El proyecto de la instalación IFMIF-DONES: aspectos principales del diseño

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Desde hace unos años está aceptada en el Programa Europeo de Fusión la necesidad de disponer de una fuente de neutrones para caracterizar los materiales de los futuros reactores de fusión. Actualmente se considera que la construcción y explotación de una instalación con semejante objetivo se encuentra en el camino crítico para la demostración de la central eléctrica prototípica de fusión. Esta situación llevó a la UE a iniciar actividades para el diseño de ingeniería de IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility-DEMO Oriented Neutron Source).

El trabajo de I+D en apoyo del diseño de IFMIF-DONES se realiza actualmente en el contexto de un paquete de trabajo del Consorcio EUROfusion, en colaboración directa con la organización Fusion for Energy. El objetivo principal de estas actividades es consolidar el diseño y la base tecnológica necesaria para construir IFMIF-DONES en un breve plazo de tiempo.

Por otro lado, el proyecto IFMIF/EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) forma parte del marco del Acuerdo Bilateral EU-Japón Agreement on the Broader Approach to Fusion, que tiene como objetivo proporcionar datos de operación reales con prototipos de sistemas parciales de IFMIF-DONES.

En este artículo se presenta el estado actual del diseño de ingeniería de IFMIF-DONES.

INTRODUCCIÓN
Desde hace más de tres décadas se viene considerando la necesidad de disponer de una fuente de neutrones para desarrollar la tecnología de fusión. En DEMO, futuro primer prototipo de fusión, y en las siguientes plantas de energía, las reacciones deuterio-tritio generarán flujos de neutrones entre 1E18 y 5E18 m-2 s-1 con una energía máxima de 14.1 MeV que bombardean los materiales del reactor (vasija del plasma, primera pared, módulos de reproducción de tritio, sistemas de diagnóstico, etc.). Se estima que los daños en materiales pueden superar potencialmente los 10 dpa-NRT por año de operación. Por otro lado, los materiales deben ofrecer baja presencia de isótopos que se activen con períodos largos de semidesintegración y deben presentar valores moderados de calor de desintegración.

IFMIF-DONES será la fuente de neutrones que puede proporcionar las condiciones previstas para DEMO. El fundamento de la fuente es aprovechar las reacciones nucleares Li(d,xn) de un haz de deuterones que incide sobre un target o blanco de litio líquido.

El camino recorrido hasta alcanzar la madurez actual de una fuente de alta potencia como DONES ha sido largo y sinuoso. La propuesta remota se publicó en 1976 [1]. Posteriormente, se llevó a cabo un programa internacional para diseño de IFMIF coordinado por la AIE que dio lugar en 1996 a un diseño conceptual de IFMIF basado en dos aceleradores, seguido de un Comprehensive Design Report en 2004.

El proyecto IFMIF/EVEDA bajo el Acuerdo Broader Approach entre Japón y Euratom se aprobó en 2007 simultáneamente con el Acuerdo ITER. El mandato en este caso era producir un diseño integrado de ingeniería de IFMIF, así como información tecnológica para futuras decisiones sobre construcción y operación de IFMIF. Las actividades de diseño de ingeniería concluyeron con el Informe Intermedio de Diseño de Ingeniería en junio de 2013.

Los requisitos de diseño por demostrar se desarrollaron en proyectos de fabricación y operación de subsistemas prototípicos de IFMIF:
• Un prototipo de acelerador (LIPAc) en Rokkasho que replica componentes hasta la primera etapa de aceleración superconductora (energía de 9 MeV). El proyecto comenzó en noviembre de 2014 y está previsto que se complete la prueba integral operativa en marzo de 2020.
• El lazo experimental de prueba de litio (ELTL) en Oarai, que integra todos los elementos de la instalación de IFMIF relativos al circuito de litio, se puso en operación en febrero de 2011 y el programa de pruebas se completó en 2014.
• Otras actividades importantes de demostración fueron: experimentos de corrosión en Brasimone (circuito de litio LIFUS6), construcción y operación de un prototipo del módulo de prueba de alto flujo, en KIT, y construcción e irradiación (en el reactor experimental BR2 de SCK-CEN) de un prototipo de las cápsulas que contienen las pequeñas muestras.

Los mapas de ruta hacia la energía de fusión desarrolladas en diferentes países coinciden en prever la construcción de dos máquinas de fusión, ITER y DEMO, antes de los prototipos industriales. La Hoja de Ruta de Fusión Europea (European Roadmap) [2] se basa en el objetivo de producir electricidad de fusión a mediados de siglo, lo que implica que la fase de diseño y construcción de DEMO debe preverse para 2040. En concreto, hay una primera fase DEMO con dosis máximas de unos 20 dpa en los materiales, suficiente para pruebas de integración de componentes. Una segunda fase DEMO elevaría las dosis hasta unos 50 dpa. De esta manera, los requisitos de la fuente de neutrones se pueden ajustar coherentemente, de manera que una primera fase se enfoca solo en las necesidades de la primera fase DEMO. De esta forma surge el proyecto IFMIF-DONES [3].

En paralelo, se consideró también la idea de ampliar los objetivos científicos de la instalación. Se ha editado un Libro Blanco sobre un Programa Científico Complementario [4], donde se identifican nuevos planteamientos sin comprometer el objetivo principal. Se proponen: (1) aplicaciones de interés médico, (2) física nuclear e instalación como haz de iones radiactivos, (3) estudios de física básica, y (4) aplicación industrial de neutrones [4]. Actualmente el diseño de planta contempla un haz colimado de neutrones a continuación de la celda de irradiación de materiales.

El enfoque explicado en los párrafos anteriores se ha convertido en el referente europeo para IFMIF-DONES y permitió en 2015 iniciar una actividad específica en el programa de trabajo del Consorcio EUROfusion hacia un diseño que posibilite el inicio de construcción en 2020.

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