Fusión Nuclear y Minería del Litio Fusión Nuclear y Minería (del Litio) Luis Sedano • Investigador Titular OPIS [CIEMAT/LNF]* • Profesor Tecnología Nuclear de Fusión en varios Programas** • Consultor: FUS_ALIANZ® Science, Engineering & Consulting Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Intenciones Presentar y cuantificar un panorama de demanda y aprovisionamiento a corto/medio plazo de Li y de sus formas isotópicas (6Li como combustible para Fusión/ 7Li‐puro para nuevas baterías ion‐Li) para justificar… .. que muy pronto el Li va a ser un material estratégico; tanto o más, que el petróleo. se plantea un panorama de enorme interés tecnológico a la vista ligado al enriquecimiento a la producción de escala de Li y de su enriquecimiento isotópico 6Li/7Li. (Mercado INDUCIENCIA muy especial por regulaciones) se revisan técnicas de extracción de Li y de enriquecimiento de Li en 6Li se presenta propuesta posibles actividades de I+D para la extracción de Li de salmueras marinas y para el enriquecimiento de Li en 6Li a escala. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio Progreso de Tecnología humana hacia fuentes energéticas más densas – Evolución de las fuentes de energía: Aumento de “densidad” de energía Densidad = Energía liberada / Kg. materia – Salto de ordenes de magnitud entre energía química y energía nuclear ≈ diferencias entre niveles energéticos puestos en juego – Transición energética entre: niveles atómicos ≈ eV niveles nucleares ≈ MeV = 106 eV E liberada por Kg (kWh) Carbón 9 Fisión 235U 24 ∙ 106 Fusión D + T 94 ∙ 106 E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Generación de núcleos más ligados • Todos los procesos que aumenten la energía de ligadura por nucleón serán exo‐energéticos • Fusión: D + T 4He B/A(D) = 1,12 MeV B/A(T) = 2,75 MeV B/A(4He) = 7,02 MeV Q = B2 – B1 = 7,02∙4‐(1,12∙2 +2,75∙3) = 17,59 MeV Q/A= 3,5 MeV / uma E M ( A, Z )c 2 Z m p c 2 N mn c 2 B( A, Z ) Q E E1 E2 B2 ( A, Z ) B1 ( A, Z ) T D E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Barrera de potencial y Efecto Túnel • • • El potencial Para “fusión” es inicialmente coulombiano a distancias mayores que cm que es ≈ la suma de los radios A distancias < rn la fuerza nuclear fuerte empieza a actuar imponiendo un pozo de potencial U0 ≈ 30-40MeV Con las ecuaciones anteriores la barrera de potencial Vb será: ≈ 370 KeV para la reacción D + T geom 2 geom 2 mr v G exp G 1 986.1Z 2 Z 2 mr MeV 1 2 G mp Energía de Gamow E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Efecto túnel y secciones eficaces de fusión • Habitualmente los términos anteriores se agrupan como con S () el llamado factor astrofísico S () exp G () Valores de secciones eficaces de fusión Nota: Valores entre paréntesis = estimación teórica Resto de valores = medición experimental E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Reactividades medias y Criterio de Lawson • He aquí las reactividades medias algunos “combustibles de fusión” n E 12k 1 T E fus 1/ Q f E / E fus v (T ) Si queremos obtener un plasma estacionario de D-T con un factor de amplificación Q determinado, es necesario que el producto ntE sea igual al va exigido por esta función, únicamente dependiente de T (para un fa dada) • Curvas de nτE necesario para la reacción D -T en función de la temperatura (con fα = 1) para: Q = 1 Break-even científico – – • Q = 2 Automantenimiento; Q = 14 Conexión a red eléctrica Q = ∞ Ignición El valor nτE necesario para mantener el plasma a T = 10 KeV en régimen de automantenimiento es conocido como Criterio de 20 de -3 E.T.S. de nτ Ingenieros Minas de Lawson: sm E = 10 Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Fusión por confinamiento magnético E =15‐20keV Núcleos D–T deben colisionar a alta velocidad No es rentable mediante aceleradores. Plasma con partículas a 15 keV: Temperatura del plasma: 170.000.000 ºC • • “Recipiente inmaterial” Confinamiento magnético Condiciones necesarias para balance energético positivo T ~ 10↔20 [keV] (T = E / k ~ 10 6 K) – n τE ≥ 10 20 [m‐3 s] (criterio de Lawson) Fusión por Confinamiento Inercial • 1º “Iluminación” de un blanco esférico de D‐T, con ionización de la superficie (alto Z ) y creación de un plasma superficial (gran capacidad de absorcion de rayos X, luz láser de pulso corto,.. 2º Ablación de la supercie al exterior y difusión térmica 3º Efecto (cohete) inercial 4º Compresión isoentrópica de capas + frías interiores Tiempo característico de expansión limitado por la inercia de la materia τE ~ 10 ‐11 [s] – Densidad a lograr n > 10 31 [m‐3] Mil veces la densidad del estado sólido E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Fusión por Confinamiento Inercial NIF posee 192 láseres de Nd de 1.8 MJ, emitiendo en una longitud de onda de 0.35 mm y con una duración de pulso de unos 16 ns. Utiliza el ataque indirecto. Esto significa que focaliza los 192 haces láser en un envoltorio de alto Z (llamado holraum) que transforma, con una eficiencia alta, la luz láser en rayos X que interaccionan fuertemente con el blanco de deuteriotritio, y consiguen una gran homogeneidad en la presión ejercida sobre el mismo. • Por laser LMJ • Por rayos X Z-machine 1984, Velarde, Guillermo, et. al, (ed.). Nuclear Fusion by Inertial Confinement. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Panorama de Proyectos Internacionales: ITER Objetivos: Socios: Demostrar la viabilidad científica de la fusión Europa Japón EEUU Rusia China Corea S India Q=Pfus/Pin> 10 durante 500 s, posible ignición (Q>30) Q> 5 durante 1500 s Coste: 20000 M€ Construcción: 2010-2020 Operación: 2020-2030 E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Panorama de Proyectos Internacionales: ITER Central Solenoid Cryostat Nb3Sn, 6 modules 24 m high x 28 m dia. Toroidal Field Coil Nb3Sn, 18, wedged Vacuum Vessel 9 sectors Blanket 440 modules Poloidal Field Coil Nb-Ti, 6 Port Plug heating/current drive, test blankets limiters/RH diagnostics Major plasma radius 6.2 m Plasma Volume: 840 m3 Torus Cryopumps, 8 Plasma Current: 15 MA Typical Density: 1020 m-3 Divertor Typical Temperature: 20 keV 54 cassettes Fusion Power: 500 MW Machine mass: 23350 t (cryostat + VV + magnets) - shielding, divertor and manifolds: 7945 t + 1060 port plugs E.T.S. de Ingenieros de Minas de - magnet systems: 10150 t; cryostat: 820 t Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Plan operación en ITER 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 Joaquín Sánchez E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Análisis abastecimiento/necesidad • Un reactor de fusión D(T,)n [17.62 MeV/at‐T] consume tritio a tasas de 55.8 kg/GWt‐a de energía de fusión. • La producción en CANDU es 1‐2 Kg/GWt‐año con blancos específicos diseñados Li‐Al • Extrapolaciones más optimistas de APT ~ 12 Kg/GWt‐a (blancos de espalación o blancos Li/Al convenientemente diseñados) • Tritio decae a tasas 4.57% por año. Aprovis. máx. de tritio (HWR) para TF is 27 kg ! CANADA (20, 13 GW), INDIA (11+3),ARGENTINA(2+1), RUMANIA (1+1, 650 MW), Pakistán (1), KOREA (4), Japón (“1) E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Proyecciones sobre Disponibilidad de Tritio para TNF 1ª ½ del Siglo XXI 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. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Fusión Nuclear y Minería del Litio Concepto de reactor de fusión Escudo biológico 1D 2 + 1T3 2He4 (3.6 MeV) + 0n1 (14 MeV) Manto fertil Primera pared 6 3Li Li T 32 He e v DT T Lithio Plasma Deuterio n He Helio (cenizas no-radioactivas) DT, He Procesado del combustible In t ercam b. calo r Combustibles básicos 1/ 2 12.3 años T DT Cámara Vacío Litio + 0n1 2He4 + 1T3 (+4.8 MeV) 4He 4He 4He 4He Extracción Energía Linea de Transmisión Generador de vapor Turbina Generator de electricidad • COMBUSTIBLE INAGOTABLE • SEGURIDAD X PRINCIPIO FÍSICO • PRODUCCIÓN DE RESIDUOS “MANEJABLE” E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Litio. Isotopos del Litio: “6Litio” y “7Litio”: caracteristicas termofisicas y aplicaciones • Melting point: 180.54 °C • Boiling point: 1342 °C • Density of solid: 0, 535 g l‐1 • Hyperreactive (O/C/S/N/H) • Huypercorrosive • Water/explosive 6Li [6.5at%] 7Li [93.5at%] E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio Envoltura regeneradora: componente crítico 6Li Envoltura Regeneradora LiPb E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio Desglose Potencia/Planta P (20%) Pfus 690 MW Necesidad de Li Pn (80%) 1D 2 + 1T3 2He4 (3.6 MeV) + 0n1 (14 MeV) 2760 MW 3450 MW 6 3Li ~ < 1%(?) losses(3) Pth (reactor) 40 MW 3951 MW 100 MW 3201 MW M(1):1.16 PH&CD H&CD (60%) 170 MW P*BLK (81%) (4) P*DIV (19%) 531 MW Pth (VV) P*BLK (81%) 2229 MW P*DIV (19%) 170 MW 3200 MW ~ 300 MW 751 MW BLK (45%) DIV (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 GROSS (> 50%) NET (> 44%) + 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 17.59 10 6.02 10 1000 Necesidades 6Li/1,5GWe en un futuro DEMO: VLiPb (:: 1000 m3) x LiPb : 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 Tn de 6Li puro por 1.5 GWe = 47 ‐ ENSAYOS EN ITER ‐ DEMANDAS ESPECIFICAS DE 6Li Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio TBMs in ITER & Interfaces ► 3 ITER equatorial ports (opening of 1.75 x 2.2 m2) devoted to TBM testing ► TBMs installed within a water-cooled steel frame (thk. 20 cm), typically half-port size T B M TBMs tests need a whole TBM system P O R T S TBM Shield plug Frame The TBMs first wall is recessed 50 mm and protected with a Be layer vertical horizontal Sample TBM (RF) Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio North Vacuum Vessel (2 of 9sectors) Equatorial Port Duct Port Extension Port Bellows Test Blanket System (TBS) Equatorial Port n°16 Port Cell Door Blanket Modules E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Tokamak Building Equatorial level Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio “Liquid” TBMs Proposals (1/2) Main Design Features for Lithium-Lead (LL) TBMs (~DEMO values) ► Structures: RAF/M Steel ► Multiplier/Breeder: Eutectic Pb-16Li ► Coolant: He at 8 MPa, 300/500°C (only) or with LiPb at ~460-480°C/650-700°C HeliumCooled ½ V port size (EU) DualFunctional ½ V port size (China) DualCoolant ½ V port size (US) Joaquín Sánchez ► 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% ► CLAFM He-cooled steel box, pol-rad- & 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, polrad- & 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% Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio “Solid” TBMs for day_one (1/2) Main Design Features for Helium-Cooled Ceramic Breeder TBMs (~DEMO values) Common Features ► Structures: F/M Steel ► Multiplier: Be ► Breeder: ceramic pebbles ► Coolant: He (8 MPa 300/500°C ► Purge gas: He 1/4 V port size (China) ► CLAFM He-cooled steel box, vertical HC stiffeners (parallel to FW) ► vertical rows of cooling tubes, vertical rows of Be and of Li4SiO4 pebbles beds ► T steel: 350°C/550°C ► Be pebble beds, T< 600°C ► T Li4SiO4 < 900°C ► 6Li : 30% - 60% ½ H port size (EU) Submodule size (US) ► based on EU box design ► test of different bed orientations and thickness (attempts to minimize Be) ► Eurofer He-cooled steel box, poloido- & toroido-radial HC stiff., radial He-cooling plates ► Radial horizontal layers ► T steel: 350°C/550°C ► Be pebble beds, T< 600°C ► Li4SiO4 or Li2TiO3 pebbles ► T ceramic < 900°C ► 6Li : 30% - 60% Sub-module size (Korea) ► based on Jap. design ► use of a graphite pebble bed reflector to minimize Be Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio PM#16 HCLL HCPB PM#2 WCCB HCCB(KO)* DCLL(*) PM#18 HCCB LLCB(IN) ‐ Plan de Aprovisionamientos de 6Li para (eutéctico 6LiPb: 155 kg de 6Li 90%, 62,1 kg de 6Li 90%, 6LiSiO4) en la UE para ITER desde Fusion for Energy (Barcelona); i.e.: varios M€ ! ‐ Planes de Aprovisionamientos similar en otros socios ITER ‐ Para un total de aprox. 1Ton de Li6 para ITER ‐ 6Li MERCADO REGULADO (SALVAGUARDIAS NUCLEARES); MATERIAL DE DOBLE USO ‐ SPIN‐OFFS; NO INFO SOBRE STOCKS; … Precio nominal orientativo 50 k€/100 gr. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio Litio. Isotopos del Litio: “6Litio” y “7Litio”: caracteristicas termofisicas y aplicaciones • Melting point: 180.54 °C • Boiling point: 1342 °C • Density of solid: 0, 535 g l‐1 • Hipereactive (O/C/S/N/H) • Hipercorrosive • Water/explosive 6Li [6.5at%] 7Li [93.5at%] E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio El Litio. Isotopos del Litio: “6Litio” y “7Litio”: caracteristicas termofisicas y aplicaciones ‐ CO3Li (baterías recargables, esmaltes, cerámicas, vidrios, ‐ Li OH grasas lubricantes, ‐ Li metálico, ‐ isótopo 6Li (fusión), ‐ absorbente de CO2 en vehículos espaciales y submarinos, ‐ baterias ‐BrLi (control de humedad de gases, acondicionamiento del aire, aplicaciones fotográficas y farmacéuticas); ‐LiF (aleaciones y soldaduras especiales, metalurgia del aluminio); ‐ClLi cloruro de litio (aleaciones, soldaduras especiales y otros fundentes ‐ ClOLi: esterilización del agua de piscinas); ‐ LiO: peróxido de litio; ‐ Br HLi: fabricación de O2 e H2 ‐ HLi: producción de H); ‐ DLi: militares (bombas) “LiApps” E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio Litio para el mañana: D/Li marino En el agua del mar se miden concentraciones medias de Li de 0.17 g m‐3, lo cual supondría recursos de 240000 Mt. La tecnología electroquímica para la recuperación de Li del agua marina esta ultimada. (ver POSCO, ) Litio en corteza terrestre El Li es abundante en la corteza terrestre, en pegmatitas y depósitos salinos (Carolina del Norte: 3Mt, Zaire: 2.3 Mt, Urales: 0.4 Mt, Chile y Bolivia : ~ 7 Mt), 2 Mt (reservas) y recursos (14 Mt) Salar de Atacama Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio El Litio como mineral/energetico estrategico en proxima(s) decadas. El mercado mundial del Li. Reservas inventariadas/ultimadas en el mundo. Productores comerciales. Mina Feli, en La Fregeneda (Salamanca), propiedad de Minera del Duero, SA (100% grupo SAMCA) 8kt (0,5 % Li2O) E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio • Producción de Litio desde formas minerales + de 145 minerales contienen Li pero sólo algunos en cantidades comerciales: espodumena, lepidolita, ambligonita, trifilita, petalita, zinnwaldita y eucryptita; Petalita [LiAl(Si2O5)2 ]; Pegmatita. 1100°C Espodumeno, LiAl(SiO3)2 (a) LiAl(SiO3)2 (b) 2 HCl 2Li H2SO4 Li2SO4 + Na2CO3 → Na2SO4 + Li2CO3 (solid) 2LiCl + CO2 +H2O Extracción de Litio desde agua marina E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio El Litio como mineral/energetico estrategico en proxima(s) decadas. El mercado mundial del Li. Reservas inventariadas/ultimadas en el mundo. Productores comerciales. New World Resource Corp. (CA), anunció que había adquirido con 62 % de la salmuera de Pastos Grandes, en Bolivia. Channel Resources Ltd (CA) salmuera de litio en Fox Creek (Alberta), muestreos ‐ Nordic Mining ASA depósito de Li en Lanta (FND), para produccir 4 kt/año de CO3Li En China, Galaxy Resources Ltd.: planta de producción de carbonato de litio en Jiangsu, con reservas de AUS (Mount Cattlin). KO (POSCO) tecnología necesaria para conseguir extraer Li del agua de mar, y planta piloto para la producción comercial de litio del agua de mar, (2014). Bolivia: acuerdos con KO y JP de explotación de recursos La Sociedad Química y Minera de Chile S.A. (SQM), con capacidad para producir 43,5 kt/a de CO3Li y 6 kt/a de LiOH. Argentina, FMC Lithium Corp. (USA), explota el Salar de Hombre Muerto, E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio Extracción de Deuterio Marino DHOv + H2Ol H2Ov + DHOl DH + H2Ov H2 + DHOv Fresh water DEUTERIUM Marine water Desalinization Rev. Osmosis DH DH El Deuterio es “muy abundante” en el agua del mar ( 33 g m‐3 esto es: 46 Tt DHO E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013. Fusión Nuclear y Minería del Litio Uso mundial de Energía: 1860-2100 40 TW * 2.3% /año [2050] ‐ 40 TW = 27 000 DEMO 1,5GWe Fusión debe contribuir al mix de substitución ‐ Substitucion nuclear en mix [10% de 15 TW = 1,5 TW] => 1000 DEMO@1.5GWe ‐ 1000 DEMO@1.5GWe a 60 Tn(Li): Necesidades de aprovisionamiento 60000Tn ‐ 1000 DEMO@1.5GWe a 0.5 Tn(Li): Nesidadades de consumo: 5000 Tn ‐ Los 16 Mt inventariados de recursos terrestres para 3200 años ‐ Con todos los recursos posibles en Li : FUSION COMO FUENTE UNICA (PROXIMOS SIGLOS) Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013 . Fusión Nuclear y Minería del Litio El Litio como mineral/energetico estrategico en proxima(s) decadas. El mercado mundial del Li. Reservas inventariadas/ultimadas en el mundo. Productores comerciales. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Fusión Nuclear y Minería del Litio Litio. Isotopos del Litio: “6Litio” y “7Litio”: caracteristicas termofisicas y aplicaciones La Industria de la Baterías ion‐Li está interesán‐dose en compuestos ion‐7Li puro: 1) mayor EMF/u.m.): 2) mayor velocidad de recarga a igual EMF, 3) mayor vida‐util y recargabilidad. Es de gran interés industrial la optimización económica de la producción de 7Li [JP, KO, USA]. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Fusión Nuclear y Minería del Litio Técnicas de separación 6Li 7.42 % 7Li 92.58 % [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; ESCALABLE [7] Metodos ¿ ESCALABLE ? combinados* E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Fusión Nuclear y Minería del Litio Tecnologias (conocidas y no probadas) para la separacion isotopica del Litio. Rapido estado‐ del‐arte y discusión [1] Centrifugacion en gas, Depleted Lithium Liquid Lithium E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Fusión Nuclear y Minería del Litio Tecnologias (conocidas y no probadas) para la separacion isotopica del Litio. Rapido estado‐ del‐arte y discusión [2] Electroforesis membranas superconductor ionicas, E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Fusión Nuclear y Minería del Litio Tecnologias (conocidas y no probadas) para la separacion isotopica del Litio. Rapido estado‐ del‐arte y discusión [2] Electroforesis membranas superconductor ionicas 100 packed cells batches 1.06 47 Tn of 6Li With demonstrated ionic conductivities in the range 10-2 S/cm and reference cell membranes dimensions prospected production per line would be around 15 kg of 6Li per year. 1000 parallel lines feeding lines of about 14.7 tones of molten LiI natural enriched LiI. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Fusión Nuclear y Minería del Litio Tecnologias (conocidas y no probadas) para la separacion isotopica del Litio. Rapido estado‐ del‐arte y discusión [6] Destilacion alta temperatura; E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Fusión Nuclear y Minería del Litio Tecnologias (conocidas y no probadas) para la separacion isotopica del Litio. Rapido estado‐ del‐arte y discusión [8] Nuevas ideas combinados E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Fusión Nuclear y Minería del Litio A modo de conclusiones • Muy pronto el Li va a ser un material estratégico; tanto o más, que el petróleo. • Los desarrollos en esta década y las venideras en Fusión Nuclear en el camino hacia su demostración como opción energía futura (ej.: Proyecto ITER, Proyecto DEMO) van a requerir solucionar un problema clave de abastecimiento de combustible cual es el de la disponibilidad de tritio por autoregeneración en el reactor a partir de 6Li enriquecido isotópicamente a altas tasas en 6Li. • Se plantea un panorama de enorme interés tecnológico a la vista ligado al enriquecimiento 6Li/7Li con sinergias en la Industria de la Baterías ion‐Li • Mercado de 6Li: MERCADO MUY ESPECIAL. Mercado estrictamente regulado por Salvaguardias Nucleares/No‐Proliferación (material en NPT) y enorme demanda civil sinérgica al margen. • “Mercado INDUCIENCIA” (Mercado de Grandes Proyectos Científicos) con interesantes oportunidades tecnológicas e Industriales´; en el aprovisionamiento de materiales base de diseño de dispositivos y grandes instalaciones en desarrollo. MERCADO LOCAL Propuestas de I+D/Industrial 1. Optimización energética de procesos de extracción de D2 de agua marina y demostración en mini‐planta piloto para escalabilidad 2. Nuevas membranas de superconductividad iónica para electroforesis de Li (compatibilidad medio acuoso) 3. Demostración en prototipo de una técnica hibrida centrifugador/destilador para separación isotópica 6Li/7Li E.T.S. de Ingenieros de Minas de Oviedo Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Oviedo, 15 Abril 2013.