Evaluación de los requisitos técnicos del edificio de la fuente de neutrones IFMIF-DONES

Gámez Ibarra, Carlos (2017). Evaluación de los requisitos técnicos del edificio de la fuente de neutrones IFMIF-DONES. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Evaluación de los requisitos técnicos del edificio de la fuente de neutrones IFMIF-DONES
Autor/es:
  • Gámez Ibarra, Carlos
Director/es:
  • Perlado Martín, José Manuel
  • Weber Suárez, Moisés
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Energética
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El sistema energético mundial actual vive un periodo de agitación marcado por la necesidad de actuar ante grandes desafíos como son el Cambio Climático, la creciente demanda energética global, el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles y los efectos perjudiciales sobre la salud y el medio ambiente derivados de su utilización. Estos y otros factores hacen evidente el hecho de que el modelo energético actual no es sostenible por sí mismo a largo plazo, lo cual obliga a la sociedad a trabajar para encontrar una solución que no comprometa el estilo de vida de las futuras generaciones ni el medio ambiente. Ante esta realidad han surgido diferentes líneas de acción encaminadas a desarrollar un modelo energético sostenible que responda a las necesidades del ser humano y del planeta. Una de estas estrategias se fundamenta en el uso de energías renovables como alternativa a las fuentes convencionales de energía. La naturaleza ilimitada y el reducido impacto ambiental de las energías renovables son las principales razones que han impulsado las investigaciones en esta dirección, aunque por otro lado existen dudas razonables acerca de la capacidad de producción y la eficiencia energética que se pueden alcanzar mediante estas técnicas. A pesar de los avances experimentados en el ámbito de las energías renovables, la alternativa más ambiciosa y con mayor potencial para convertirse en la fuente de energía del futuro a día de hoy no es otra que la fusión nuclear. Esta consiste básicamente en la unión de dos núcleos ligeros para formar otro más pesado, de manera que la masa del núcleo resultante sea menor que la suma de la masa de los núcleos ligeros, liberándose la diferencia de masa en forma de energía en la reacción. Para que esto suceda es necesario que los núcleos ligeros, que están cargados positivamente, alcancen una temperatura suficiente para superar las fuerzas de repulsión entre ellos, tal y como sucede en las estrellas. Esto se puede conseguir mediante aceleradores de partículas, que confieren a las mismas una alta velocidad provocando choques entre ellas y dando lugar a reacciones de fusión nuclear. Sin embargo, esta técnica consume más energía en acelerar las partículas de la que genera a partir de las reacciones de fusión, de manera que no es rentable. Para solucionar este problema se han seguido dos caminos distintos: la fusión por confinamiento magnético y la fusión por confinamiento inercial. La fusión por confinamiento magnético consiste en mantener el plasma confinado en la cámara del reactor mediante fuertes campos magnéticos, de manera que al alcanzar una temperatura suficiente se produzcan las reacciones de fusión gracias a la agitación térmica. Por otro lado, la fusión por confinamiento inercial consiste en comprimir esferas de combustible mediante haces de láser o iones, aumentando su densidad y su temperatura hasta alcanzar la ignición. Una de las principales ventajas que hacen de la fusión nuclear la alternativa energética más prometedora de cara al futuro es la abundancia y el escaso precio de los recursos necesarios, lo cual la convierten en una fuente de energía prácticamente inagotable. Además, se trata de un sistema de producción energética intrínsecamente seguro y que produce un impacto mínimo en el medio ambiente en comparación con otros medios de producción. Por último, es importante destacar que el tratamiento de los residuos radiactivos resultantes no supondría un problema grave debido a la baja activación de los mismos, a diferencia de lo que ocurre en las centrales nucleares de fisión actuales. El principal obstáculo en el camino hacia la implantación de la fusión nuclear como la mayor fuente de suministro de energía eléctrica a gran escala pasa por la extrema dificultad que conlleva superar los retos científicos y tecnológicos que surgen con cada paso que avanzan las investigaciones en este campo. La cuestión es que para conseguir las condiciones adecuadas para producir energía por fusión nuclear de forma controlada y rentable con fines comerciales es fundamental el desarrollo de tecnologías cuyos requisitos superan en muchos casos todo lo conocido hasta el momento. Es por ello que, a pesar de los esfuerzos realizados por todos los países involucrados en el programa de fusión nuclear, los plazos estimados para la obtención de resultados se ven continuamente retrasados. Los primeros experimentos en la línea de la fusión nuclear por confinamiento magnético que permitieron obtener energía tuvieron lugar en la década de los 90 en el JET (Joint European Torus), construido en Reino Unido. Sin embargo, la energía consumida por este reactor era superior a la producida, lo cual como es lógico imposibilita la viabilidad del mismo de cara a la producción energética. Aún con todo, a partir de los experimentos realizados en el JET y los resultados obtenidos se decidió continuar el programa de fusión con una instalación mayor en la que, además del reactor, pudieran probarse sus sistemas auxiliares y otras tecnologías sin llegar aún a generar electricidad. Este gran proyecto, conocido como ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), se está construyendo en Francia y su objetivo es demostrar la viabilidad técnica de la fusión nuclear por confinamiento magnético, como fase previa a la construcción de una instalación de demostración comercial. ITER se ha diseñado para producir unos 500 MW, que es diez veces la energía que consume, con pulsos de entre 400 y 600 segundos de duración. Se espera que la instalación esté construida para 2030 y la fase de operación se extienda durante 20 años. Como se ha mencionado antes, el siguiente paso en el camino establecido por el programa de fusión nuclear consiste en la construcción de un demostrador de planta de producción de energía eléctrica que sirva de modelo para las plantas de producción energética comerciales del futuro. Este proyecto se conoce como DEMO (Demonstration Power Station) y se apoyará en la experiencia y el conocimiento adquiridos en fases previas. Sus principales metas son demostrar la capacidad para operar de manera continua, el desarrollo de sistemas de captura de energía eficientes, la generación de entre 30 y 50 veces la energía consumida y la producción in situ de tritio (dentro del propio reactor). Se prevé que su construcción comience en la década de 2040 y la operación en la de 2050. Es evidente que entre las características de ITER y DEMO existe un salto tecnológico importante, y es por ello que se ha planeado la construcción de otras instalaciones con objetivos diversos que permitan llevar a cabo investigaciones y avances complementarios. Una de estas instalaciones, que se encuentra en fase de diseño y validación de ingeniería, consiste en una fuente de neutrones de alta energía conocida como IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility). El objetivo de IFMIF es el estudio y la validación de los materiales que se pretenden utilizar para la construcción de los futuros reactores nucleares de fusión. Como resultado de las reacciones de fusión que tienen lugar en el reactor, aparecen neutrones altamente energéticos que tienden a penetrar en las paredes de la cámara de vacío, provocando desplazamientos atómicos y degradación de los materiales estructurales, pudiendo llegar a alterar sus propiedades y convertirlos en residuos radiactivos. Por lo tanto, es fundamental dar con los materiales que presenten las características idóneas para soportar las condiciones de trabajo existentes en el reactor. De esta manera, para probar la capacidad de los materiales y analizar su comportamiento es necesario someterlos a unas condiciones similares a las que se darían en un reactor de fusión, es decir, un alto nivel de irradiación neutrónica durante tiempos suficientemente largos. Esto es lo que se pretende conseguir en IFMIF, bombardeando una superficie de litio líquido con deuterones de alta energía obtenidos a partir de dos aceleradores de alta potencia. La secuencia de funcionamiento de la instalación comienza en el inyector, que genera un haz continuo de deuterones de 140 mA que son pre-acelerados en la línea de transporte de baja energía (LEBT) hasta 100 keV. El haz penetra en el cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ), formado por varios supermódulos que aceleran los deuterones hasta 5 MeV. A continuación, el haz atraviesa la línea de transporte de media energía (MEBT), en la cual se transforma en un haz discontinuo de 5 MeV y 125 mA que se dirige a un dispositivo con tecnología superconductora conocido como SRF Linac, donde termina de acelerarse hasta los 40 MeV. El haz es guiado entonces hasta el lazo de litio a través de la línea de transporte de alta energía (HEBT), que cuenta además con un dispositivo amortiguador capaz de absorber pulsos de potencia durante la puesta en marcha y la fase de ajuste del haz. El impacto sobre la superficie de litio líquido permite generar un flujo de neutrones con la dirección y las características adecuadas para irradiar muestras de materiales para su posterior estudio y validación. Como es de esperar, el coste asociado al diseño y la construcción de una instalación como IFMIF, que integra tecnologías tan sofisticadas y avanzadas como las empleadas en los aceleradores de deuterones y sus sistemas auxiliares, es alto (aunque comparado con el coste de DEMO es incluso pequeño). De ahí surge la iniciativa de DONES (DEMO Oriented Neutron Source), que es una primera fase de la fuente de neutrones con importantes simplificaciones respecto a IFMIF que permiten una fuerte reducción del presupuesto. En definitiva, DONES se trata de una etapa intermedia que permita conseguir datos suficientes acerca de los materiales que se pretenden utilizar en DEMO con el fin de evitar mayores retrasos en el programa de fusión nuclear. Una vez obtenidos los datos más urgentes durante la operación de DONES, que se estima sea de en torno a 10 años, se realizará la ampliación de esta instalación hacia IFMIF para continuar el estudio de materiales. Las simplificaciones más importantes de DONES respecto al diseño original de IFMIF consisten en: la instalación de un único acelerador de partículas, así como todos sus sistemas auxiliares; la eliminación de los laboratorios de análisis de muestras irradiadas, que son labores que se harán externamente; y la reducción de las operaciones por control remoto de módulos irradiados. La idea es reducir el coste de la instalación al máximo posible sin comprometer su correcto funcionamiento, de manera que no se obstaculice de ninguna manera la futura ampliación a IFMIF. Para que la construcción de DONES esté en disposición de comenzar lo antes posible, es necesario completar y validar previamente su diseño de ingeniería a partir del existente para IFMIF. Esta es precisamente la fase en la que se encuentra actualmente el proyecto IFMIF-DONES. Este trabajo, que se ha desarrollado en colaboración con el Ciemat, tiene como objetivo participar en el desarrollo de algunas de las tareas relacionadas con el diseño de ingeniería del edificio principal de DONES. En concreto, la actividad a realizar consiste en la creación de una tabla de requisitos técnicos de las habitaciones del edificio principal de DONES a partir de la información existente para la instalación de IFMIF. Para ello, se ha realizado una intensa labor de documentación que ha permitido detectar las incoherencias existentes en la tabla de IFMIF de partida, eliminar las habitaciones a priori innecesarias en DONES y proponer otras modificaciones orientadas a mejorar la definición de los requisitos técnicos del edificio. Uno de los factores que complican la realización del diseño de detalle de la instalación es la gran cantidad de sistemas, equipos y componentes integrados en la misma. En general, cada una de las entidades que colaboran en el proyecto está formada por grupos de trabajo encargados de estudiar uno o varios sistemas o componentes y definir sus características y especificaciones para luego redactar la documentación necesaria para completar el diseño de ingeniería. La cuestión es que el funcionamiento y las especificaciones de unos sistemas y otros están, en muchos casos, estrechamente ligados, de manera que resulta fundamental que exista un flujo de información constante y efectivo entre los distintos departamentos para que éstos trabajen en todo momento en consonancia y con información veraz y actualizada, en lugar de versiones obsoletas que lleven a la realización de un diseño de ingeniería defectuoso. Otro factor a tener en cuenta es que la simplificación del diseño de IFMIF a DONES no es tan sencilla como eliminar la mitad del edificio. Es cierto que la zona que alberga los aceleradores presenta una configuración simétrica, lo cual permite eliminar la mitad del espacio sin demasiadas complicaciones. Sin embargo, la zona de los alrededores de la habitación en la que se irradian los módulos no presenta esa facilidad, siendo necesaria una redistribución de las habitaciones. Además, la eliminación de los espacios que en IFMIF se utilizaban para el desmantelamiento y el tratamiento de los módulos irradiados obliga a rediseñar el flujo de materiales irradiados desde el interior del edificio hacia el exterior, con las implicaciones que ello conlleva para las habitaciones por las que deba pasar dicho flujo. En vista de este escenario, a partir de la información recopilada y estudiada para la elaboración de la tabla de requisitos técnicos de DONES y la comunicación con los responsables de distintos sistemas, se ha llevado a cabo una recopilación de incoherencias y puntos críticos relacionados con las distintas propuestas de diseño del edificio principal. La intención es aportar una perspectiva global que tenga en cuenta los requerimientos comunicados por los responsables para sus propios sistemas, para más adelante facilitar la toma de decisiones por parte de la dirección del proyecto. De alguna manera, se pretende realizar una labor de integración de sistemas. Por último, ante las dificultades que se han encontrado durante el proceso de documentación para encontrar información relativa a cada una de las habitaciones, se ha propuesto una nueva forma de almacenar y presentar la información relativa a las mismas. La propuesta consiste en la creación de una base de datos que contenga una ficha técnica asociada a cada habitación. Esta base de datos pretende facilitar la comunicación a todos los niveles, tanto interdepartamental como el contacto con entidades externas contratadas para la realización de paquetes de trabajo determinados o el diseño y la construcción del edificio o de sus equipos y sistemas. La idea es crear un documento fácilmente accesible y manejable, completo y sujeto a constante revisión y actualización por parte de los responsables de cada sistema, de manera que no sea necesario consultar múltiples documentos para comprender la problemática relativa a cada habitación del edificio. A pesar de que la elaboración y el mantenimiento de una base de datos para un proyecto tan ambicioso y complejo pueda suponer un trabajo costoso, el objetivo es que se convierta en una herramienta del día a día que facilite el almacenamiento, la consulta, la revisión y la actualización de la información relativa al diseño de ingeniería y que evolucione constantemente adaptándose a las necesidades del proyecto. En definitiva, la mejora a largo plazo en la fluidez de trabajo y la flexibilidad que aportaría esta herramienta debería justificar sobradamente su coste, teniendo en cuenta por otro lado que dicho coste será en todo caso despreciable en comparación con el del proyecto en su conjunto.

Más información

ID de Registro: 47669
Identificador DC: http://oa.upm.es/47669/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47669
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 07 Sep 2017 06:23
Ultima Modificación: 07 Sep 2017 06:23
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