FUSIÓN NUCLEAR ITER - Universitat Politècnica de Catalunya

Departament de Física i
Enginyeria Nuclear
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA
Secció d’Enginyeria Nuclear
Escola Técnica Superior D’Enginyeria Industrial de Barcelona
Avda. Diagonal, 647
08028 Barcelona
http://www-sen.upc.es/fusion
Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial de Barcelona
MASTER EN INGENIERIA EN ENERGIA:
ESPECIALIDAD NUCLEAR
FUSIÓN NUCLEAR
ITER
Curso: 2007-2008
Profesor Coordinador: Javier Dies
Catedrático de Universidad en Ingeniería Nuclear
FUSION NUCLEAR - 2 -
INDICE
1. Objetivos.
2. Extensión.
3. Contenido.
4. Métodos.
4.1. Clases teóricas y de ejercicios.
4.2. Proyección de documentales.
4.3.Prácticas.
-Simulador de plasmas
-Participación remota en la operación del CX del dispositivo TJ-II.
4.4. Visita técnica.
5. Programa.
6. Calendario del curso.
7. Sistema de evaluaciones.
8. Atención al estudiante.
9. European Master of Science in Nuclear Engineering (EMSNE)
10. Bibliografía.
2
FUSION NUCLEAR - 3 -
FUSIÓN NUCLEAR.
1. OBJETIVOS
a)
Presentar los principios físicos en que se basa el desarrollo de las futuras
centrales de energía de fusión.
b)
Proporcionar una panorámica general de los diferentes caminos que actualmente se contemplan para la consecución del reactor comercial
c)
Introducir los aspectos tecnológicos que requiere la energía de fusión
d)
Conocer los fundamentos básicos de cálculo y evaluación.
e)
Presentar el proyecto ITER, sus aspectos tecnológicos,
programa de
construcción.
2. EXTENSIÓN.
La asignatura se desarrolla durante el primer cuatrimestre del curso lectivo. La
asignatura es de 5,0 ECTS.
3. CONTENIDO.
Se realiza una revisión de los principios físicos en que se basa el comportamiento
del plasma termonuclear en los reactores de fusión.
Se presentan los diferentes sistemas de confinamiento de plasmas, analizando su
situación actual y sus perspectivas para la consecución del reactor comercial.
Se introducen las diferentes tecnologías requeridas para la extracción de energía,
regeneración de combustible, calentamiento de plasmas, y creación de campos
3
FUSION NUCLEAR - 4 -
magnéticos. Especial atención se presta a la tecnología requerida en el proyecto ITER.
4. MÉTODOS.
4.1. CLASES TEÓRICAS Y DE EJERCICIOS.
A las exposiciones en el aula se desarrolla el contenido de las diferentes lecciones
que constituyen el programa, incluyendo la realización de ejercicios que permitan fijar y
cuantificar los conceptos presentados.
Para mejorar el aprovechamiento de estas sesiones, el profesorado usará
transparencias que permitan enriquecer gráficamente las ideas principales de la
exposición. Con antelación suficiente se distribuirán a los estudiantes ejemplares en
papel de las transparencias, facilitando la concentración en las explicaciones y evitando
la necesidad de tomar excesivas notas.
Se distribuirá material multimedia relativo a la asignatura.
4.2. PROYECCIÓN DE DOCUMENTALES.
Para ilustrar los aspectos tecnológicos de algunos temas, el desarrollo de los
mismos se complementa con la proyección de diversos documentales.
-
Fusión por confinamiento magnético.
-
Materiales superconductores utilizados en el reactor Tore Supra.
4
FUSION NUCLEAR - 5 -
-
JET, Joint European Torus.
4.3. PRÁCTICAS.
Para favorecer el aprovechamiento de la asignatura se ha preparado un conjunto
de prácticas.
•
Utilización de un simulador de un reactor de fusión nuclear tipo tokamak para
fines docentes.
Estas prácticas se realizarán en las aulas informáticas de la ETSEIB. Las prácticas se
harán individualmente.
P1. Reproducción de experiencias reales de dispositivos de fusión (Jet y Tore Supra).
P2. Simulación de la operación del reactor de fusión ITER.
P3. Mejora del confinamiento de un plasma termonuclear: Inversión del perfil del
factor de seguridad.
(10 horas)
Metodología para el desarrollo de las prácticas:
-Presentación de las aplicaciones por parte del profesor: alcance, modelos
y bases de datos.
-Ejecución de los programas: definición de parámetros, entrada de datos,
almacenaje de datos.
-Análisis de resultados.
5
FUSION NUCLEAR - 6 -
-Resolución de las cuestiones planteadas y elaboración de la memoria.
•
Participación remota en un experimento de fusión termonuclear. Seguimiento
remoto de una descarga del experimento TJ-II flexible heliac, del Laboratorio
Nacional de Fusión, en el CIEMAT, Madrid.
Se puede ver en tiempo real unas 300 variables del experimento TJ-II, con sonido e
imagen de la sala de control del dispositivo. Se realiza
el control remoto del
diagnóstico CX, que permite medir la temperatura de los iones. Se ha realizado
medidas de hasta 20 millones de grados.
4.4. VISITA TÉCNICA:
En cada curso se realizará una visita técnica a un experimento de fusión.
•
Visita técnica al reactor francés Tore Supra y al emplazamiento ITER:
Tore Supra es un reactor de fusión termonuclear tipo tokamak, construido en 1989.
Para crear el campo magnético toroidal, utiliza bobinas superconductoras.
Departament de Recherches sur la Fusion Contrôlée, Commissariat d'Energie
Atomique, Associació EURATOM-CEA sur la fusion, Cadarache França.
http://www-cad.cea.fr
-Se visitará el emplazamiento donde se han iniciado los trabajos para la construcción
6
FUSION NUCLEAR - 7 -
del ITER. Este es un reactor de fusión 500 MW de potencia termina nominal, tipo
tokamak. Utiliza bobinas superconductoras. El presupuesto es de unos 4500 M€. Se
trata del segundo proyecto de investigación de carácter internacional más grande del
mundo. Participan: Estados Unidos, Japón, Europa, China, Rusia, Corea del Sur,
India.
http://www.iter.org
(Tiempo, 7 horas + viajes)
Durante las visitas se da especial importancia a los aspectos tecnológicos relativos a:
sistemas de calentamiento por inyección de neutros, por radiofrecuencia, sistemas
criogénicos, sistemas eléctricos para generación de campos magnéticos, sistemas de
diagnóstico de plasmas.
Figura: Estudiantes ETSEIB-UPC en la puerta del centro de Cadarache para la visita a Tore-Supra y el ITER SITE,
2006.
7
FUSION NUCLEAR - 8 -
Visit Program:
Sunday 6 – May - 2008
Departure:
Lunch:
Diner:
Hotel:
-11h, main door ETSIIB-UPC.
- Motorway Barcelona –Marseille station.
-free in Aix en Provence
-Hotel Le Globe, Cours Sextius 74, AIX EN PROVENCE
Monday 7 - May - 2008
7h00 -Breakfast
7h30 -Departure to C.E.N. Cadarache.
8h30 -Arrived to Cadarache. Control entrance.
9h00 -El BRP (Bureau des Relations Publiques) will organize a general tour to visit
the Centre Etudes Nucleaires de Cadarache with the bus.
9h45
10h30
11h
-ITER-site Presentation. C. Alejaldre, Deputy Director–General for
Safety and Security, ITER
-Tore Supra main results Presentation, J.M. Ané, DRFC-CEA (Room
René gravier Bât. 506).
-Tore Supra visit
a. Hall machine and montage J.M. Ané
b. power supply systems
c. control room
12h45
-Lunch, restaurant 1
14h00
Visit to Tore Supra diagnostic systems.
16h00
17h00
Visit to ITER site-organized by CEA (Agence ITER-France)
Return to Barcelona.
Note:
-the participants have to present the carte identity o passport at the entrance of CEA.
-It’s not allowed to make photos inside the CEN Cadarache.
-registration: Secretary de la Sección de Ingeniería Nuclear-ETSEIB-UPC.
(Up date: 25-april-2007)
8
FUSION NUCLEAR - 9 -
4.5. Campus Digital
La Universidad Politécnica de Cataluña ha desarrollado el entorno ATENEA sobre el
cual la ETSEIB ha implementado su CAMPUS DIGITAL.
Para incrementar la comunicación entre el estudiante y el profesor, en el desarrollo de
esta asignatura se utilizará el Campus Digital como medio adicional de comunicación
asíncrona.
Los usos habituales del Campus Digital de la ETSEIB en la asignatura Fusión Nuclear
son:
-
Poner calificaciones de los estudiantes en los distintos actos de evaluación.
-
Anuncio de conferencias, videoconferencias y seminarios.
-
Anuncio de cambios de fechas u horas, en la programación de la asignatura:
prácticas, visitas técnicas, evaluaciones.
9
FUSION NUCLEAR - 10 -
-
Concertar entrevistas entre profesor y estudiante.
-
Visualizar el historial del estudiante.
-
Distribuir documentación.
-
Anuncios generales (ofertas de trabajos, ofertas de becas, noticias relativas a
la ingenieria nuclear,..)
10
FUSION NUCLEAR - 11 -
5. PROGRAMA DETALLADO:
0. Presentación de la asignatura (1h).
1. Introducción (3h).
1.1. Recursos Energéticos.
1.2. Reacciones de fusión.
1.3. Combustibles de los reactores de fusión.
1.4. Productos de fusión.
1.5. Historia de la fusión termonuclear.
2. Tasa de reacciones de fusión (5h)
2.1. Funciones distribución en un plasma.
2.2. Evolución de un plasma termonuclear.
2.3. Secciones eficaces.
2.4. Dos distribuciones maxwelianas.
2.5. Un haz monoenergético y un plasma maxweliano.
2.6. Tasa de reacciones.
2.7. Tasa de reacciones en un plasma de una sola especie.
2.8. Densidad de potencia. Fluencia.
3. Perdidas de energía en un plasma termonuclear (3h).
3.1. Perdidas por radiación de frenada, Bremsstrahlung.
3.2. Perdidas por radiación ciclotrón.
3.3. Ionización y recombinación.
3.4. Intercambio de carga.
4. Balance de energía en un plasma termonuclear (3h).
4.1. Criterio de Lawson.
4.2. Ecuaciones de conservación.
4.3. Equilibrio y temperatura de ignición.
5. Sistemas de confinamiento de plasmas (5h).
5.1 Introducción. Clasificación.
5.2.Sistemas abiertos. Espejos magnéticos: principio de confinamiento; espejo
simple, espejo de mínimo B; espejo baseball, espejo Ying-yang.
5.3. Sistemas cerrados. Introducción, inestabilidades, familias de sistemas
cerrados. Campos magnéticos: toroidal, poloidal.
5.4. Tokamaks. JET. Tore-Supra, DIII-D. ITER.
5.5. Stellarators. TJ-II, LHD, Wendelstein 7-AS, Wendelstein 7-X.
11
FUSION NUCLEAR - 12 -
6. Sistemas de calentamiento de plasmas (2h).
6.1. Calentamiento óhmico.
6.2. Inyección neutros.
6.3. Compresión adiabática.
6.4. Calentamiento por radiofrecuencia.
6.5. Calentamiento por electrones relativistas.
7. Pureza del plasma. Alimentación de combustible (2h).
7.1. Impurezas: efectos, concentraciones.
7.2. Acumulación de helio.
7.3. Divertores.
7.4. Alimentación de combustible: gas-puffing, inyección de neutros.
8. Sistemas de extracción de energía (2h).
8.1. Termohidráulica en reactores de fusión.
8.2. Diseño de módulos de pared.
8.3. Conversión directa de energía.
9. Sistemas de Diagnostico (2h).
9.1. Medidas de densidades.
9.2. Medidas de temperaturas.
9.3. Medidas de productos de fusión.
10. Neutrónica. Producción de tritio (2h).
10.1. Distribución del flujo neutrónico.
10.2. Tasa de producción tritio.
10.3. Efectos de los neutrones sobre materiales del reactor.
10.4. Diseño de blindajes.
11. Fusión por confinamiento inercial (2h).
11.1. Introducción.
11.2. Criterio de Lawson en los SCI.
11.3. Etapas del confinamiento inercial.
11.4. Fusión por láser: el láser. Transferencia de energía al plasma.
11.5. Fusión por haces de partículas: por electrones relativistas, por iones.
12
FUSION NUCLEAR - 13 -
12. El proyecto ITER (4h)
12.1. Características principales.
12.2. Diseño.
12.3. Programa de construcción.
12.4. Programa de operación.
12.5. Estudios de seguridad e impacto ambiental.
13
FUSION NUCLEAR - 14 -
6. CALENDARIO DEL CURSO 2007-2008:
•
CONFERENCIA INVITADA 1
ENRICO DI PIETRO
DIRECTOR EFDA-CSU BARCELONA
TECNOLOGIA DEL REACTOR ITER
FECHA
•
CONFERENCIA INVITADA 2
ALFREDO PORTONE
FDA-CSU BARCELONA
PLASMA CONTROL OF FUSION REACTORS
FECHA:
•
CONFERENCIA INVITADA 3
JOAQUIN SANCHEZ
DIRECTOR LABORATORIO NACIONAL DE FUSION
PRESENTACIÓN DEL REACTOR DE FUSION TJ-II
FECHA:
•
V: VISITA TÉCNICA A TORE SUPRA Y ITER-SITE.
Se croncretará proximamente
VER PROGRAMA VISITA.
•
PRACTICAS (AULA INFORMATICA: SIMULADOR DE REACTOR DE FUSION).
Se concretará próximamente.
•
PR: PRACTICA: OPERACIÓN REMOTA DEL CX CORRESPONDIENTE AL
DISPOSITIVO TJ-II
Se concretará próximamente
14
FUSION NUCLEAR - 15 -
7. SISTEMA DE EVALUACIONES:
La evaluación se realiza asignando un peso a las diferentes actividades desarrolladas en
el marco de la asignatura, tal como se indica en la expresión siguiente. Se considera la
asistencia a las clases y conferencias invitadas (A), las memorias presentadas por los
estudiantes correspondientes a cada trabajo práctico (MP), la asistencia a las prácticas
(AP), la participación en la visita técnica (V). La calificación final (NF) se obtendrá con la
siguiente expresión:
NF = 0.40*A + 0.25* MP + 0,15* AP + 0.15 *V
8. ATENCIÓN AL ESTUDIANTE:
El equipo de profesores de la asignatura está a disposición del estudiante para orientar el
seguimiento del curso y resolver cuestiones relativas a contenidos de la asignatura o a
su funcionamiento. Para facilitar esta tarea se puede concertar entrevista con los
profesores mediante: correo electrónico, teléfono, al acabar la clase o en la secretaria de
la Secció d’Enginyeria Nuclear (pabellón C, ETSEIB).
Profesor coordinador:
•
Prof. Ph.D. Javier Dies, UPC-DFEN, Javier Dies :
Javier.Dies@upc.edu
Tel.
934017144,
15
FUSION NUCLEAR - 16 -
•
Invited lectures:
-Dr. Enrico Di Pietro, EFDA-CSU, Barcelona.
-Dr.Joaquin Sanchez Asociacion Euratom-Ciemat para la Fusion,
-Dr. Alfredo Portone, EFDA-CSU-Barcelona,
•
Lectures:
-Dr. Guillem Cortes, FEEL-DFEN-UPC.
-Dr. Jeronimo Garcia, FEEL-DFEN-UPC
Dado que el pasado mes de septiembre se inauguró la “Agencia Europea del ITER en
Barcelona”, varios especialistas de la Agencia, participarán en el desarrollo de esta
asignatura. El calendario y el programa de estas participaciones se especifica en el
apartado 6 de este documento.
9. EUROPEAN MASTER OF SCIENCE IN NUCLEAR ENGINEERING (EMSNE):
Los cinco créditos ECTS correspondientes a esta asignatura contabilizan como
formación nuclear para la obtención del European Master of Science in Nuclear
Engineering (EMSNE) impulsado por la European Nuclear Education Network (ENEN).
http://www-sen.upc.es
10. BIBLIOGRAFIA:
Textos básicos
1. Raeder, J. (1986): Controlled nuclear Fusion, fundamentals of its utilization for
energy supply, Wiley & Sons, New York, 316 págs.
16
FUSION NUCLEAR - 17 -
2. Wesson, J. (2004): “Tokamaks”, Oxford Science publications, Clarendon pressOxford, 680 pag.
3. Dolan, J.J. (1982): Fusion research. Perganon Press, (tres volúmens).
4. Dies, J.; Albajar, F.; Fontanet, J. (1998); "Utilització d'un simulador d'un reactor de
fusió nuclear tipus tokamak per a fins docents", 94 pag., Barcelona.
5. Dies, J.; (2007); "Transparencias Fusión Nuclear, ITER” Edicions CPDA, 304 pag.,
Barcelona.
6. DG XII Fusion Programme “dominar la energia de las estrellas”, CD-Rom, 2003.
Textos complementarios:
1. Hutchinson, I.H., (2000): “Principles of plasma diagnostics”, Cambridge University
press, 364 pag.
2. Masahiro Wakatami (1998) ; “Stellarators and heliotron devices”, Oxford
University Press.
3. CEA (1987), La fusion thermonucléaire contrôlée par confinement magnétique.
Masson.
4. Kammash,T.(1975): Fusion Reactor Physics, Ann Arbor Science, Ann Arbor,
Michigan.
5. JET, Joint Undertaking (1995), JET Progress Report, EUR EN, EUR-JET-PR8.
6. Jeffrey Freidberg (2007); “Plasma Physics and Fusion Energy”, Cambridge
University press, 671 pag.
Otras referencias y materiales:
http://www-sen.upc.es/fusion
http://www.iter.org
17