LIFE , abreviatura de Laser Inertial Fusion Energy , fue un esfuerzo de energía de fusión realizado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore entre 2008 y 2013. LIFE tenía como objetivo desarrollar las tecnologías necesarias para convertir el concepto de fusión por confinamiento inercial impulsado por láser que se está desarrollando en la Instalación Nacional de Ignición ( NIF) en una planta de energía comercial práctica , un concepto conocido generalmente como energía de fusión inercial (IFE). LIFE utilizó los mismos conceptos básicos que NIF, pero tenía como objetivo reducir los costos utilizando elementos de combustible producidos en masa, mantenimiento simplificado y láseres de diodo con mayor eficiencia eléctrica.
Se consideraron dos diseños, operados como un sistema de fusión pura o híbrido de fusión-fisión . En el primero, la energía generada por las reacciones de fusión se utiliza directamente. En el último, los neutrones emitidos por las reacciones de fusión se utilizan para provocar reacciones de fisión en una capa circundante de uranio u otro combustible nuclear , y esos eventos de fisión son responsables de la mayor parte de la liberación de energía. En ambos casos, se utilizan sistemas de turbinas de vapor convencionales para extraer el calor y producir electricidad.
La construcción del NIF se completó en 2009 y comenzó una larga serie de pruebas para llevarlo a su máxima potencia. Durante 2011 y 2012, NIF ejecutó la "campaña nacional de encendido" para alcanzar el punto en el que la reacción de fusión se vuelva autosostenible , un objetivo clave que es un requisito básico de cualquier sistema IFE práctico. NIF falló en este objetivo, con un rendimiento de fusión muy por debajo de los niveles de ignición y que difería considerablemente de las predicciones. Con el problema del encendido sin resolver, el proyecto LIFE se canceló en 2013.
El programa LIFE fue criticado por su desarrollo por basarse en una física que aún no había sido demostrada. En una evaluación puntual, Robert McCrory, director del Laboratorio de Energética Láser , declaró: "En mi opinión, las promesas y ventas excesivas de LIFE perjudicaron al Laboratorio Lawrence Livermore". [1]
Fondo
El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) ha sido líder en la fusión por confinamiento inercial impulsada por láser (ICF) desde que el concepto inicial fue desarrollado por el empleado de LLNL John Nuckols a fines de la década de 1950. [2] [3] La idea básica era utilizar un controlador para comprimir una pequeña pastilla conocida como el objetivo que contiene el combustible de fusión, una mezcla de deuterio (D) y tritio (T). Si la compresión alcanza valores suficientemente altos, comienzan a producirse reacciones de fusión, liberando partículas alfa y neutrones . Los alfa pueden impactar átomos en el combustible circundante, calentándolos hasta el punto en que también se fusionan. Si la tasa de calentamiento alfa es mayor que las pérdidas de calor al medio ambiente, el resultado es una reacción en cadena autosostenida conocida como ignición . [4] [5]
La comparación de la entrada de energía conductor a la salida de la energía de fusión produce un número conocido como factor de ganancia de energía de fusión , con la etiqueta Q . Se requiere un valor Q de al menos 1 para que el sistema produzca energía neta. Dado que se necesita algo de energía para hacer funcionar el reactor, para que haya una producción eléctrica neta, Q tiene que ser al menos 3. [6] Para la operación comercial, se necesitan valores de Q mucho más altos que esto. [7] Para ICF, se necesitan Q del orden de 25 a 50 para recuperar tanto las pérdidas de generación eléctrica como la gran cantidad de energía utilizada para alimentar el controlador. En el otoño de 1960, el trabajo teórico realizado en LLNL sugirió que serían posibles ganancias del orden requerido con impulsores del orden de 1 MJ. [8]
En ese momento, se consideraron varios impulsores diferentes, pero la introducción del láser más tarde ese año proporcionó la primera solución obvia con la combinación correcta de características. Las energías deseadas estaban mucho más allá del estado del arte en diseño láser, por lo que LLNL comenzó un programa de desarrollo a mediados de la década de 1960 para alcanzar estos niveles. [9] Cada aumento de energía dio lugar a fenómenos ópticos nuevos e inesperados que tuvieron que superarse, pero estos se resolvieron en gran medida a mediados de la década de 1970. Trabajando en paralelo con los equipos de láser, los físicos que estudiaron la reacción esperada utilizando simulaciones por computadora adaptadas del trabajo de la bomba termonuclear desarrollaron un programa conocido como LASNEX que sugirió que Q de 1 podría producirse a niveles de energía mucho más bajos, en el rango de kilojulios, niveles que el láser el equipo ahora pudo entregar. [10] [11]
Desde finales de la década de 1970, LLNL desarrolló una serie de máquinas para alcanzar las condiciones predichas por LASNEX y otras simulaciones. Con cada iteración, los resultados experimentales demostraron que las simulaciones eran incorrectas. La primera máquina, el láser Shiva de finales de la década de 1970, produjo una compresión del orden de 50 a 100 veces, pero no produjo reacciones de fusión ni cerca de los niveles esperados. El problema se remonta al problema de la luz láser infrarroja que calienta los electrones y los mezcla en el combustible, y se sugirió que el uso de la luz ultravioleta resolvería el problema. Esto se abordó en el láser Nova de la década de 1980, que fue diseñado con la intención específica de producir ignición. Nova hizo producir grandes cantidades de fusión, con disparos producir tanto como 10 7 neutrones, pero falló a la ignición alcance. Esto se atribuyó al crecimiento de las inestabilidades de Rayleigh-Taylor , que aumentaron en gran medida la potencia del controlador requerida. [12]
En última instancia, se consideró que todos estos problemas se entendían bien y surgió un diseño mucho más amplio, NIF. NIF se diseñó para proporcionar aproximadamente el doble de la energía del controlador requerida, lo que permite cierto margen de error. El diseño de NIF se finalizó en 1994, y la construcción se completará en 2002. La construcción comenzó en 1997, pero tardó más de una década en completarse, y la construcción principal se declaró terminada en 2009. [13]
LA VIDA
A lo largo del desarrollo del concepto ICF en LLNL y en otros lugares, se habían realizado varios pequeños esfuerzos para considerar el diseño de una central eléctrica comercial basada en el concepto ICF. Los ejemplos incluyen SOLASE-H [14] e HYLIFE-II. [15] Cuando NIF estaba llegando a su finalización en 2008, con las diversas preocupaciones consideradas resueltas, LLNL comenzó un esfuerzo de desarrollo de IFE más serio, LIFE. [dieciséis]
Híbrido fusión-fisión
Cuando se propuso por primera vez el proyecto LIFE, se centró en el concepto híbrido de fusión-fisión nuclear , que utiliza los neutrones rápidos de las reacciones de fusión para inducir la fisión en materiales nucleares fértiles . [17] El concepto híbrido fue diseñado para generar energía a partir de combustible nuclear fértil y fisible y para quemar desechos nucleares. [18] [19] [20] La capa de combustible fue diseñada para usar combustible a base de TRISO enfriado por una sal fundida hecha de una mezcla de fluoruro de litio (LiF) y fluoruro de berilio (BeF 2 ). [21]
Las centrales eléctricas de fisión convencionales se basan en la reacción en cadena que se produce cuando los eventos de fisión liberan neutrones térmicos que provocan más eventos de fisión. Cada evento de fisión en el U-235 libera dos o tres neutrones con aproximadamente 2 MeV de energía cinética . Mediante una disposición cuidadosa y el uso de varios materiales absorbentes, los diseñadores pueden equilibrar el sistema de modo que uno de esos neutrones provoque otro evento de fisión mientras que el otro o dos se pierden. Este equilibrio se conoce como criticidad . El uranio natural es una mezcla de tres isótopos; principalmente U-238 , con algo de U-235, y trazas de U-234. Los neutrones liberados en la fisión de cualquiera de los isótopos principales causarán fisión en el U-235, pero no en el U-238, que requiere energías más altas alrededor de 5 MeV. No hay suficiente U-235 en el uranio natural para alcanzar la criticidad. Los reactores nucleares comerciales de agua ligera , los reactores de potencia más frecuentes en el mundo, utilizan combustible nuclear que contiene uranio enriquecido de 3 a 5% en U-235, mientras que el sobrante es U-238. [22] [23]
Cada evento de fusión en el reactor de fusión DT emite una partícula alfa y un neutrón rápido con alrededor de 14 MeV de energía cinética. Esta energía es suficiente para causar fisión en el U-238 y también en muchos otros elementos transuránicos . Esta reacción se usa en bombas H para aumentar el rendimiento de la sección de fusión envolviéndola en una capa de uranio empobrecido , que sufre una rápida fisión cuando es golpeada por los neutrones de la bomba de fusión en su interior. El mismo concepto básico también se puede utilizar con un reactor de fusión como LIFE, utilizando sus neutrones para causar fisión en una capa de combustible de fisión. A diferencia de un reactor de fisión, que quema su combustible una vez que el U-235 cae por debajo de cierto valor umbral, [a] estos reactores híbridos de fisión-fusión pueden seguir produciendo energía a partir del combustible de fisión siempre que el reactor de fusión continúe proporcionando neutrones. Como los neutrones tienen alta energía, pueden potencialmente causar múltiples eventos de fisión, lo que lleva a que el reactor en su conjunto produzca más energía, un concepto conocido como multiplicación de energía . [25] Incluso el combustible nuclear sobrante extraído de los reactores nucleares convencionales se quemará de esta manera. Esto es potencialmente atractivo porque quema muchos de los radioisótopos de vida larga en el proceso, produciendo desechos que son solo levemente radiactivos y carecen de la mayoría de los componentes de vida larga. [17]
En la mayoría de los diseños de energía de fusión, los neutrones de fusión reaccionan con una capa de litio para generar nuevo tritio como combustible. Un problema importante con el diseño de fisión-fusión es que los neutrones que causan la fisión ya no están disponibles para la reproducción de tritio. Si bien las reacciones de fisión liberan neutrones adicionales, estos no tienen suficiente energía para completar la reacción de reproducción con Li-7, que constituye más del 92% del litio natural. Estos neutrones de menor energía provocarán la reproducción en Li-6, que podría concentrarse del mineral de litio natural. Sin embargo, la reacción de Li-6 solo produce un tritio por neutrón capturado, y se necesita más de una T por neutrón para compensar la desintegración natural y otras pérdidas. [26] Utilizando Li-6, los neutrones de la fisión compensarían las pérdidas, pero solo a costa de eliminarlos para que no provoquen otras reacciones de fisión, lo que reduciría la potencia de salida del reactor. El diseñador tiene que elegir cuál es más importante; quemando el combustible a través de neutrones de fusión, o proporcionando energía a través de eventos de fisión autoinducidos. [27]
La economía de los diseños de fisión-fusión siempre ha sido cuestionable. El mismo efecto básico se puede crear reemplazando el reactor de fusión central con un reactor de fisión especialmente diseñado y utilizando los neutrones excedentes de la fisión para generar combustible en la capa. Estos reactores reproductores rápidos han demostrado ser antieconómicos en la práctica, y el mayor costo de los sistemas de fusión en el híbrido de fisión-fusión siempre ha sugerido que serían antieconómicos a menos que se construyeran en unidades muy grandes. [28]
IFE puro
El concepto LIFE dejó de funcionar a lo largo de las líneas de fusión-fisión alrededor de 2009. Tras las consultas con sus socios en la industria de servicios públicos, el proyecto se reorientó hacia un diseño de fusión pura con una producción eléctrica neta de alrededor de 1 gigavatio. [29]
La fusión por confinamiento inercial es una de las dos líneas principales de desarrollo de la energía de fusión, la otra es la fusión por confinamiento magnético (MCF), en particular el concepto tokamak que se está construyendo en un importante sistema experimental conocido como ITER . El confinamiento magnético se considera ampliamente como el enfoque superior y ha experimentado una actividad de desarrollo significativamente mayor a lo largo de las décadas. Sin embargo, existen serias preocupaciones de que el enfoque MCF del ITER nunca pueda llegar a ser económicamente práctico. [30]
Una de las preocupaciones de costos para los diseños de MCF como ITER es que los materiales del reactor están sujetos al intenso flujo de neutrones creado por las reacciones de fusión. Cuando los neutrones de alta energía impactan en los materiales, desplazan los átomos en la estructura, lo que genera un problema conocido como fragilización de los neutrones que degrada la integridad estructural del material. Esto también es un problema para los reactores de fisión, pero el flujo de neutrones y la energía en un tokamak es mayor que la mayoría de los diseños de fisión. En la mayoría de los diseños de MFE, el reactor se construye en capas, con una cámara de vacío interior toroidal, o "primera pared", luego la manta de litio y finalmente los imanes superconductores que producen el campo que confina el plasma. Los neutrones que se detienen en la manta son deseables, pero los que se detienen en la primera pared o los imanes los degradan. Desmontar una pila toroidal de elementos sería un proceso lento que conduciría a un factor de capacidad deficiente , lo que tiene un impacto significativo en la economía del sistema. Reducir este efecto requiere el uso de materiales exóticos que aún no se han desarrollado. [31]
Como efecto secundario natural del tamaño de los elementos combustibles y las explosiones resultantes, los diseños ICF utilizan una cámara de reacción muy grande de muchos metros de diámetro. Esto reduce el flujo de neutrones en cualquier parte particular de la pared de la cámara a través de la ley del cuadrado inverso . Además, no hay imanes u otros sistemas complejos cerca o dentro del reactor, y el láser está aislado en el lado más alejado de las trayectorias ópticas largas. El lado más alejado de la cámara está vacío, lo que permite colocar la manta allí y mantenerla fácilmente. Aunque las paredes de la cámara de reacción y la óptica final eventualmente se volverían frágiles y requerirían reemplazo, la cámara es esencialmente una gran bola de acero de construcción de varias piezas relativamente simple que podría reemplazarse sin demasiado esfuerzo. La cámara de reacción es, en general, dramáticamente más simple que las de los conceptos de fusión magnética, y los diseños de LIFE propusieron construir varias y moverlas rápidamente dentro y fuera de la producción. [32]
Limitaciones de IFE
El láser de NIF utiliza un sistema de tubos de flash grandes (como los de una lámpara de flash de fotografía) para bombear ópticamente una gran cantidad de placas de vidrio. Una vez que las placas se encienden y se han asentado en una inversión de población , una pequeña señal de un láser separado se alimenta a las líneas ópticas, estimulando la emisión en las placas. Luego, las placas vierten su energía almacenada en el haz creciente, amplificándolo miles de millones de veces. [33]
El proceso es extremadamente ineficiente en términos energéticos; NIF alimenta los tubos de flash con más de 400 MJ de energía que produce 1.8 MJ de luz ultravioleta (UV). Debido a las limitaciones de la cámara de destino, NIF solo puede manejar salidas de fusión de hasta aproximadamente 50 MJ, aunque los disparos generalmente serían aproximadamente la mitad de eso. Teniendo en cuenta las pérdidas en la generación, tal vez se podrían extraer 20 MJ de energía eléctrica como máximo, lo que representa menos de 1 ⁄ 20 de la energía de entrada. [33]
Otro problema con los láseres NIF es que los tubos de flash crean una cantidad significativa de calor, que calienta el vidrio del láser lo suficiente como para deformarlo. Esto requiere un largo período de enfriamiento entre tomas, del orden de 12 horas. En la práctica, NIF gestiona una tasa de disparos de menos de un disparo por día. [34] Para ser útil como planta de energía, tendrían que realizarse alrededor de una docena de disparos por segundo, mucho más allá de las capacidades de los láseres NIF.
Cuando fue concebido originalmente por Nuckols, se esperaba que el confinamiento de fusión inercial impulsado por láser requiriera láseres de unos pocos cientos de kilojulios y usara gotas de combustible creadas por un arreglo de perfume . [35] La investigación de LLNL desde entonces ha demostrado que tal disposición no puede funcionar y requiere ensamblajes mecanizados para cada disparo. Para ser económicamente útil, una máquina IFE necesitaría usar conjuntos de combustible que cuestan centavos. Aunque LLNL no publica precios para sus propios objetivos, el sistema similar en el Laboratorio de Energía Láser de la Universidad de Rochester establece objetivos por alrededor de $ 1 millón cada uno. [36] Se sugiere que los objetivos de NIF cuestan más de $ 10,000. [37] [38]
Mercurio
LLNL había comenzado a explorar diferentes soluciones al problema del láser mientras se describía el sistema por primera vez. En 1996 construyeron un pequeño sistema de banco de pruebas conocido como láser Mercury que reemplazó los tubos de destellos con diodos láser. [39]
Una ventaja de este diseño fue que los diodos crearon luz alrededor de la misma frecuencia que la salida del vidrio del láser, [40] en comparación con los tubos de destellos de luz blanca donde la mayor parte de la energía del destello se desperdició ya que no estaba cerca de la frecuencia activa. del cristal láser. [41] Este cambio aumentó la eficiencia energética a aproximadamente un 10%, una mejora espectacular. [39]
Para cualquier cantidad dada de energía luminosa creada, los láseres de diodo emiten aproximadamente 1 ⁄ 3 de calor que un tubo de destello. Menos calor, combinado con enfriamiento activo en forma de helio soplado entre los diodos y las capas de vidrio láser, eliminó el calentamiento del vidrio y permite que Mercury funcione continuamente. [40] En 2008, Mercury pudo disparar 10 veces por segundo a 50 julios por disparo durante horas a la vez. [39]
Varios otros proyectos que se ejecutaron en paralelo con Mercury exploraron varios métodos y conceptos de enfriamiento que permitieron empaquetar muchos diodos láser en un espacio muy pequeño. Estos finalmente produjeron un sistema con 100 kW de energía láser de una caja de unos 50 centímetros (20 pulgadas) de largo, conocida como matriz de diodos. En un diseño LIFE, estas matrices reemplazarían el empaquetado de diodos menos denso del diseño Mercury. [39]
Haz en una caja
LIFE fue esencialmente una combinación de los conceptos de Mercury y nuevos arreglos físicos para reducir en gran medida el volumen del NIF al tiempo que lo hacía mucho más fácil de construir y mantener. Mientras que una línea de luz NIF para uno de sus 192 láseres tiene más de 100 metros (330 pies) de largo, LIFE se basó en un diseño de unos 10,5 metros (34 pies) de largo que contenía todo, desde las fuentes de alimentación hasta la óptica de conversión de frecuencia. Cada módulo era completamente independiente, a diferencia de NIF, que se alimenta de una señal central del oscilador maestro, lo que permite que las unidades se retiren y reemplacen individualmente mientras el sistema en su conjunto continúa funcionando. [42]
Cada celda del controlador en el diseño de línea de base de LIFE contenía dos de los conjuntos de diodos de alta densidad dispuestos a cada lado de una gran losa de vidrio láser. Las matrices se proporcionaron refrigeración a través de tuberías de conexión en cada extremo del módulo. El pulso láser inicial fue proporcionado por un módulo de preamplificador similar al del NIF, cuya salida se cambió a la línea de luz principal a través de un espejo y un interruptor óptico de celda de Pockel . Para maximizar la energía depositada en el rayo desde el vidrio del láser, se utilizaron interruptores ópticos para enviar el rayo a los espejos para reflejar la luz a través del vidrio cuatro veces, de una manera similar a la NIF. [40] Finalmente, el enfoque y la limpieza óptica fueron proporcionados por la óptica a cada lado del vidrio, antes de que el haz saliera del sistema a través de un convertidor de frecuencia en un extremo. [42]
El reducido tamaño y la independencia de los módulos láser permitieron prescindir del enorme edificio NIF. En cambio, los módulos se organizaron en grupos alrededor de la cámara objetivo en una disposición compacta. En los diseños de línea de base, los módulos se apilaron en grupos de 2 de ancho por 8 de alto en dos anillos por encima y por debajo de la cámara objetivo, haciendo brillar su luz a través de pequeños orificios perforados en la cámara para protegerlos del flujo de neutrones que regresa. [43]
El objetivo final era producir un sistema que pudiera enviarse en un camión semirremolque convencional a la planta de energía, proporcionando energía láser con un 18% de eficiencia de extremo a extremo, 15 veces la del sistema NIF. Esto reduce las ganancias de fusión requeridas en el área de 25 a 50, dentro de los valores predichos para NIF. El consenso fue que este sistema de "haz en una caja" podría construirse por 3 centavos por vatio de salida de láser, y eso se reduciría a 0,7 centavos / W en producción sostenida. Esto significaría que una planta LIFE completa requeriría alrededor de $ 600 millones en diodos solamente, significativo, pero dentro del ámbito de la posibilidad económica. [42]
Objetivos económicos
Los objetivos de NIF son extremadamente costosos. Cada uno consta de un pequeño cilindro metálico de extremos abiertos con ventanas transparentes de doble panel que sellan cada extremo. Para convertir de manera eficiente la luz del láser del controlador en los rayos X que impulsan la compresión, el cilindro debe estar recubierto de oro u otros metales pesados . En el interior, suspendida de finos cables de plástico, hay una esfera de plástico hueca que contiene el combustible. Para proporcionar una implosión simétrica, el cilindro de metal y la esfera de plástico tienen tolerancias de mecanizado extremadamente altas. El combustible, normalmente un gas a temperatura ambiente, se deposita dentro de la esfera y luego se congela criogénicamente hasta que se adhiere al interior de la esfera. Luego se alisa calentándolo lentamente con un láser infrarrojo para formar una capa lisa de 100 µm en el interior del gránulo. Cada objetivo cuesta decenas de miles de dólares. [37]
Para abordar esta preocupación, se dedicó una cantidad considerable de esfuerzo de LIFE al desarrollo de diseños de objetivos simplificados y construcción automatizada que reducirían su costo. Trabajando con General Atomics , el equipo de LIFE desarrolló un concepto utilizando fábricas de combustible en el sitio que producirían gránulos en masa a un ritmo de aproximadamente un millón por día. Se esperaba que esto redujera su precio a alrededor de 25 centavos por objetivo, [44] aunque otras referencias sugieren que el precio indicativo estaba más cerca de 50 centavos, y las propias estimaciones de LLNL oscilan entre 20 y 30 centavos. [45]
Una ventaja menos obvia del concepto LIFE es que la cantidad de tritio necesaria para iniciar el sistema se reduce considerablemente en comparación con los conceptos MFE. En MFE, se prepara una cantidad relativamente grande de combustible y se coloca en el reactor, lo que requiere gran parte del suministro civil de tritio del mundo solo para la puesta en marcha. LIFE, en virtud de la pequeña cantidad de combustible en cualquier pellet, puede comenzar operaciones con mucho menos tritio, del orden de 1 ⁄ 10 . [32]
Diseño general
Los primeros diseños de fusión-fisión no estaban bien desarrollados y solo se mostraron esquemas del concepto. Estos sistemas parecían una versión reducida de NIF, con líneas de luz de unos 100 metros (330 pies) de largo a cada lado de una cámara objetivo y un área de generación de energía. El láser produjo 1,4 MJ de luz ultravioleta 13 veces por segundo. La fusión tuvo lugar en una cámara objetivo de 2,5 metros (8 pies 2 pulgadas) que estaba rodeada por 40 toneladas cortas (36.000 kg) de combustible de fisión no enriquecido, o alternativamente alrededor de 7 toneladas cortas (6.400 kg) de Pu o uranio altamente enriquecido de armas. . Se esperaba que el sistema de fusión produjera Q del orden de 25 a 30, resultando en 350 a 500 MW de energía de fusión. Los procesos de fisión desencadenados por la fusión agregarían una ganancia de energía adicional de 4 a 10 veces, resultando en una producción térmica total entre 2000 y 5000 MW th . El uso de sistemas de conversión térmica a eléctrica de alta eficiencia como los diseños de ciclo Rankine en combinación con generadores de vapor supercríticos demostrados permitiría convertir aproximadamente la mitad de la producción térmica en electricidad. [46] [47]
Para 2012, el diseño básico del concepto de fusión pura, conocido como Planta de Entrada al Mercado (MEP), [b] se había estabilizado. Este fue un diseño autónomo con toda la sección de fusión empaquetada en un edificio cilíndrico de hormigón no muy diferente al edificio de confinamiento de un reactor de fisión, aunque más grande con 100 metros (330 pies) de diámetro. [49] El edificio central estaba flanqueado por edificios rectangulares más pequeños a ambos lados, uno que contenía las turbinas y los sistemas de manejo de energía, el otro la planta de tritio. Un tercer edificio, ya sea adosado a la planta o detrás de ella según el diagrama, se utilizó para el mantenimiento. [50]
Dentro del edificio de fusión central, los láseres de haz en una caja estaban dispuestos en dos anillos, uno arriba y otro debajo de la cámara objetivo. Un total de 384 láseres proporcionarían 2,2 MJ de luz ultravioleta a una longitud de onda de 0,351 micrómetros, [40] produciendo un Q de 21. Se utilizó una pistola de gas ligero para disparar 15 objetivos por segundo en la cámara del objetivo. [51] Con cada disparo, la temperatura de la pared interior de la cámara objetivo aumenta de 600 ° C (1,112 ° F) a 800 ° C (1,470 ° F). [52]
La cámara objetivo es una estructura de dos paredes llena de litio líquido o una aleación de litio entre las paredes. [53] El litio captura neutrones de las reacciones para generar tritio y también actúa como el circuito refrigerante primario. [54] La cámara está llena de gas xenón que ralentizaría la reacción de los iones y protegería la pared interior, o primera pared , del flujo masivo de rayos X. [50] Debido a que la cámara no está muy presurizada, como un núcleo de fisión, no tiene que construirse como una sola esfera. En cambio, la cámara LIFE está construida a partir de ocho secciones idénticas que incluyen conexiones integradas al circuito de enfriamiento. Se envían a la planta y se atornillan en dos soportes, y luego se rodean por un marco espacial basado en tubos. [55]
Para hacer frente a la fragilización, toda la cámara del objetivo se diseñó para desplazarse fácilmente desde el centro del edificio sobre rieles hasta el edificio de mantenimiento donde podría reconstruirse. Se esperaba que la cámara durara cuatro años y se reemplazara en un mes. El sistema óptico está desacoplado de la cámara, lo que lo aísla de las vibraciones durante el funcionamiento y significa que las líneas de haz en sí no tienen que realinearse después del reemplazo de la cámara. [50]
La planta tenía una capacidad máxima de generación, o capacidad nominal , de aproximadamente 400 MWe, con características de diseño que permitían una expansión de hasta 1000 MWe. [56]
Ciencias económicas
Eurodiputado | VIDA.2 | |
---|---|---|
Energía láser en el objetivo, MJ | 2.2 | 2.2 |
Rendimiento objetivo, MJ | 132 | 132 |
Tasa de repetición de pulsos, Hz | 8.3 | 16,7 |
Potencia de fusión, MW | 1100 | 2200 |
Potencia térmica, MWt | 1320 | 2640 |
Material de la cámara | RAFMS [c] | SAO |
Radio del primer muro, m | 6.0 | 6.0 |
Carga de pared de neutrones, MW / m 2 | 1.8 | 3.6 |
Carga de calor superficial, MW / m 2 | 0,63 | 1,26 |
Proporción de cría de tritio | 1.05 | 1.05 |
Refrigerante primario | Li | Li |
Refrigerante intermedio | Sal fundida | Sal fundida |
Temperatura de salida de la cámara, ° C | 530 | 575 |
Eficiencia de conversión, % | 45 | 47 |
Potencia bruta, MWe | 595 | 1217 |
Entrada de energía eléctrica láser, MWe | 124 | 248 |
Carga de potencia en planta, MWe | 34 | 64 |
Potencia eléctrica neta, MWe | 437 | 905 |
El costo nivelado de la electricidad (LCoE) se puede calcular dividiendo el costo total para construir y operar un sistema de generación de energía durante su vida útil por la cantidad total de electricidad enviada a la red durante ese período. La cantidad de dinero es esencialmente una combinación del gasto de capital ( CAPEX ) de la planta y los pagos de intereses sobre ese CAPEX, y el costo descontado del combustible, el mantenimiento necesario para mantenerlo en funcionamiento y su desmantelamiento, los gastos operativos descontados, u OPEX. La cantidad de energía normalmente se calcula considerando la potencia máxima que podría producir la planta y luego ajustándola por el factor de capacidad (CF) para tener en cuenta el tiempo de inactividad debido al mantenimiento o la regulación deliberada. Como cálculo rápido, se puede ignorar la inflación, los costos de oportunidad y los gastos operativos menores para desarrollar una figura de mérito para el costo de la electricidad. [57]
MEP no tenía la intención de ser un diseño de producción y solo podría exportar pequeñas cantidades de electricidad. Sin embargo, serviría de base para el primer modelo de producción, LIFE.2. LIFE.2 produciría 2,2 GW de energía de fusión y la convertiría en 1 GW de energía eléctrica con una eficiencia del 48%. [51] Durante un año, LIFE produciría 365 días x 24 horas x 0,9 factor de capacidad x 1.000.000 kW nominal nominal = 8.000 millones de kWh. Para generar esa energía, el sistema deberá quemar 365 x 24 x 60 minutos x 60 segundos x 15 pellets por segundo x 0,9 de capacidad = 425 millones de pellets de combustible. Si los gránulos cuestan el precio sugerido de 50 centavos cada uno, eso es más de $ 200 millones al año para alimentar la planta. La tarifa promedio de la electricidad al por mayor en los EE. UU. A partir de 2015[actualizar]es de alrededor de 5 centavos / kWh, [58] por lo que esta energía tiene un valor comercial de alrededor de $ 212 millones, lo que sugiere que LIFE.2 apenas cubriría, en promedio, sus propios costos de combustible. [D]
El CAPEX de la planta se estima en $ 6.4 mil millones, por lo que financiar la planta durante un período de 20 años agrega otros $ 5 mil millones asumiendo la tasa no garantizada del 6.5%. Considerando solamente el CAPEX y el combustible, el costo total de la planta es 6.4 + 5 + 4 = $ 15.4 mil millones. Al dividir el costo total por la energía producida durante el mismo período, se obtiene una estimación aproximada del costo de la electricidad para una operación de vida útil de 20 años: $ 15,4 mil millones / 160 mil millones de kWh = 9,6 centavos / kWh. Una vida útil de funcionamiento de 40 años daría lugar a un costo de electricidad de 4,8 centavos / kWh. LLNL calculó el LCOE de LIFE.2 en 9,1 centavos utilizando la metodología de flujo de efectivo descontado descrita en el informe del MIT de 2009 "El futuro de la energía nuclear". [51] [60] Con cualquiera de los valores, LIFE.2 no podría competir con las fuentes de energía renovables modernas , que están muy por debajo de los 5 centavos / kWh a partir de 2018.[actualizar]. [61]
LLNL proyectó que un mayor desarrollo después de un despliegue comercial generalizado podría conducir a más mejoras tecnológicas y reducciones de costos, y propuso un diseño LIFE.3 de aproximadamente $ 6.3 mil millones de CAPEX y una placa de identificación de 1.6 GW por un precio por vatio de $ 4.2 / W. Esto conduce a un LCOE proyectado de 5,5 centavos / kWh, [51] que es competitivo con la energía eólica marina A partir de 2018[actualizar], [62] pero es poco probable que sea así en 2040 cuando los diseños LIFE.3 comiencen a construirse. [e] Las plantas LIFE serían vendedores mayoristas, compitiendo con una tasa de carga base de aproximadamente 5,3 centavos / kWh a partir de 2015[actualizar]. [58]
La sección de turbinas de vapor de una planta de energía, la sala de turbinas , generalmente cuesta alrededor de $ 1 / W, y el equipo eléctrico para alimentar esa energía a la red es de aproximadamente otro $ 1 / W. [64] Para alcanzar el CAPEX total proyectado que se cita en los documentos LIFE, esto implica que toda la isla nuclear tiene que costar alrededor de $ 4 / W para LIFE.2 y un poco más de $ 2 / W para LIFE.3. Las plantas nucleares modernas, que se benefician de décadas de experiencia comercial y trabajo de diseño continuo, cuestan poco menos de $ 8 / W, con aproximadamente la mitad de eso en la isla nuclear. Las estimaciones de LLNL requieren que LIFE.3 se construya en 2040 por aproximadamente la mitad del costo de una planta de fisión en la actualidad. [sesenta y cinco]
Fin de la vida
La construcción del NIF se completó en 2009 y el laboratorio comenzó un largo período de calibración y configuración para llevar el láser a su máxima capacidad. La planta alcanzó su capacidad de diseño de 1.8 MJ de luz ultravioleta en 2012. [66] Durante este período, NIF comenzó a ejecutar un programa por etapas conocido como Campaña Nacional de Ignición, con el objetivo de alcanzar la ignición antes del 30 de septiembre de 2012. En última instancia, la campaña falló porque surgieron problemas de rendimiento inesperados que no se habían predicho en las simulaciones. A finales de 2012, el sistema estaba produciendo tomas en el mejor de los casos que todavía estaban 1 ⁄ 10 de las presiones necesarias para lograr la ignición. [67]
En los años posteriores, el NIF ha realizado una pequeña cantidad de experimentos con el objetivo explícito de mejorar ese número, pero a partir de 2015[actualizar] el mejor resultado sigue siendo 1 ⁄ 3 de las densidades requeridas, y el método utilizado para lograr esos números puede no ser adecuado para cerrar esa brecha y alcanzar la ignición. Se espera que se requieran varios años de trabajo adicional antes de que se pueda lograr la ignición, si es que alguna vez se logra. [68] Durante una revisión del progreso después del final de la Campaña, unajunta de revisión de la Academia Nacional de Ciencias declaró que "El momento apropiado para el establecimiento de un programa nacional, coordinado y de amplia base de energía de fusión inercial dentro del DOE es cuando se logra la ignición . " [69] Señalaron que "el panel evalúa que no es probable que en los próximos años se produzca una ignición mediante impulsión indirecta por láser". [70]
El esfuerzo de LIFE se canceló silenciosamente a principios de 2013. [71] El director interino de LLNL, Bret Knapp, comentó sobre el tema afirmando que "el enfoque de nuestros esfuerzos de fusión por confinamiento inercial está en comprender la ignición en NIF en lugar del concepto de LIFE. Hasta más se avanza en la ignición, dirigiremos nuestros esfuerzos a resolver los desafíos científicos fundamentales restantes para lograr la ignición por fusión ". [1]
Notas
- ^ O, más típicamente, cuando los productos de eventos de fisión previos "envenenan" la reacción en curso al capturar neutrones. [24]
- ^ Denominado LIFE.1 en otros documentos. [48]
- ^ RAFMS son las siglas de acero ferrítico / martensítico de activación reducida.
- ^ Los precios al por mayor han caído desde 2015, a partir de 2018[actualizar], el costo promedio está más cerca de 3 centavos / kWh, lo que significa que LIFE.2 perdería dinero incluso con los precios objetivo más baratos posibles. [59]
- ^ LCoE en turbinas eólicas disminuyó (mejoró) en un 58% entre 2009 y 2014, a poco más de 5,5 centavos / kWh. [63]
Referencias
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enlaces externos
- Medios relacionados con la energía de fusión inercial láser en Wikimedia Commons
- Heller, Arnie (julio-agosto de 2011). "Encendiendo nuestro futuro energético" . Revisión de ciencia y tecnología . Consultado el 1 de mayo de 2017 .
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