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Instalación Internacional de Irradiación de Materiales de Fusión

Representación esquemática del área objetivo de la Instalación Internacional de Irradiación de Materiales de Fusión (IFMIF). Una pequeña área objetivo se irradia con un par de h...

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IFMIF
Representación esquemática del área objetivo de la Instalación Internacional de Irradiación de Materiales de Fusión (IFMIF). Una pequeña área objetivo se irradia con un par de haces de deuterones para estudiar los efectos del flujo intenso de neutrones (producido por la interacción de deuterones con un flujo de litio) sobre los materiales.

La Instalación Internacional de Irradiación de Materiales para Fusión ( IFMIF , por sus siglas en inglés ) es un proyecto de instalación de ensayo de materiales donde se podrán cualificar completamente los materiales candidatos para su uso en un reactor de fusión generador de energía. IFMIF será una fuente de neutrones impulsada por acelerador que producirá un flujo de neutrones rápidos de alta intensidad con un espectro similar al esperado en la primera pared de un reactor de fusión que utilice una reacción nuclear deuterio-litio. El proyecto IFMIF se inició en 1994 como un programa internacional de investigación científica, llevado a cabo por Japón, la Unión Europea, Estados Unidos y Rusia, y gestionado por la Agencia Internacional de Energía . Desde 2007, Japón y la Unión Europea lo han impulsado en el marco del Acuerdo de Enfoque Amplio en el campo de la investigación de la energía de fusión, a través del proyecto IFMIF/EVEDA, que realiza actividades de validación y diseño de ingeniería para IFMIF. [ 1 ] [ 2 ] La construcción de IFMIF se recomienda en el Informe de la Hoja de Ruta Europea para Infraestructuras de Investigación, que fue publicado por el Foro Estratégico Europeo sobre Infraestructuras de Investigación (ESFRI). [ 3 ]

Fondo

La reacción de fusión deuterio - tritio genera neutrones monoenergéticos con una energía de 14,1 MeV. En las centrales de fusión, los neutrones estarán presentes en flujos del orden de 10 18 m −2 s −1 e interactuarán con las estructuras materiales del reactor, por lo que su espectro se ampliará y suavizará. Una fuente de neutrones relevante para la fusión es un paso indispensable para el desarrollo exitoso de la energía de fusión . [ 4 ] El diseño, la construcción y la licencia seguros de una instalación de energía de fusión por parte de la agencia reguladora nuclear correspondiente requerirán datos sobre la degradación de los materiales en contacto con el plasma bajo irradiación de neutrones durante la vida útil de un reactor de fusión. La principal fuente de degradación de los materiales es el daño estructural que normalmente se cuantifica en términos de desplazamientos por átomo (dpa). [ 5 ] Mientras que en el experimento de fusión a gran escala actualmente en construcción, ITER , el daño estructural en los aceros del reactor no excederá los 2 dpa al final de su vida útil, se espera que la creación de daños en una planta de energía de fusión ascienda a 15 dpa por año de operación. [ 6 ]

Ninguna de las fuentes de neutrones comúnmente disponibles resulta adecuada para las pruebas de materiales de fusión por diversas razones. La acumulación de gas en la microestructura del material está íntimamente relacionada con la energía de los neutrones colisionantes. Debido a la sensibilidad de los materiales a las particularidades de las condiciones de irradiación, como la relación generación de partículas alfa/dpa a niveles de daño superiores a 15 dpa por año de operación en condiciones de temperatura controlada, las pruebas de materiales requieren que la fuente de neutrones sea comparable al entorno de un reactor de fusión.

En los aceros, las reacciones 54 Fe(n,α) 51 Cr y 54 Fe(n,p) 54 Mn son responsables de la mayoría de los protones y partículas α producidos, y estos tienen un umbral de energía de neutrones incidentes de 0,9 MeV y 2,9 MeV respectivamente. [ 7 ] [ 8 ] Por lo tanto, los reactores de fisión rápida convencionales , que producen neutrones con una energía promedio de alrededor de 1-2 MeV, no pueden cumplir adecuadamente con los requisitos de prueba para materiales de fusión. De hecho, el factor principal de fragilización, la generación de partículas α por transmutación, está lejos de condiciones realistas (en realidad alrededor de 0,3 appm He/dpa). [ 9 ] Las fuentes de neutrones de espalación proporcionan un amplio espectro de energías hasta el orden de cientos de MeV que conducen a estructuras de defectos potencialmente diferentes y generan núcleos transmutados ligeros que afectan intrínsecamente las propiedades objetivo de la aleación. Las instalaciones de implantación iónica ofrecen un volumen de irradiación insuficiente (valores máximos de unos pocos cientos de µm de espesor de capa) para realizar pruebas estandarizadas de propiedades mecánicas. Además, la baja sección transversal de dispersión elástica para iones ligeros hace que los niveles de daño superiores a 10 dpa sean poco prácticos. [ 10 ]

En 1947, Robert Serber demostró teóricamente la posibilidad de producir neutrones de alta energía mediante un proceso en el que los deuterones de alta energía se despojan de su protón al impactar contra un blanco, mientras el neutrón continúa su trayectoria. [ 11 ] En la década de 1970, se desarrollaron en EE. UU. los primeros diseños de fuentes de neutrones de alta energía que utilizaban esta reacción de desprendimiento. [ 12 ] [ 13 ] En la década de 1980, los rápidos avances en la tecnología de aceleradores lineales de alta corriente llevaron al diseño de varias fuentes de neutrones impulsadas por aceleradores para satisfacer los requisitos de una instalación internacional de prueba de materiales de fusión de alto flujo y alto volumen. [ 14 ] [ 15 ] Se propuso la instalación de Prueba de Irradiación de Materiales de Fusión (FMIT), basada en una fuente de neutrones de deuterio-litio, para la prueba de materiales y tecnología de fusión. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

La reacción deuterio-litio explotada para IFMIF es capaz de proporcionar un espectro de neutrones de fusión adecuado, como lo demuestra la comparación de IFMIF con otras fuentes de neutrones disponibles. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] En un experimento con deuterones de 40 MeV de un ciclotrón que incidían sobre litio, se midieron el espectro de neutrones y la producción de radiactividad en el litio, y se encontró una concordancia suficiente con las estimaciones calculadas. [ 24 ]

Descripción

IFMIF constará de cinco sistemas principales: una instalación de acelerador, una instalación de blanco de Li, una instalación de prueba, una instalación de examen posterior a la irradiación (PIE) y una instalación convencional. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] Toda la planta debe cumplir con las regulaciones internacionales de instalaciones nucleares. La energía del haz (40 MeV) y la corriente de los aceleradores paralelos (2 x 125 mA) se han ajustado para maximizar el flujo de neutrones (10 18 m −2 s −1 ) mientras se crean condiciones de irradiación comparables a las de la primera pared de un reactor de fusión. Se podrían alcanzar tasas de daño superiores a 20 dpa por año de operación en un volumen de 0,5 L de su Módulo de prueba de alto flujo que puede albergar alrededor de 1000 pequeñas muestras de prueba . [ 28 ] Las técnicas de ensayo de muestras pequeñas desarrolladas tienen como objetivo la caracterización mecánica completa (fatiga, tenacidad a la fractura, velocidad de propagación de grietas, fluencia y tensión de tracción) de los materiales candidatos y permiten, además de una comprensión científica de los fenómenos de degradación inducidos por neutrones de fusión, la creación de los elementos principales de una base de datos de materiales de fusión adecuada para el diseño, la concesión de licencias y el funcionamiento fiable de futuros reactores de fusión. Las principales contribuciones esperadas del IFMIF a la comunidad de fusión nuclear son: [ 29 ]

  1. proporcionar datos para el diseño de ingeniería para DEMO ,
  2. proporcionar información para definir los límites de rendimiento de los materiales,
  3. contribuir a la finalización y validación de las bases de datos existentes,
  4. contribuir a la selección u optimización de diferentes materiales de fusión alternativos,
  5. validar la comprensión fundamental de la respuesta a la radiación de los materiales, incluyendo la evaluación comparativa de los efectos de la irradiación modelados en escalas de longitud y escalas de tiempo relevantes para la aplicación en ingeniería,
  6. Pruebas del concepto de la manta y de los materiales funcionales antes o como complemento de las pruebas del módulo de la manta de prueba del ITER.

Diseño de ingeniería intermedio de IFMIF

El diseño de ingeniería de la planta IFMIF está íntimamente ligado a las actividades de validación y se llevó a cabo durante la primera fase del proyecto denominado IFMIF Engineering Validation and Engineering Design Activities (IFMIF/EVEDA). El Informe de Diseño de Ingeniería Intermedio de IFMIF se elaboró ​​en junio de 2013 [ 26 ] y fue adoptado por las partes interesadas en diciembre de 2013. El Diseño de Ingeniería Intermedio de IFMIF define los principales sistemas a grandes rasgos.

Instalación aceleradora (LiPac)

Los dos haces de deuterones CW del acelerador, de 5 MW cada uno, inciden de forma superpuesta con un ángulo de ±9°, con una superficie de 200  mm x 50  mm y un perfil temporal constante sobre el chorro de litio líquido, con la región de absorción del pico de Bragg a una profundidad de unos 20  mm.

Instalación objetivo

La instalación objetivo, que contiene un inventario de aproximadamente 10 m³  de Li, forma y acondiciona el blanco del haz. La pantalla de Li cumple dos funciones principales: reaccionar con los deuterones para generar un flujo de neutrones estable en la dirección frontal y disipar la potencia del haz de forma continua. El Li en flujo (15 m/s; 250 °C) se moldea y acelera cerca de la región de interacción del haz mediante una boquilla reductora de dos etapas que forma un chorro cóncavo de 25 mm de espesor con un radio de curvatura mínimo de 250 mm en el área de huella del haz. La presión centrífuga resultante eleva el punto de ebullición del Li en flujo y, por lo tanto, garantiza una fase líquida estable. La potencia del haz absorbida por el Li se evacua mediante el sistema de eliminación de calor y el litio se enfría a 250 °C mediante una serie de intercambiadores de calor. El control de impurezas, esencial para la calidad de la pantalla líquida, se realizará mediante un diseño a medida de los sistemas de trampas frías y calientes, y se espera una pureza de Li durante la operación superior al 99,9 %. El monitoreo en línea de impurezas detectará niveles de impurezas superiores a 50 ppm. Según los análisis numéricos realizados en las últimas tres décadas, no se espera que la interacción haz-blanco tenga un impacto crítico en la estabilidad del chorro. [ 30 ]     

Instalación de pruebas

La instalación de pruebas proporcionará regiones de flujo alto, medio y bajo que van desde ›20 dpa/año de plena potencia (fpy) hasta ‹1 dpa/fpy con volúmenes de irradiación disponibles cada vez mayores de 0,5 L, 6 L y 8 L que albergarán diferentes materiales metálicos y no metálicos potencialmente sometidos a los diferentes niveles de irradiación en una central eléctrica. Más específicamente, en la región de alto flujo, se planean fluencias de 50 dpa en ‹3,5 años en una región de 0,5 L, junto con fluencias relevantes para la central eléctrica de ›120 dpa en ‹5 años en una región de 0,2 L. La región de alto flujo albergará alrededor de 1000 pequeñas muestras ensambladas en 12 cápsulas individuales con control de temperatura independiente que permitirán no solo la caracterización mecánica de los materiales estructurales candidatos probados, sino también la comprensión de la influencia de la temperatura del material en su degradación durante la irradiación.

Instalación posterior a la irradiación

La instalación de examen posterior a la irradiación, una parte esencial del IFMIF, se encuentra en un ala del edificio principal para minimizar la manipulación de las muestras irradiadas. [ 31 ] Esto no solo permitirá analizar las muestras irradiadas de los diferentes módulos de ensayo, sino también caracterizarlas metalográficamente después de los ensayos destructivos.

Actividades de validación de ingeniería de IFMIF

Figura 7. Imagen LEBT del inyector de deuterones del acelerador prototipo lineal IFMIF (LIPAc) en proceso de instalación en Rokkasho, Japón.

Para minimizar los riesgos en la construcción de IFMIF, el proyecto IFMIF/EVEDA ha construido o está construyendo prototipos de aquellos sistemas que enfrentan los principales desafíos tecnológicos que se han identificado a lo largo de los años de cooperación internacional en el establecimiento de una fuente de neutrones relevante para la fusión, [ 17 ] [ 32 ] a saber, 1) la Instalación del Acelerador, 2) la Instalación del Blanco y 3) la Instalación de Pruebas. [ 33 ] [ 34 ] Un prototipo de acelerador (LIPAc), diseñado y construido principalmente en laboratorios europeos CEA , CIEMAT Archivado el 19-07-2006 en Wayback Machine , INFN y SCK•CEN bajo la coordinación de F4E y en instalación en Rokkasho en las instalaciones de JAEA , es idéntico al diseño del acelerador IFMIF hasta su primera etapa de aceleración superconductora (9 MeV de energía, 125 mA de D+ en corriente de onda continua (CW)), y entrará en funcionamiento en junio de 2017. [ 35 ] Un bucle de prueba de Li (ELTL) en las instalaciones de Oarai de JAEA, que integra todos los elementos de la instalación de objetivo de Li del IFMIF, se puso en marcha en febrero de 2011, [ 36 ] y se complementa con experimentos de corrosión realizados en un bucle de Li (Lifus6) en ENEA , Brasimone. [ 37 ] Un módulo de prueba de alto flujo (dos diseños diferentes que admiten aceros ferrítico-martensíticos de activación reducida (RAFM) o SiC ), [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] con un prototipo de las cápsulas que albergan las pequeñas muestras fueron irradiadas en el reactor de investigación BR2 de SCK•CEN [ 41 ] y probadas en el circuito de helio de refrigeración HELOKA del Instituto Tecnológico de Karlsruhe , Karlsruhe, [ 42 ] junto con un módulo de prueba de fatiga por fluencia [ 43 ] fabricado y probado a escala real en el Instituto Paul Scherrer . Se está proporcionando información específica detallada sobre las actividades de validación en curso en publicaciones relacionadas. [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [50 ]

Véase también

  • ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional, y en latín "el camino")

Referencias

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