaria infraestructura, una enorme capacidad de acogida para científicos de todos los países, buena comunicación y mejor clima.
Desgraciadamente, los científicos no votarán, sino los presidentes, o ministros, que se sientan en el C o nsejo de la Unión Europea. De hecho, el problema de la elección ha pasado a ser casi exclusivamente político, al más alto nivel y en momentos complicados de la Unión por su ampliación en ciernes de 15 a 25 países, y por cierto nivel de confrontación bilateral entre España y Francia, que tiene varias raíces, básicamente circunstanciales, pero que pueden durar mucho tiempo. Antes de finalizar 2003, debería tomarse la decisión dentro de la U.E., pero nadie puede prever si será cuestión de días o más bien de meses. En todo caso, queda claro que España ha jugado fuerte, bien, y con una apuesta tan bien formulada, que, a nuestro país vecino, auténtico coloso nuclear le ha puesto las cosas muy difíciles. Gracias a ello, puede que en un futuro no lejano, la foto que aparece a continuación, donde aparece el ITER en Vandellós, sea una
realidad de forma que se produzca un lanzamiento definitivo en este campo fundamental de la I+D en España.

Autores:
Pablo T. León,
Ingeniero Industrial
José María Martínez-Val,
Dr. Ingeniero Industrial
E.T.S.I.Industriales,
Universidad Politécnica de
Madrid.

Nota de los autores. El día 26 de Noviembre el onsejo de Ministros de la Unión Europea optó por la andidatura francesa de Cadarache para competir por la sede el proyecto internacional ITER. La decisión se tomó después de que el ministro español de Ciencia y Tecnología, Juan osta, renunciase a la propuesta española al constatar el mayor número de apoyos con los que contaba el Gobierno Francés en el seno del Consejo. Ahora, la competición comienza entre los tres emplazamientos que quedan (Japón, Canadá y por supuesto Francia.) En el mes de Diciembre se pretende adoptar la decisión final del emplazamiento. De ser Cadarache el elegido, España sería la sede de la entidad jurídica del ITER, y se pactó que, de los dos directores generales que le corresponden a la Unión Europea en el proyecto, uno de ellos sea español.


Referencias
1.- Artículo de la Revista Science,
Vol. 301, pág. 1456. (2003)
2.- Iter Site Análisis Group Report,
(“King Report”), 03/09/2003.
3.- Página web oficial del ITER.
www.iter.org
4.- Página web del Ciemat. wwwfusion.
ciemat.es
5.- “Nuclear Fusion by Inertial Fusion
Confinement: A Comprehensive
Treatise”. G.Velarde, Yigal Ronen,
José María Martínez-Val.
6.- Página web NIF. www.llnl.gov/
nif

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¿Quién dijo miedo?

Tirando del hilo del ITER he encontrado en Internet un documento de la US Navy de un congreso celebrado en marzo de 2004.

Este es el enlace:
http://other.nrl.navy.mil/EnergyOptions/

Quizá algun@s ya lo conocíais.

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¿Quién dijo miedo?

Los socios del ITER firman mañana el acuerdo para lanzar el reactor de fusión experimental

Así que empiezan mañana, 10 años hasta verlo funcionar, luego a experimentar, y despues........

Aunque pensandolo bien, mejor JAPON esta mas lejos y los vientos dominantes son del oeste por ser esta la circulacion general de la atmosfera en el hemisferio norte. lo que nos faltaba para el duro, un accidente nuclear. menos mal que no va a Vandellos ni a Cadarache, cuanto mas lejos mejor, veremos si hay dinero en los proximos diez años y siguientes para despilfarrar en sumideros energeticos.
estan locos estos romanos, esto es una huida hacia adelante o un señuelo para distraer al personal.
mas vale que mandasemos un sos hacia el universo. para que vengan a ayudar a los supervivientes dentro de 30 o 40 años.

Ecologistas piden usar fondos ITER para impulso energía limpia

Y mas aquí

Hombre, yo pienso que la fusion es la solucion, pero no como esta planteada en el ITER al cual veo como un diseño "defectuoso" ¿hacer unos cuantos pulsos y hay que cambiar la camisa del reactor por que de irradiado que esta ya no aguanta estructuralmente? Esa es la cultura de usar y tirar que nos esta llevando a donde todos sabemos.

La fusion es la solucion, pero no de esa manera. Y por supuesto que aunque hagan funcionar el ITER con un buen TRE el primer dia de funcionamiento (cosa que no va a pasar el primer dia) tampoco es la solucion, por plazos de tiempo.

Que vuelvan a los tableros de diseño y dejen la pasta de la construccion para lo que hoy sabemos que funciona y para investigar como solucionar sus pegas de disponibilidad. Y si usan una parte para concienciar a la gente de que nos estamos tirando por el precipicio y que hemos decidido hacerlo sin paracaidas, mejor que mejor.

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El rey va desnudo, pero los subditos prefieren no darse por enterados.

Comienza la construccion del ITER.

Un reactor como el Empire State | Edición impresa | EL PAÍS

Dara tiempo a terminarlo?

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Piensa globalmente pero actua localmente