Presentación de PowerPoint

Dirección:
Sala de conferencias de b_TEC / IREC; Plaça de les Dones de Negre 1, 2ª
planta 08930 Sant Adrià de Besòs, Barcelona
Seminario Científico-Industrial
Production technologies for ITER base-ofdesign structural and functional materials
Organizado por:
Procurement prospects and bussines opportunities within
F4E and ITER IO Work Plans
Patrocinadores:
Con la colaboración de:
Inscripción: www.btec.cat
Contacto: grisha@btec.cat
Tel. +34 93 356 09 80 / Fax. +34 93 356 28 23
4/6/2014
LITIO ENRIQUECIDO EN Li-6
Eutéctico Litio-Plomo: Pb-6Li
Características de base del material, rutas de producción,
demandas y oportunidades en aprovisionamientos
Luis Sedano
Seminario Científico-Industrial
Production technologies for ITER base-of-design structural and functional materials
Procurement prospects and bussiness opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
Aspectos
• Necesidad de regeneración de tritio en FN y materiales
regeneradores.
• Eutéctico de Pb-6Li como material estratégico en TNF.
• Pb-6Li: características básicas y avanzadas. Demandas de
QA como material nuclear.
• Demandas de aprovisionamiento ITER y Programas.
Demandas DEMO. Enriquecimiento 6Li en ITER y DEMO.
• Cuestiones de I+D hacia el aprovisionamiento industrial.
• Pb-6Li: Oportunidad industrial y de emprendimiento.
• A modo de conclusiones.
Production technologies for ITER base-of-design structural and functional materials
Procurement prospects and business opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
Aspectos
• Necesidad de regeneración de tritio en FN y materiales
regeneradores.
• Eutéctico de Pb-6Li como material estratégico en TNF.
• Pb-6Li: características básicas y avanzadas. Demandas de
QA como material nuclear.
• Demandas de aprovisionamiento ITER y Programas.
Demandas DEMO. Enriquecimiento 6Li en ITER y DEMO.
• Cuestiones de I+D hacia el aprovisionamiento industrial.
• Pb-6Li: Oportunidad industrial y de emprendimiento.
• A modo de conclusiones.
Production technologies for ITER base-of-design structural and functional materials
Procurement prospects and business opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
• Necesidad de tritio en reactor de fusión DT: 55.8 kg/GWt-a
(20),
(14),
(3),
(2),
(1),
(4)
(1)
• Producción de CANDUs ~ 1-2 Kg/GWt-año.
• Extrapolación optimista de APT ~ 12 Kg/GWt-a (blancos de espalación Li/Al
diseñados ex-professo.)
• Decaimiento de tritio 4.57% por año
Capacidad aprov. de tritio (HWR) para FN ~
27 kg !
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Procurement prospects and business opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
Joaquín Sánchez
1 atomo de T
s
3 grs de T
x
500
MWth
x
440
x
 0.389 grs. T (por pulso)
17.59 MeVx 1.60 x 10-19
pulso 6.022 x 1023 atomos de T
• 1.5 % de disponibilidad operativa real: 11751 pulsos
4.57 Kg
• 10 a de operación, 3000 pulsos/año (PP ~ 0.3 MWa m-2 < 3dpa): 11.67 Kg
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SUCEDE
• Inventario de tritio en 1999: 15 kg
• Tasas de recuperación en 1999: 2.1 kg/a, decrece a 1.7 kg/a en 2005, cte. hasta 2025
• En 2025 los reactores alcanzan su final de vida y caen las tasas de producción de tritio
• Ontario Power Generation (OPG) tiene 13 de sus 20 CANDU reactores operativos
• Reactores con licencia de operación x 40 años
• OPG vende 0.1 kg/a a usuarios externos a ITER/VNS (precio 70-120 M€/Kg)
• Tritio decae a 4.57 % / año
Escenario de Mercado (civil) del Tritio
NO OCURRE:
• Escenarios de arranque D-D/TBR con producción de tritio
• Extensión de tiempo de vida de los CANDU a 60 años
• Re-arranque de los CANDU parados
• Construcción de nuevos CANDU
• Entrada en el mercado civil de tritio proveniente de programas militares
• Irradiación de blancos de Li en reactores comerciales (incluyendo CANDU)
• Cierre anticipado de reactores CANDU
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Inventario Tritio Ontario (kg)
30
5 años, 100 MW, 20% Disp., TBR 0.6
5 años, 120 MW, 30% Dispon., TBR 1.15
10 años, 150 MW, 30% Disp., TBR 1.3
25
20
HWR/CANDU.
sin Fusión
15
1000 MW Fusion,
10 % Disp. TBR 0.0
10
5
ITER
(inicio const. en 2010)
500 MW, 1.5 % Disp
• Tritio agotado por el 2025 si ITER operase a 1000 MW de potencia fusión a
10% disponibilidad
0
1995
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
Año
• En TNF: externalidades al margen debemos generarnos nuestro propio Tritio.
• Tritio va a condicionar estrategia a DEMO y del desarrollo de la FN como opción
energética.
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• D (H. Urey, 1931) abundante en agua del mar (0.016%)
• T (Rutherford, 1934) existe en la naturaleza (en ionosfera producido x radiación
cósmica n + 147N  31H + 126C). En la atmosfera con origen antropogénico,
de reactores nuclear y plantas de reprocesamiento (< 1Kg)
• Primera generación de reactor de fusión (ITER/DEMO)
D + T  4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
- Regeneración neutrónica del litio:
n + 63Li  31H + 43He) [6.5 % of 6Li in Li]
Economía del neutrón:
n (7Li, DE)  n
n (Be,Pb, Sn,…)  2n
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Envoltura Regeneradora (Breeding Blankets): componente funcional
clave de reactor de producción de potencia (eléctrica u otro vector
futuro, ej.: H2) por Fusión:
•Blindaje de bobinas
(superconductoras) de la radiación
plasmática (n, g) con factores de
blindaje extremos (< mW cm-3) y de
protección exterior,
•Extracción/amplificación de la
potencia de la deposición plasmática
(cargas térmicas en primera pared
MW m-2 y volumétrica: MW m-3)
•Garantías de autosuficiencia en
tritio, i.e.: tecnología de ciclo cerrado
de tritio como necesidad intrínseca
de la TNFusión (reactores DT)
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Refrigerante:: DH ↑↑ /extracción de potencia
• F6LiBe, F6LiNaK
• 6Li
• Pb-6Li
• He
• H2O
• Pb6Li
Material estructural
• 6Li-OSi, 6Li-MTi/Be
•Li//C
• FLiBe, FLiNaK
Regenerador/Multiplicador
/Reflector
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► Structures: RAF/M Steel (HCLL,WCLL) and (DCLL) or SiCf/SiC(SCLL) ► Multiplier/Breeder: Eutectic Pb-Li ► Coolant:
He at 8 MPa, 300/500°C (only) or with LiPb at ~460-480°C/650-700°C
Helium-Cooled LLE
blanket (HCLL)
Water-Cooled LLE
blanket (WCLL)
► EUROFER He-cooled
steel box, highly modular,
radial He-cooling plates
► T steel: 350°C/550°C
► T interface (steel) <
520°C
► LiPb velocity < 1 mm/s
► Need of T-perm. Barr., ►
6Li 90%
► Water-cooled FM steel
box, large banana shape
modules, poloidal tubes
► T steel: 350°C/550°C
► T interface (steel) <
520°C
► LiPb velocity ~ mm/s
► Need of T-perm. Barr.
► 6Li 90%
Dual-Coolant LLE
blanket (DCLL)
► EUROFER/ODS+ SiC/SiC
flow channel inserts as
el./th.Insulator
►LLE breeder & coolant
► T steel: 350°C/550°C
►T interf. SiC/SiC< 700°C
► LLE velocity ~0.1 m/s
► 6Li 90%
Self-Cooled LL
blanket (SCLL)
► SiC/SiC large bananalike structures,
► LLE breeder & total
coolant
► T interface (SiC/SiC) <
700°C
► LiPb velocity ~ 1 m/s
► 6Li 90%
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Main design features for LLE ITER-Test Blanket Modules
► Structures: RAF/M Steel ► Multiplier/Breeder: Eutectic Pb-Li
► Coolant: He at 8 MPa, 300/500°C (only) or with LiPb at ~460-480°C/650-700°C
HeliumCooled
½ V port
size
► Eurofer He-cooled steel box,
poloido- & toroido-radial HC stiff.,
radial He-cooling plates
► T steel: 350°C/550°C
► T interface (steel) < 520°C
► LiPb velocity < 1 mm/s
► Possible test of T-perm. barriers,
6Li 90%
DualFunctional
½ V port
size
DualCoolant
½ V port
size
► CLAFM He-cooled steel box, polrad- & pol-tor HC stiffeners
► Initially HC, can evolve to DC
because of SiC/SiC FCI
► T steel: 350°C/550°C
► T interface (SiC/SiC) < 700°C
► LiPb velocity up to 10 cm/s
► 6Li 90%
► F82H He-cooled steel box, pol-rad& pol-tor HC stiffeners
► Use of SiC/SiC Flow Channel
Inserts as el./th. insulators
► T steel<550°C
► T interface (SiC/SiC) < 700°C
► LiPb velocity up to 10 cm/s
► 6Li 90%
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Aspectos
• Necesidad de regeneración de tritio en FN y materiales
regeneradores.
• Eutéctico de Pb-6Li como material estratégico en TNF.
• Pb-6Li: características básicas y avanzadas. Demandas de
QA como material nuclear.
• Demandas de aprovisionamiento ITER y Programas.
Demandas DEMO. Enriquecimiento 6Li en ITER y DEMO.
• Cuestiones de I+D hacia el aprovisionamiento industrial.
• Pb-6Li: Oportunidad industrial y de emprendimiento.
• A modo de conclusiones.
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ALEACIONES EUTECTICAS DE 6LITIO-PLOMO: 83Pb17Li (0.63w%Li)
PROS
•
•
•
•
•
•
Características neutrónicas
Ventana de diseño
Compatibilidad estructural
Reactividad (10-5 aLi)
Características como refrig.
Baja solubilidad del tritio
CONTRA
• Baja solubilidad del tritio
• Bi  Po (ITER, DEMO)
• Prop. Eléctricas (MHD)
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Reactor param. Range
E, B field 0-1 kV m-1 , 0-15 T
Neutron Wall Load 2.5 MW/m2
Power deposition
MWm-3
Av. 6Li burn-up 0.1at.% fpd-1GWth-1
Bulk properties
Range
Design constraint
Temperature
235-700ºC
Melting-SiC corrosion
T. Part. Press.
10-10 kPa
Breed./permeat.rates
LM velocity
mm/s – m/s
MHD pressure drop
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Magnitude
Expressions
Reference
Comment
Consensus
Pb-Li Eutectic CONSTITUTIVE PROPERTIES
Eutectic title [at Li%]
Cubic cryst. lattice
15.7(2) to 16.9(8)
[1, 5, 6, 7, 11]
Most systematic study in [7,10]
(15.7 at%Li)
Rough
Tm [K]
DVm [%]
508 to 510
3.5 to 3.74
[1, 5, 6, 7, 11]
[7]:52 points for regression [022.Li%at] 508 for 15.7(2)
Rough on 508K
Molec. Mass [g mol-1]
173.1(6) to 175.7(6)
[1, 2, 5, 6, 7,11]
As previous
As previous
Pb-Li Eutectic BULK PROPERTIES
Dens. (Tm <T< 625)
(Tm <T< 900)
(Tm <T< 880)
Dynam. Viscosity
[mPa s] (508-900) K
Surf. Tension (N/m)
(520 <T < 1000K]
ρl  9.99(1  168 106 T) [1,12]
ρl  10.47(1  110 106 T) [13]
[11]
ρl  10.52(1  190 106 T)
l  0.187exp(116 40/RT) [1,3]
 l  0.48  0.09  (T - Tm ) [12]
 l  0.52  0.11103 T [14] (Li)
Different techniques (differential
dilatometer, HT pycnometer, gtransmission)
Large (error <
0.5%)
Viscosimeters. 2 independent
measurements same regression
Large (error <
1%)
[12] assumed more refined
1 entry
Pb-Li Eutectic THERMODYNAMIC PROPERTIES
[1,12]
Significant divergence for solid
Large (for liquid)
Latent Fusion [J/g]
(Cp)l  0.195  9.116 106 T
339 [1], 33.9 [12]
[1,12]
1 o.o.m. Lead 24 J/g,  [1] doubtful
Error [1] ?
Vapour press.[Pa]
PV  1.5 1010 exp( 22900/T)
[9,14]
[9] for LLE, [14] for Li
Ther. Cond.[W/m/K]
Tm < T < 625 K
l  1.95(1 1.96T)
[1,2]
Minimize parasitic convection
(error < 1%)
Large
Ther. Exp. Coeff.
l  1.572(10 -4  3.489 108 T)
[1,11,12,
13,15]
Derived from density expressions. A
direct measurement needed.
Large
Specific Heat [J/gK]
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Y
Ref.
at.% Li
Alloy origin
T-control
Analysis
Uncertainties
88
[5]
16.98
CEA, Li(99.5) and
Pb(99.994)
--
--
--
91
[6]
16.55
91
[3]
16.98
Thermal
AAS
 0.01 wt.%,
oxygen
impurities
were below
the hot
extraction
method
(0.01%)
laboratory, Li(99.4) from
Metallgesellschaft with
0.5 Na, 0.01 K, 0.03 Ca,
<0.01 Al, <0.03 Si and
Pb(99.99) from Ventron
analysis (NiCrNithermocouple
s) and thermal
differential
analysis with a
Netzsch DTA
92
[7]
15.7
laboratory, use of an
electromagnetic pump to
ensure the homogeneity
05
[10]
15.8
laboratory, use of a
three-phase MHD stirrer.
Comparison with a
sample from METEAUXSPECIAUX (1993) and
another from JostHinrich Stachov
Metallhandel (2003)
X-ray
phase
study,
laboratory, Li(99.8) and
Pb(99.99)
--
Figure 1: Phase diagram of Pb-Li system
[Tegze and Hafner, 1989]
06
[11]
16.97
measurement
of electrical
resistance as
a function of T
--
 1.3 at.%
AAS
 0.20 wt.%
Li activity determine LLE activity.
Eutectic title has large impact on NFT. Tritium solubility in LLE would largely
depends on Li-disproportioning by bad mixing or local aggregation.
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Magnitude
Expressions
References
Comment
Consensus
Pb-Li Eutectic ELECTRIC-MAGNETIC PROPERTIES
Elect. Res. [nW.cm]
(Tm <T< 933 K)
(Tm <T< 720 K)
Mag. Perm. [N.A-2]
ρell  12.3  0.8938T
[1, 3]
Drl [Tm] x 2.23
ρell  10.23  0.00426  T
[17]
 m  1.257 105  5.485 104 T
[16]
m  m0 (1 C T )
Poor database.
Agreement within~ 5%
Large
Pb data, very poor database
(Li contents effects unknowns)
Large
Pb-Li Eutectic HYDRODYNAMIC CORRELATIONS
Ha  B0 L  r 
N  LB 2 0 rv0 
Therm. Diffus.
 T, l  1.758 10-3  12.5 105 T
 T   rC p
 T, l  1.3 10  13.0 10 T
Prandtl Number
Prl  C p 
Prl  1.5110-2  2.07 105 T
-3
5
 Prl  C p 
 Gr  gr 2 DTh3  2
[1, 2]
(Tm <T< 625K)
2 entries, agreeing within~ 5%
Agreeing , r, Cp experiment
formula
Large
[1, 2]
(Tm <T< 625K)
Derived from: , , Cp
Large
Pb-Li Eutectic 2-PHASE DISPERSION MODEL PARAMETERS & CORRELATIONS
0.5
Froude: Fr  u g ,0 ( gd )
Bond Nbr. :Bn  gd 2 rl  l Galilei Nbr: Ga  gd 3  l
Coff. Disp. phases
l,g
 g  u g ,0 (dg 0.5 )
l  du g ,0 (1  6.5  Fr 0.8 ) 13Fr
[31]
Schmidt Nbr.: Sc   l DT ,l
For Hg (similar hydrodynamics)
Unique entry
l,g
 g (1   g ) 4  0.2  Bn1/ 8  Ga1/ 2  Fr [31], [32]
For Hg (similar hydrodynamics)
No disagreem.
Mass-transf. coeff.
a  hl  0.6  Sc1/ 2  Ga1/ 3  Bn 0.62   1g.1 [31], [32]
For Hg (similar hydrodynamics)
No disagreem.
Bubble size: db
d b d  26  Fr 0.12  Ga0.12  Bn 0.5 [31], [33]
[31] for Hg agreeing exp.in [33]
No disagreem.
Gas hold-up
a  hl
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Magnitude
Expressions
References
Comment
Consensus
LLE H-ISOTOPES TRANSPORT PROPERTIES
Diff. Coef. [m2/s]
[T]
DT  2.32 10 exp( 27000/RT)
[17] (Tm-700) 1-100kPa
Large dispersion
In-pile
[H,D,T]
DT  4.03 10-8 exp( 19500/RT)
[6] (Tm-700) 1-100kPa
Out-of-pile (Gas. Evol.)
[H]
DT  1.5 10-9
[5] (Tm-700) 1-100kPa
Hot Absorption
[T]
DT  2.62 10-9 exp( 6630/RT)
[T]
DT  2.5 10-3 exp( 30700/RT)
[19] (Tm-700) 1-100kPa
[18] (673-970) 1 kPa
Neutron Irradiation
Regress. Compilat.
Sievert´s
Const.
[at.fr. Pa-1/2] [H]
[H]
[H,D,T]
[H]
[H]
[H]
[H]
[H]
-7
K S  4.66 10 exp( 13399/RT)
K S  6.32 10-6 exp( 39333/RT)
-6
K S  2.32 10-8 exp( 1350/RT)
1.0810-6
6.3310-7
2.7 10-8
K S  8.98 10-7 exp( 6100/RT)
K S  5.43 10-3 exp( 51100/RT)
[20] (600-900) 1-100kPa
[21] (573-773) < 10kPa
[6] (Tm-700) 1-100kPa
Hot Absorption
Hot Absorption
Out-of-pile (Gas. Evol.)
[22] (523-723) 10-100kPa
[23] (850-1040) 0.1-1 Pa
[5] (673-970) 1-10 Pa
[24] (Tm-700) 10-1000kPa
[25] (673-970) 0.1-1 Pa
[26]
Hot Absorption
Hot Absorption
Out-of-pile (Gas. Evol.)
Hot Absorption-p
TD
Theory (QRCSM):fits [6]
[27]
[28]
Both coincident &
assuming Reiter [6]
solubility data
Poor
(o.o.m)
None,
largely
dependent
on experim.
technique
[H,D,T]
K R  8.5110-26 exp( 29717/RT)
Surf. recombin.
[m4 s-1/at] [H] K R  1.0110-25 exp( 29350/RT)
[H]
Large
(there is
intrinsic
empiric
parameter)
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Magnitude
Expressions
References
Comment
Consensus
LLE HELIUM TRANSPORT PROPERTIES
Henry´s
Const.
[30] from [29]
Close to Li. MD
Unique entry
Diffusion Coeff.
[30]
Rough Approx. No direct
experimental nor
Unique entry
Figure 2. Henry’s constants for (He, Kr) in the LM: K, Li,
Pb, Sn, and Pb-Li data.
Figure 3. Values of He diffusion coefficient in Pb17Li
extrapolated from He and H in Li, and H in Pb-Li.
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Magnitude
Expressions
References
Comment
Consensus
LLE REACTIVITY PROPERTIES
Water/Air
DH(LiOH) = -1.1 kJ/cc
DH(Li2O) = -1.8 kJ/cc
Therm. Tables
Gases
[O2]
[N2]
log( c)  5.48  6145 / T
[34] 1-100kPa
Metals
[Ni]
[Mn]
[Cr]
[Fe]
[Bi]
log( c)  4.832  981.2 / T
log( c)  6.911  3046 / T
 10wppm
 30wppm
 2 102 mol%Bi
[35] (536-728) K
[36] (529-658) K
[36] (529-653) K
[36] (536-728) K
[36] (536-728)
-----Very low. Assumed as
no impurities
Large
Large
Stable Li3Bi formation
@ 723K )
Corrosion data being processed.
Production technologies for ITER base-of-design structural and functional materials
Procurement prospects and business opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
Exper. Indep. Measure: AX
Uncertainty Analysis:dAX
Exper. Indep. Measure: BX
Uncertainty Analysis:dBX
Property Definition Agreed
Experim./designers (Data Group)
PROPERTY X
…/…
Exper. Indep. Measure: CX
Uncertainty Analysis: dCX
AX+ dAX =…=CX+ dCX
= Tx+dTx
Sensitivity through a primary design
functional characteristic: SX
max (dAX,..,dCX ) < SX
Data QA criteria (DG agreement):
Theoret. Calc. (if any): Tx
Uncertainty Analysis: dTx
NO
MINIMUM QA for nuclear data:
 1 unique measure not sufficient.
 1 measure + theory (coincident).
 2 indep. measur. + theory calc.
 All data entries to be processed
 Database open to worldwide free
after protocols agreement
Data entries with status:
- provisional
- consensus
YES
min [|(AX+ dAX)-(TX+ dTX)|, .., |(CX+
dCX)-(TX+ dTX)|]
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Production technologies for ITER base-of-design structural and functional materials
Procurement prospects and business opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
Aspectos
• Necesidad de regeneración de tritio en FN y materiales
regeneradores.
• Eutéctico de Pb-6Li como material estratégico en TNF.
• Pb-6Li: características básicas y avanzadas. Demandas de
QA como material nuclear.
• Demandas de aprovisionamiento ITER y Programas.
Demandas DEMO. Enriquecimiento 6Li en ITER y DEMO.
• Cuestiones de I+D hacia el aprovisionamiento industrial.
• Pb-6Li: Oportunidad industrial y de emprendimiento.
• A modo de conclusiones.
Production technologies for ITER base-of-design structural and functional materials
Procurement prospects and business opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
Características básicas y avanzadas: QA como material nuclear
- Calificación: certificación BBDD,
- Manipulación –producción (aprovisionamiento)
Material Nuclear: IAEA (aleaciones afines LiAl); (ISO_3131/- 1, /-5, Light Metals and light
alloying metal: methods for processing and treatment)
(1) Especificaciones constitutivas,
(2) Especificaciones de composición,
(3) Base de Datos,
(4) Procedimientos de certificación.
- PbLi calificación incompleta en aspectos críticos
- Base de datos insuficiente para la calificación
- ACTIVIDAD DE I+D: QA/CERTIFICACION COMO MATERIAL NUCLEAR
GENERACION NORMA (UNE)
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Características básicas y avanzadas: QA como material nuclear
Production technologies for ITER base-of-design structural and functional materials
Procurement prospects and business opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
Características básicas y avanzadas: QA como material nuclear
HANDLING PROCEDURES
Experimental Standards
when available
Ingots handling
Sampling ingots
Sample treatment
Before qualification
Sample non destructive
Pre-qualification tests
Sample destructive
Pre-qualification tests
Norms and Standards similar or equivalent
Standardised equipments or instruments
- UNE-EN 12402:2000
- UNE-EN 12402:2000
- ASTM E55 – 11
- ISO 8050:1988
- EN 14361:2004
YES
TBC
TBC
YES
- UNE-EN 12402:2000
- EPA METHOD SW-846 Ch 3.2
- EPA METHOD 200.2.
- ASTM B614 – 10
TBC
YES
- ISO 77.040.20
TBC
YES
- ASTM E50 - 00(2005)
TBC
CONSTITUTIVE PROPERTIES/COMPOSITIONS
Experimental Standards
when available
Norms and Standards similar or equivalent
Standardised equipments or instruments
Eutectic title: [%at Li ]
(Phase
diagram close to the eutectic point)
- Resistive measurement
-Spectrometric method
Spectrographic method
TBC
FAAS
ICP-OES
ICP-MS
Melting temperature:
[Tm (ºC)]
- Thermal Analysis
- Thermocouple.
- Resistance
measurement
- ASTM B774- 00(2010)
DTA
DSC
Volumetric expansion coefficient at
melting temperature: [DVm]
- Mechanical. dilatometry,
- Optical imaging and
interference systems,
- X-ray diffraction
- Electrical pulse heating
TBC
Molecular mass
[grams of material per mol]: M
- Spectrometry
TBC
ICP-MS
Impurity levels [ppm]
- Spectrometric method
- Spectrography
- RX
- ASTM E50 - 00(2005)
- ISO/TR 7242:1981
- ISO 16918-1:2009
FAAS,
ICP-MS,
FRX
Production technologies for ITER base-of-design structural and functional materials
Procurement prospects and business opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
Características básicas y avanzadas: QA como material nuclear
(2011) F4E-2009-GRT-030-01. TBMS FUNCTIONAL MATERIALS (BE, CERAMIC BREEDER,
PB-LI) DEVELOPMENT/QUALIFICATION.
Production technologies for ITER base-of-design structural and functional materials
Procurement prospects and business opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
Aspectos
• Necesidad de regeneración de tritio en FN y materiales
regeneradores.
• Eutéctico de Pb-6Li como material estratégico en TNF.
• Pb-6Li: características básicas y avanzadas. Demandas de
QA como material nuclear.
• Demandas de aprovisionamiento ITER y Programas.
Demandas DEMO. Enriquecimiento 6Li en ITER y DEMO.
• Cuestiones de I+D hacia el aprovisionamiento industrial.
• Pb-6Li: Oportunidad industrial y de emprendimiento.
• A modo de conclusiones.
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Procurement prospects and business opportunities within F4E and ITER IO Work Plans
Demandas de aprovisionamiento ITER y Programas
- 4 diferentes tipos de TBM HCLL y HCPB (-EM, -N, -TT, -IN) UE en ITER (1 por fase/diseño).
- La cantidad total de plomo-litio en un TBM HCLL (UE) es
de 193 litros + 800 litros en el tanque exterior + 73.8 litros
(tuberías) + 2.4 litros en los sistemas de tuberías y
columnas de Gas del contactor. [1069,2 litros (10,42
toneladas)]
- Los requisitos totales para actividades de I+D y
calificación puede suponer cantidades extra de 1000 litros
(9,4 Tn) de litio plomo eutéctico natural a ser considerados.
- TBM en tres fases ITER (N, TT, IN) van a usar litio-plomo
renovado fase a fase enriquecido en 6Li por lo cual (31,26
toneladas eutéctico 6LiPb): Aprovisionamientos de 6Li para
ITER desde F4E ( 155 kg de 6Li 90%)
- 62,1 kg de 6Li 90%, 6LiSiO4 en la UE.
ITER [Kg de 6Li]
UE
DEMO [Ton de 6Li /reactor 1.5GWe]
[226]
(consumos de 500 kg/ 3GWth-año)
UE y otros Socios
ITER
47
[1000]
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Demandas de aprovisionamiento DEMO
P (20%)
Pfus
690 MW
Pn (80%)
Pth (reactor)
3951 MW
100 MW
hH&CD (60%) (4)
170 MW
P*BLK (81%)
3201 MW
M(1):1.16
PH&CD
2229 MW
P*DIV (19%)
531 MW
Pth (VV)
P*BLK (81%)
P*DIV (19%)
170 MW
3200 MW
~ 300 MW
751 MW
hBLK (45%)
hDIV (52%)
1440 MW
390 MW
PHEAT
~ 9 % (?) of Pfus
PHe: pump/comp
70 MW
Pelec (gross)
2000 MW
200 MW
PLM: pumps
130 MW
PAUX (SC, C)
130 MW
Pelec (net)
1500 MWe
+ 1T3  2He4 (3.6 MeV) + 0n1 (14 MeV)
3Li
2760 MW
3450 MW
~ < 1%(?) losses(3)
40 MW
2
1D
hGROSS (> 50%)
hNET (> 44%)
6
+ 0n1  2He4 + 1T3 (+4.8 MeV)
Consumos x quemado 6Li/1,5GWe
/año en un futuro DEMO:
1
6
3450 10 
 19
1.6 10

1
6

7 3600 24 365
23
 449.512
17.5910

6.02 10  1000
Necesidades 6Li/1,5GWe en un futuro
DEMO:
VLiPb (:: 1000 m3) x rLiPb : 9.4 Tn/m3 =
= 9400 Tn [Pb-15.7(2)6Li ]
~ 0.64 w% (de Li en eutéctico)
~ 60 Tn de Li
a 90 % enriquecimiento en 6Li
= 47 Tn
de 6Li puro por 1.5
GWe
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Enriquecimiento 6Li en ITER y DEMO
7Li
6Li
92.58 %
7.42 %
[1] Centrifugacion en gas,
ESCALABLE
[2] Electroforesis en membranas
superconductor ionicas,
DUDAS
[3] intercambio ionico en amalgamas (COLEX),
NO
[4] Separacion en haz (“ in beam);
NO
[5] Separacion laser (AVLIS).
NO
[6] Destilacion alta temperatura;
[7] Metodos combinados*
ESCALABLE
¿ ESCALABLE ?
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Aspectos
• Necesidad de regeneración de tritio en FN y materiales
regeneradores.
• Eutéctico de Pb-6Li como material estratégico en TNF.
• Pb-6Li: características básicas y avanzadas. Demandas de
QA como material nuclear.
• Demandas de aprovisionamiento ITER y Programas.
Demandas DEMO. Enriquecimiento 6Li en ITER y DEMO.
• Cuestiones de I+D hacia el aprovisionamiento industrial.
• Pb-6Li: Oportunidad industrial y de emprendimiento.
• A modo de conclusiones.
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Cuestiones de I+D hacia el aprovisionamiento industrial
- Pb-Li. Certificación de propiedades clave:
- Titulo eutéctico
- Medidas de propiedades críticas (T-soly)
- Pb-Li. Mejora de propiedades clave:
- Bi (a valores tan bajos como posibles)
- Homogeneidad estructural (m)
- 6Li. Demostración de técnica industrial escalable (a 1Tn)
Hoy:  1-gr de 6Li a 50€/gr. 50 k€/kg (source: EUROISOTOPES´)
 Sin información sobre stocks ni garantías de aprovisionamiento
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Cuestiones de I+D hacia el aprovisionamiento industrial
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Aspectos
• Necesidad de regeneración de tritio en FN y materiales
regeneradores.
• Eutéctico de Pb-6Li como material estratégico en TNF.
• Pb-6Li: características básicas y avanzadas. Demandas de
QA como material nuclear.
• Demandas de aprovisionamiento ITER y Programas.
Demandas DEMO. Enriquecimiento 6Li en ITER y DEMO.
• Cuestiones de I+D hacia el aprovisionamiento industrial.
• Pb-6Li: Oportunidad industrial y de emprendimiento.
• A modo de conclusiones.
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CASO DE NEGOCIO: aprovisionamiento
- APROVISIONAMIENTOS ITER
- ENSAYOS 100 Tn (PbLi) + [10.42 Tn (PbLi) + 31.26 Tn (Pb6Li)] :: 42.6 Tn
- Cantidades afines: 20.84 Tn (PbLi) 62.52 Tn (Pb6Li)+ (200 ensayos) Tn (PbLi)
-TOTAL: + PbLi [ENSAYOS:  300 Tn]<2020+
+ [PRODUCTO ACABADO 25.1 Tn ] <2020
+ Pb6Li [75.3 Tn ] >2025 :: 100 Tn
- APROVISIONAMIENTOS DEMO
- 20,000 Tn PbLi (10000 reactor + 10000 auxiliares) [enormes cantidades de 6Li  47 Tn]
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CASO DE NEGOCIO: Proveedores
HIDROVAC, Latvia
(Kyoto Univ.)
Atlantic Co.,
Stachow GmB, (D)
Métaux Spéciaux (FR)
- Stachov GmB ( Loops KIT, ENEA); HIDROVAC  125
k€/Tn [Li natural]
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• FUNDAMENTOS DE LA PROPUESTA
ALEACIONES EUTECTICAS DE 6LITIO-PLOMO
CASO DE NEGOCIO: Ruta de Producción
Material Nuclear: IAEA (aleaciones afines LiAl); (ISO_3131/- 1, /-5, Light Metals and light
alloying metal: methods for processing and treatment)
Experimental equipment for the production of eutectic Pb15.8Li. 1 - stirrer, 2 –crucible, 3 - tank Li, 4 - Li dispenser
PN I+D+i 2013-2016 Convocatoria Torres Quevedo. Producción de Materiales para Fusión. ITMA 4/2/2014
Enriquecimiento 6Li en ITER y DEMO
Figura 23. Sección geométrica y modelo de cálculo, temperaturas de ebullición a presión atmosférica.
Figura 22. Diseño de centrifugadoras comerciales (Krugger Inc, USA) de hasta
4000 rpm, óptimas para adaptaciones de diseño.
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CASO DE NEGOCIO: Aprovisionamiento de 6Li a demanda
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CASO DE NEGOCIO: Aprovisionamiento de 6Li a demanda
Planta de centridestiladores
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• Necesidad de regeneración de tritio en FN y materiales
regeneradores.
• Eutéctico de Pb-6Li como material regenerador de tritio.
• Características básicas y avanzadas: garantía de calidad
como material nuclear.
• Demandas de aprovisionamiento ITER y Programas.
Demandas DEMO.
• Demandas y prospectiva de enriquecimiento 6Li en ITER
y DEMO.
• Cuestiones de I+D hacia el aprovisionamiento industrial.
• Pb-6Li: Oportunidad industrial y de emprendimiento.
• A modo de conclusiones.
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A modo de conclusiones…
• Pb-6Li material estratégico en el camino de la fusión en su
vindicación como tecnología energética.
• Pb-6Li: bien conocido en España. Gestion de DDBB y entradas en
Material Assessment Report (F4E).
• Procurement Plan (GRT-030) desde Univs./CIEMAT.
• Negocio: QA y Aprovisionamientos (Pb-Li, Pb-6Li).
• Producción industrial de 6Li a escala. Demostración de I+D
necesaria. Gran oportunidad
• Aprovisionamientos de 6Li (200 kg UE; 1 Tn ITER) un desafío mayor
(material de doble uso con regulaciones). ¿ Estrategia de F4E ?
• La producción de 6Li y de Pb-6Li (tecnología conocida): gran
oportunidad de aprovisionamiento en ITER.
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