ES2393557B1 - Reactor termonuclear stellarator multicámara vertical. - Google Patents

Abstract

Reactor termonuclear stellarator multicámara vertical aplicable a aparatos llamados stellarators para la producción de energía por fusión termonuclear por confinamiento magnético, formado por una vasija toroidal en forma de pista de atletismo situada en posición vertical, una cámara interior y similar a tal vasija fácilmente sustituible y dotada de boquillas calibradas para suministro de litio a su superficie interna de cara al plasma, una cavidad intermedia rellena de litio líquido y un compuesto aislante neutrónico circulante, divertores de difusión de litio en forma de canales que siguen las islas magnéticas del plasma, una tapa de reactor de fácil apertura, vasija formada por dos vasijas del reactor cuasi-paralelas cuasi-cilíndricas verticales y dos segmentos curvos, varias pilas de bobinas magnéticas mutuamente·autoapoyadas formadas por anillos contorsionados apilados autoapoyados todo ello para conseguir un stellarator sencillo, de bajo coste, alta potencia y rápido mantenimiento.

Description

REACTOR TERMONUCLEAR STELLARATOR MULTICÁMARA VERTICAL

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un reactor de fusión termonuclear de tipo stellarator modular de aplicación en la producción de cantidades ingentes de energía sin producción de C02 y por medio de combustible casi ilimitado, siendo los stellarators uno de los más prometedores dispositivos utilizados en experimentación y futura producción energética por medio de fusión termonuclear por confinamiento magnético. La presente invención está caracterizada por disponer de sólo dos cámaras concéntricas en posición vertical y ninguna otra estructura interior esencial ni mantos reproductores individuales para conseguir simplicidad y rápido mantenimiento, por un alto campo magnético y alta densidad de potencia, bobinas superconductoras apoyadas sobre sí mismas, pared líquida expuesta al plasma, por una cavidad central llena de mezcla de litio líquido y un compuesto de alto aislamiento neutrónico de forma que la cavidad actúa simultáneamente como aislamiento neutrónico, refrigerante y reproductor de tritio, y finalmente bombas de vacío de difusión de litio con función de divertor, configurado en una estructura geométrica que recuerda a dos vasijas de reactor de fisión paralelas. Todo ello especialmente conjuntado y estructurado generando un dispositivo con unas propiedades excepcionales que contribuirá a una relativamente rápida y sencilla puesta en producción competitiva de los reactores de fusión termonuclear.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El primer dispositivo de fusión de tipo stellarator fue construido en 1951 y desde entonces la investigación y desarrollo en stellarators ha producido importantes avances.

Existen otros tipos de dispositivos de fusión magnética aparte de los

stellarators siendo los más prometedores para producción competitiva de

energía eléctrica a medio plazo: i) tokamaks convencionales (tipo !TER)

funcionando en régimen pulsado, ii) tokamaks esféricos funcionando en

5

régimen continuo, y iii) 'Field Reversed Configuration' (FRC). Cada dispositivo

posee ciertas ventajas e inconvenientes pero el stellarator creado en la

presente invención posee notables ventajas respecto los anteriores

dispositivos, ventajas que finalmente se traducen en un menor coste de la

electricidad producida y un menor periodo de amortización de la instalación.

lO

En concreto los tokamaks tipo i), sin considerar hipotéticos regímenes

avanzados, adolecen de funcionamiento en régimen pulsado con producción

de energía durante parte del tiempo solamente, requiriendo almacenamiento

de energía o generadores y turbinas muy sobredimensionados y elementos

15

más robustos para resistencia a la fatiga. Además, una densidad de plasma

relativamente baja debida principalmente al límite de Greenwald dificulta una

alta densidad de potencia y un tamaño de reactor pequeño, incrementando el

coste del edificio de contención del reactor y del reactor mismo.

20

Los tokamaks tipo ii) requieren de una cierta fracción de 'current drive'

(generación de corriente) en la corriente del plasma que, aunque pequeña

(10% a 30%), conlleva una alta recirculación de potencia en la instalación,

implicando un gran sobredimensionamiento y coste de los generadores,

turbinas y el tokamak en si mismo. La eficiencia y factibilidad del 'current

25

drive' en régimen continuo por medio de NBis ('Neutral Beam Inyection') está

lejos de conseguirse y es de dudosa aplicación industrial competitiva. Además

la utilización de un poste central de cobre para reducir al máximo la razón de

aspecto del tokamak implica una adicional recirculación de potencia de unos

300MWe y además imposibilita altos campos magnéticos. No existe todavía

30

una solución que integre y evite todas las desventajas.

Asimismo los dos tipos de reactores tokamak i) y ii) poseen un coste

extra adicional del núcleo del reactor estimado en un 50% o 100% respecto

los stellarators debido a la resistencia suplementaria de todos los elementos

35

para soportar las grandes cargas magnéticas debidas a las disrupciones, que

son colapsos bruscos de millones de amperios de la corriente del plasma.

iii) Los FRCs son muy prometedores pero aún requieren de un 'current drive' eficiente y la mejora de algunos otros aspectos. En la actualidad el 'current drive' necesario los hace económicamente inviables salvo que se descubra algún innovador método.

La fusión termonuclear magnética tradicional aún no ha generado significativo interés en la industria debido fundamentalmente al gran tamaño y complejidad de los dispositivos, implicando instalaciones nucleares de gran tamaño, alto coste constructivo, gravoso mantenimiento y dudas respecto la viabilidad técnico-económica. Ya en la actualidad el coste de los edificios y el equipo de un reactor de fisión representa alrededor del 50% del coste de la planta como consecuencia del valor de los materiales (hormigón, acero, forja, etc) y la construcción especial requerida para sistemas nucleares. El objetivo en fusión magnética debe ser la obtención de energía competitiva para lo cual debe encontrarse aquel reactor de fusión que consiga producir mucha más potencia que una planta de fisión actual con el mismo coste constructivo, de mantenimiento y operativo.

Tal reactor se crea en la presente invención, caracterizado por una extrema simplicidad y unas mínimas funcionalidades suficientes para conseguir un reactor de tipo stellarator de coste competitivo, alta disponibilidad, mantenimiento rápido y eficaz, y producción de potencia eléctrica varias veces superior que una planta de fisión de similar tamaño. Además por tratarse de un stellarator posee todas las ventajas de los stellarators: muy baja potencia recirculada, ausencia de disrupciones, régimen permanente, alta densidad del plasma y de potencia y relativamente baja temperatura del plasma.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El reactor termonuclear stellarator multicámara vertical está constituido por cuatro elementos esenciales : la vasija, la cámara pared recubierta, las pilas de bobinas y el divertor de difusión de litio.

El reactor está estructurado a partir de una vasija vertical toroidal en forma de pista de atletismo situada en posición vertical en cuyo

interior se dispone de una cámara, la cámara pared recubierta, con forma

similar a la vasija, y en su exterior se disponen las pilas de bobinas

magnéticas. La vasija está formada por cuatro tramos principales, dos

vasijas del reactor situadas en posición notablemente vertical unidas por

5

dos tramos curvos denominados la tapa de vasija y base de vasija. En el

interior de la vasija se sitúa la cámara pared recubierta, denominada en

ocasiones simplemente cámara, con forma y número de tramos similar a

la vasija y separada de ella cierta distancia para aislamiento neutrónico,

de tal manera que se define una cavidad, la cavidad aislante

lO

reproductora, por donde circula verticalmente una mezcla de litio líquido

y un compuesto aislante neutrónico. La cámara está dotada de medios

para hacer fluir litio líquido desde la cavidad hasta la superficie del

interior de la cámara, volumen en donde se encuentra el plasma,

quedando tal cara de la cámara completamente recubierta de litio líquido

15

fluyente. La cámara está equipada en su superficie interior de una serie

de divertores cada uno formado por varios canales contiguos

longitudinales que siguen las islas magnéticas del plasma, constituyendo

cada canal una bomba longitudinal de difusión de litio. La vasija se

encuentra rodeada por pilas de bobinas formadas por anillos de bobinas

20

magnéticas modulares apiladas, unidadas y apoyadas entre sí.

En concreto la vasija posee forma aproximada de pista de atletismo

situada en posición vertical, constituida por una sección transversal del

tubo del toroide variable en tamaño y forma según el particular diseño de

25

confinamiento del stellarator, pero preferentemente sin formas

excesivamente contorsionadas para poder extraer las bobinas y la

cámara, de tal manera que la vasija se encuentra dividida en 8

segmentos unidos por sus extremos por medio de bridas herméticas

formando una vasija continua. Dos segmentos de vasija rectilíneos

30

inferiores se sitúan en vertical sobre dos segmentos de vasija base unidos

formando una 'u' situada en un plano vertical. Sobre cada uno de los

segmentos de vasija rectilíneos inferiores se sitúan dos segmentos de

vasija rectilíneos superiores. Finalmente la vasija es cerrada y

completada por medio de la tapa de vasija compuesta por dos segmentos

35

de vasija cumbre unidos en forma de ene 'n' situada también en un plano

vertical.

La cámara pared recubierta o cámara, términos contraídos de otro

más completo tal como 'cámara primera pared (First Wall) recubierta', es

soportada por la vasija por medio de soportes flexibles apoyados sobre la

vasija, y posee la misma forma y se encuentra dividida en el mismo número y tipo de segmentos que tal vasija. El espacio creado entre la vasija y la cámara pared recubierta es la cavidad aislante reproductora y está rellena de una mezcla de litio líquido y un compuesto buen aislante neutrónico, reproductor de tritio, y compatible con el plasma, tal como preferentemente el deuteruro de litio (LiD), Flibe (mezcla de UF y BeF2), otras sales u otros materiales con propiedades similares, en forma de disolución, partículas en suspensión o fundido. La proporción de mezcla entre litio y el compuesto aislante neutrónico puede ser variable dependiendo de las condiciones de funcionamiento del reactor, pudiendo poseer gran proporción de litio o gran proporción de compuesto aislante neutrónico.

La cámara pared recubierta se encarga de suministrar litio, LiD, u otra mezcla alrededor del plasma, de soportar y/o permitir el deslizamiento (según la posición de la pared) de una capa de líquido lo más gruesa posible, de sostener el divertor de difusión de litio y soportar la presión del líquido situado en la cavidad aislante reproductora. Debido a la alta radiación neutrónica recibida por la cámara pared recubierta como consecuencia de la alta densidad de potencia necesaria para un reactor competitivo, cada uno de los segmentos de la cámara pared recubierta puede ser sustituido de forma rápida, siendo fácilmente accesible tras abrir la tapa de vasija por medio de una grúa polar nuclear convencional de gran tonelaje. La cámara pared recubierta está formada esencialmente por un sólo material fundible y que no es corroído por la mezcla líquida, entre los que se puede citar el vanadio y el acero de baja activación, y está dotada de nervios longitudinales que actúan simultáneamente como refuerzo y como aletas refrigeradoras. La vida de la cámara, supuesta recubierta por sólo unos pocos centímetros de litio/sal y para potencias neutrónicas de entre 10MW/m2 a 30MW/m2 para obtener reactores pequeños y competitivos, será de entre un año y 4 meses, aunque materiales de mayor resistencia neutrónica se encontrarán en un futuro. La sustitución de la cámara durará sólo 15 días

o un mes máximo ya que la cámara es extraordinariamente simple, de fácil desmontaje en sentido vertical y formada por sólo 8 segmentos, varios de los cuales pueden desmontarse y sustituirse en paralelo para una mayor rapidez en el mantenimiento.

La vasija posee una amplia entrada de líquido Li/sal por el punto más superior y una salida por la parte inferior. Así mismo la tapa de vasija está dotada de una ventana transparente retraible situada en un plano horizontal y encargada de permitir la inyección de calentamiento ECRH para el arranque del reactor cuando la ventana se encuentra en posición inferior. Una vez arrancado el reactor la ventana retraible se retira verticalmente hacia el interior por medio de un fuelle metálico y se posiciona en el interior de la cavidad aislante reproductora para protegerse de la radiación y del plasma y posibilitar simultáneamente un óptimo aislamiento neutrónico.

La cámara pared recubierta comunica con la cavidad aislante reproductora a través de una serie de boquillas calibradas, fijas o regulables, para el suministro continuo y uniforme de la mezcla líquida sobre la primera pared del reactor. La presente disposición de materiales y estructuras es única para simplificar en uno o dos órdenes de magnitud la complejidad de los presentes diseños de mantos reproductores que en su mayoría no generarán un reactor competitivo. En los escasos tramos de cámara pared recubierta en los que el líquido debe circular en posición invertida se establecen las corrientes eléctricas y las esponjas capilares necesarias para mantenerlo en posición invertida.

Todo el conjunto de la vasija junto con la cámara pared recubierta se encuentra siempre a una temperatura de alrededor de 200°C o mayor, incluso durante los periodos de mantenimiento y apertura de la vasija, de tal manera que las herramientas y manipuladores remotos deben soportar tal temperatura. Gas inerte caliente y calentadores puntuales se encargan de calentar lentamente las estructuras durante el arranque inicial de la instalación y durante las paradas del reactor. La mezcla líquida se removerá del sistema antes de su solidificación para evitar tensiones térmicas.

La temperatura interior de la cavidad aislante reproductora puede elevarse hasta varios cientos de grados (gt;rv600°C) si se utilizan paredes formadas por metales refractarios tales como el vanadio o el molibdeno, con el objetivo de hacer fluir también a las sales en estado líquido, lo cual disminuye la erosión de la vasija y cámara y permite una mezcla perfecta en estado líquido del litio y el LiD o sal. La mezcla líquida es extraída desde el interior de la cámara pared recubierta antes de cada cambio de tal cámara.

En el caso de utilizar una temperatura inferior a unos 6QQOC en el sistema, algo recomendable para los primeros reactores, la sal se encuentra como disolución o partículas en suspensión en el litio.

En el caso de utilizar una baja concentración de LiD o sal en el litio líquido se conseguirá un bajo aislamiento neutrónico y entonces una serie de varillas metálicas verticales de diámetro pequeño rellenas de LiD, TiD2, Flibe, u otro material de alto aislamiento neutrónico, reproductor de tritio y de reacción no explosiva con litio líquido, se sitúan ligeramente separadas y radialmente alrededor de la parte más exterior de la cavidad aislante reproductora para incrementar el aislamiento del litio líquido casi puro que rellenaría la cavidad aislante reproductora y simultáneamente permitir la refrigeración de las varillas gracias al flujo general de líquido en el interior de la cavidad aislante reproductora. Merced a la zona aislante de litio situado delante de las varillas, su sustitución, incluso en un reactor de altísima densidad de potencia, sería necesaria sólo cada uno a 15 años dependiendo de la potencia y la proporción de sal aislante mezclada con el litio. El material aislante del interior de las varillas es reutilizado en las nuevas varillas.

El divertor de difusión de litio está constituido por canales contiguos de profundidad similar a su amplitud que siguen las islas magnéticas del plasma sobre la cámara pared recubierta, canales contiguos que no dejan hueco entre ellos y cuyas paredes son perpendiculares a la última superficie magnética del plasma, de forma que cada canal dispone de una superficie inyectora de litio situada en centro del canal y paralela a sus paredes que sobresale ligeramente del borde del canal. A lo largo de la superficie inyectora de litio se sitúan multitud de inyectores de litio vaporizado formando varios chorros supersónicos en forma de abanico dirigido hacia las paredes del canal, todo ello configurado de tal manera que el vapor de litio condensa sobre las paredes del canal actuando de forma similar a una bomba de vacío de difusión de aceite o mercurio, abanico que baña los extremos de las paredes del canal y la superficie inyectora de litio con el fin de suministrar una capa fina continua y permanente de litio sobre cualquier superficie del divertor de difusión de litio para protegerlo del plasma. A través del extremo superior de la superficie inyectora de litio se crea una pequeña salida de vapor que se encarga de bañar el borde longitudinal y evita su erosión y calentamiento excesivo. Alternativamente los canales pueden reemplazarse por prismas de base hexagonal que siguen también las islas

magnéticas del plasma. En este caso los abanicos de litio vaporizado

serán cónicos en vez de longitudinales.

El fondo de cada canal dispone de medios para la aspiración a

vacío medio y medios para evitar la introducción de litio líquido en el

5

interior de los conductos de aspiración. Los tubos de aspiración de cada

divertor se unen entre sí para formar un sólo tubo de aspiración general

que se conecta por bridas y sale al exterior del reactor. Los segmentos

curvos de la cámara pared recubierta carecen de divertores o disponen de

divertores menores simplificados. El tubo de aspiración general posee una

lO

sección transversal alrededor de dos órdenes de magnitud inferior a la

sección necesaria en el caso de utilizar bombas criogénicas, lo cual

conlleva la inexistencia de problemas de fugas neutrónicas a lo largo de

los amplios conductos para las bombas criogénicas, ausencia de

problemas de calentamiento neutrónico de las bombas criogénicas, no

15

necesidad de aislantes neutrónicos ni pantallas de nitrógeno líquido para

las bombas criogénicas, ni reducción de conductancia debido a los

conductos, aislantes y pantallas. La complejidad de los actuales divertores

tanto en tokamaks como aún más en stellarators es así evitada en gran

medida.

20

Cada pila de bobinas es una estructura formada por una serie

apilada de anillos de bobinas modulares superconductoras formadas

preferentemente por superconductor de alta temperatura (HTS) y alto

campo, en particular YBCO (YBa2CU307-x) o cualquier otro futuro

25

superconductor de prestaciones superiores. Cada anillo de bobina, cuya

forma no es necesariamente coplanar ni circular sino de la forma

necesaria en stellarators modulares para un suficiente confinamiento del

plasma, está formado por una material conformable por medio de una

impresora 30 de grandes dimensiones para lograr de forma precisa la

30

forma tridimensional compleja. El material utilizado puede ser hormigón

de baja activación reforzado con malla metálica, escayola de alta

resistencia reforzada con fibra, resinas, o fundición de acero, bronce,

cobre o latón en molde generado por impresión 30 o por cualquiera de los

sistemas modernos de conformación tridimensional, o aquellos inventados

35

en el futuro para la generación de tales anillos de bobina. Los anillos de

bobina contiguos disponen de encajes de precisión generados por la

misma impresora 30 para conseguir un ensamblaje preciso. El

enfriamiento de todas las bobinas superconductoras y anillos de bobina se

realiza de forma lenta y simultánea para todos los anillos, de forma que

no aparezcan tensiones térmicas excesivas. Entre las bobinas y la vasija existe una separación evacuada a un vacío medio y aislantes térmicos para conseguir una temperatura adecuada en los superconductores de alta temperatura que en el momento actual es de unos 4-lOK para YBCO si el campo magnético a conseguir es elevado, del orden de 20-30 Teslas en el superconductor. Las dos pilas de bobinas verticales contactan entre sí en el plano vertical central de la vasija, de tal manera que las elevadísimas fuerzas magnéticas centradoras a que se ven sometidos los anillos de bobinas se contrarrestan por apoyo mutuo de las dos pilas de bobinas. El mismo principio se utiliza para las pilas de bobinas de la tapa y base de vasija, que apoyan mutuamente sobre las pilas de bobinas verticales. Otras fuerzas surgidas entre anillos de bobinas se soportan por contacto directo entre los diferentes anillos de bobina apilados y por las fijaciones entre anillos de una misma pila.

La vasija apoya sobre el suelo por medio de una columna adosada a la base de vasija para evitar deslizamientos y esfuerzos debidos a los cambios de temperatura. La pila de bobinas de la base de vasija se apoya sobre el suelo sobre patas aisladas de baja conducción térmica situadas sobre rodamientos lineales de rodillos para evitar tensiones térmicas, mientras que el resto de pilas de bobinas apoyan sobre la pila de bobinas base. La pila de bobinas de la tapa de vasija dispone de un orificio vertical pequeño para que haces ECRH quasi-ópticos no paralelos enfocados puedan atravesar las bobinas para producir la ignición inicial del reactor.

Cada pila de bobinas forma una estructura rígida que sólo será desmontada en caso improbable de fallo de alguna bobina superconductora.

El montaje y diseño de la tapa de vasija y el tramo de cámara de la tapa de vasija es diferente al resto de tramos por cuanto deben encajar satisfactoriamente durante el cierre final de la vasija. Se dispone por tanto de medios para un movimiento vertical relativo entre la cámara de la tapa de vasija y la tapa de vasija, de tal manera que primero unas guías permiten un fácil acoplamiento entre segmentos de cámara y posteriormente se pueden conectar las bridas de la cámara mientras aún no se ha cerrado totalmente la vasija. No es totalmente necesaria una hermeticidad perfecta entre la cavidad aislante reproductora y el interior de la cámara de vacío por cuanto se necesita cierto flujo de U/sal desde el interior de la cavidad aislante reproductora hasta el interior de la cámara a través de las boquillas calibradas. Tras el acople y cierre de la cámara se continúa con el descenso de la tapa de vasija hasta que, gracias a guías y topes, los dos pares de bridas encajan. Finalmente se procede al atornillado y comprobación de la hermeticidad de la vasija.

La apertura de la tapa de vasija sólo se lleva a cabo cuando es necesaria la sustitución de la cámara pared recubierta debido a daño neutrónico. Dependiendo de la densidad de potencia de fusión y del espesor de la capa de litio protectora la vida útil de la cámara pared recubierta será de un mínimo de 4 meses hasta varios años. El dispositivo así constituido permite realizar la operación de sustitución de la cámara en menos de un mes, requisito esencial para cualquier dispositivo de fusión de alta densidad de potencia que utilice fu el D-T.

Adicionalmente se establece en el interior del edificio de contención del reactor una zona para el recocido, refundición y purificación de la cámara pared recubierta con el fin de reducir entre 50 y 150 veces los residuos activados acumulados al final de la vida útil del reactor, exceptuando la vasija y las pilas de bobinas. Como consecuencia, los ya reducidos residuos activados en la presente invención, debido al pequeño tamaño del reactor y a la no existencia de mantos reproductores, se reducen a cientos de veces menos que la cantidad en los diseños actuales de reactor. Ello es una ventaja competitiva esencial para la presente invención.

Debido a que uno de los problemas principales en el desarrollo de la fusión comercial es el alto coste del primer reactor y las dudas respecto su viabilidad, se define a continuación un método para el fácil desarrollo de la presente invención, desde un coste bajo y no producción de energía neta hasta la producción de varios GW por reactor. El tamaño de cada dispositivo es orientativo y variará según los resultados logrados en las fases anteriores. Las fases de desarrollo especialmente adecuadas para la presente invención son :

1) Stellarator de altura total rv2m y R(radio mayor)rvQ. 7m, anillos de bobina de cobre funcionando como bobina monoespira con posibilidad de añadir bobinado interno de HTS y criogenia. Todo ello con el fin de

medir la calidad del campo magnético confinante por mapeado por cañón

de electrones.

2) El mismo stellarator anterior ahora refrigerado a 30K para

producir pulsos de Botv2QT y O.ls de duración, y 0.3MW de energía de

5

fusión para D-T con potencia auxiliar de calentamiento de 2.5MW.

3) Stellarator de altura total quot;'Sm y Rtv1.8m, anillos de bobina de

cobre funcionando como bobina monoespira con posibilidad de añadir

bobinado interno de HTS y criogenia, alimentado por fuente eléctrica

pulsante de medio segundo de duración, refrigerado a 30K para producir

lO

unos pocos pulsos diarios o semanales a Botv2QT y 40MW de fusión D-T

con potencia auxiliar pulsante de 10MW o menor. En esta fase se

conseguirá Qtv4 pulsante, valor pretendido en ITER, tokamak de coste y

tamaño enormemente mayor.

4) El mismo stellarator anterior ahora refrigerado a 4K con

15

bobinado superconductor de YBCO de alta calidad y gran espesor de capa

superconductora, Boquot;'20T, 40MW de fusión D-T con potencia auxiliar de

10MW o menor, en régimen permanente, mezcla de litio circulando, todo

ello con el fin de producir isótopos radiactivos médicos e industriales, test

de materiales bajo radiación neutrónica a quot;'2MW/m2 y permitir desarrollo

20

y mayor innovación en el presente stellarator. En esta fase se conseguirá

Qtv4 en régimen permanente.

5) Reactor stellarator para producción de energía eléctrica de

altura total tv12m y Rtv4m, pilas de bobinas de YBCO a 4K, Botv15T,

producción de tv3GWe por fusión D-T funcionando en régimen

25

permanente en ignición. Éste es un reactor de tamaño algo menor que

dos vasijas de reactor de fisión PWR.

En un futuro más lejano, reactor para producción de hidrógeno,

alcoholes, hidrocarburos sintéticos y energía eléctrica de altura total

tv25m y Rtv7m, pilas de bobinas de YBCO a 4K, Botv15T, y producción de

30

tv45GW térmicos y quot;'15GWe por fusión D-T funcionando en ignición. Éste

es un reactor de tamaño similar a dos vasijas de reactor de fisión BWR

situadas en un único edificio de contención pero produciendo unas 5-7

veces más potencia que ellos.

35

Para mejor entendimiento de la descripción anterior cabe comentar

ciertos aspectos científico-técnicos generales que pueden ayudar a

comprender la magnitud y relevancia de la invención. Entre ellos el tipo

de configuración magnética, la primera pared de metal líquido, materiales

generadores de tritio y apantallamiento neutrónico, y activación de

ciertos elementos químicos.

El tipo de configuración magnética más adecuada para el presente

5

reactor es de dos periodos generados preferentemente por bobinas

modulares. En particular, una configuración magnética de tipo espejos

acoplados estilo Helias de dos periodos o del tipo Quasi Poloidal

Stellarator (QPS) modificado sería coherente con la particular estructura

geométrica de la presente invención. Los espejos acoplados Helias

lO

dotados de un alto nivel de espejo reducirían además la densidad de

partículas en la tapa y base de vasija reduciendo la densidad de potencia

en tales zonas y con ello disminuyendo los requerimientos en las zonas

curvas, geométricamente más dificultosas. Además es conveniente una

forma poco contorsionada de las bobinas y cámara de vacío para poder

15

extraer las bobinas y la cámara. Como consecuencia resultará una calidad

de confinamiento del plasma situada en un punto medio entre un

torsatrón optimizado y un stellarator modular de alta optimización, todo

ello para permitir el cambio de los anillos de bobinas superconductoras en

caso de improbable avería sin tener que cortar la cámara de vacío, tal

20

como ocurre en prácticamente todos los diseños actuales de reactor, algo

que no es industrialmente viable y conlleva un gran incremento del coste

de las bobinas debido a un requerimiento de fiabilidad prácticamente

absoluto.

El muy alto campo magnético es generado preferentemente por

25

superconductores de alta temperatura, especialmente YBCO o un futuro

HTS superior al YBCO. El precio del superconductor YBCO se está

reduciendo y su bajo precio futuro dependerá más de la alta demanda

que del coste de los elementos químicos involucrados. En la actualidad la

mayor parte del coste del stellarator de alto campo descrito recaerá en el

30

coste del superconductor.

Todos los sistemas de reactor estudiados en el pasado que utilizan

solamente litio líquido como primera pared, y en particular la presente

invención utilizando Li/LiD/sal, poseen innumerables ventajas. Entre ellos

35

la no generación de múltiples isótopos radiactivos en la primera pared y

manto reproductor que requieren de separación y almacenamiento de

larga duración, la no generación de polvos radiactivos movilizables y su

efecto sobre la seguridad del público ante accidente, la mejora del

confinamiento del plasma, la inexistencia de reacciones químicas entre

materiales debido a la inexistencia de varios materiales, la inexistencia de deposición, movilidad y desconchamiento de materiales vaporizados sobre diversos materiales y zonas de la primera pared, la altísima velocidad de extracción de calor debido a la no existencia de primera pared sólida refrigerada y finalmente la existencia de una sola impureza en el plasma de bajo número atómico que evita pérdidas por radiación en el plasma.

Existen multitud de compuestos de litio capaces de generación de tritio: LiPb, LiSn, Flibe, Li20, óxidos ternarios de litio, Li, etc. Pero ninguno de ellos posee simultáneamente las propiedades: alto aislamiento neutrónico, generación de suficiente tritio, no generación de isótopos radiactivos (excepto tritio), no reacción con litio líquido, baja corrosión de elementos estructurales, punto de fusión relativamente bajo, bajo número atómico, compatible con el plasma y ligero. Sin embargo el LiD es un material que logra un balance óptimo de tales características, especialmente un aislamiento neutrónico elevado de alrededor de 1000 veces para una pared de 70cm. Una mezcla Li/Fiibe posee propidades similares al LiD excepto por la generación de C14 y BelO. Li20 posee pobre aislamiento neutrónico y alto punto de fusión. LiPb y LiSn generan muchos diferentes isótopos radiactivos de larga vida y el aislamiento es moderado. Preferentemente LiD y en segunda instancia Flibe u otras sales similares son los compuestos preferentes para ser mezclados con el litio líquido en la presente invención.

Algunos reactores de fusión pretenden utilizar materiales estructurales de baja activación que contienen Be, C, O, pero producen en pequeñas cantidades el radiactivo BelO y C14 que permanecen activados millones y miles de años respectivamente. Además el silicio, por ejemplo en el SiC, produce Al24 que también permanece millones de años activado. Sólo el vanadio con bajas impurezas y los aceros de baja activación pueden ser reciclados en un plazo de cientos de años, aunque a corto plazo se activan más y generan mayor calor y dificultades ante un LOCA ('Loss-of-coolant Accident'). El acero y el vanadio de baja activación son los materiales preferidos para la realización de la presente invención debido a la posibilidad de reutilización por refundición, a su compatibilidad con litio líquido y la muy baja activación al cabo de más de cien años. El espesor de la cámara pared recubierta es muy fino para reducir los residuos activados y el peso y ello es posible debido a que un stellarator, y no un tokamak, permite la utilización de

una cámara pared recubierta de bajo espesor y rigidez debido a la ausencia de disrupciones.

5

La particular disposición geométrica del stellarator descrito permite un mantenimiento vertical por medio de grúas convencionales de gran tonelaje comunes en los reactores de fisión lo cual conlleva una alta disponibilidad del reactor utilizando medios de manipulación remota económicos, sencillos y fiables.

lO

Las bombas de difusión de litio fácilmente extraíbles internas a la cámara de vacío proporcionan el resto de las ventajas competitivas de la presente invención.

15 20

La fabricación del stellarator aquí descrito puede realizarse por cualquiera de los métodos utilizados tradicionalmente, tales como moldes, mecanizado, fundición, etc. Sin embargo, la relativamente compleja forma de los anillos de bobina hace que los procedimientos modernos de conformación tridimensional por medio de la adición o corte de sucesivas capas de material sea el método más adecuado para la construcción de las bobinas.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

25 30

La descripción del dispositivo efectuada en el punto anterior está complementada con una serie de dibujos que destacan los aspectos y puntos más característicos del invento, dibujos que son ilustrativos y se recogen al final como parte integrante de la propia memoria descriptiva. Estos dibujos contribuyen a una mejor comprensión del alcance de la invención, a la vez que sirve como punto de referencia para comprender exactamente el reactor termonuclear stellarator multicámara vertical. Con este fin los dibujos que se acompañan representan:

35

Figura 1. la) Muestra esquemáticamente una vista en perspectiva reactor junto con el edificio de contención en corte. lb) Muestra de forma esquemática una vista en planta reactor y del edificio de contención. del del

Figura 2.

2a)

Muestra una vista en alzado del reactor stellarator

completo. La vasija, oculta, aparece marcada en trazos.

5

2b) Muestra, también esquemáticamente, una vista en

perspectiva del reactor stellarator con

la tapa de vasija abierta

y ciertos anillos de bobina eliminados para mejor visualización

del conjunto.

lO

Figura 3.

Muestra

esquemáticamente un segmento de vasija rectilíneo

superior

en corte parcial, la cámara pared recubierta y los

elementos conexos.

15

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A

la vista de las comentadas figuras puede observarse cómo el

reactor

stellarator ( 1) se encuentra situado en posición vertical en el

20

interior de un edificio de contención (2) equipado con una grúa polar (3)

de gran tonelaje. El

reactor stellarator (1) se localiza en el interior de un

recinto de vacío medio (4) necesario para las bobinas superconductoras y

para

incremento de la seguridad y apantallamiento neutrónico. Varias

zonas

y elementos complementan el edificio de contención (2): Área de

25

mantenimiento (S) y refundición de componentes, foso subterráneo de

almacenaje temporal

(6) de componentes activados, conducto vertical

subterráneo

(7) de transferencia de componentes con el exterior, e

intercambiadores de calor (8).

30

La vasija (9) posee forma de pista de atletismo y se compone de 8

segmentos

de vasija: dos segmentos de vasija cumbre (10), dos

segmentos de vasija rectilíneos (11), inferiores (11') y superiores (11quot;),

y dos segmentos de vasija base (12).

La cámara pared recubierta (13)

posee forma similar a la vasija (9), está dividida en el mismo número de

35

segmentos y se sitúa en el interior de la vasija (9) creando la cavidad

aislante reproductora (14) que contiene litio líquido mezclado

con LiD o

material de adecuadas propiedades. La cámara pared recubierta (13)

dispone de multitud de boquillas calibradas (15) para proporcionar U/sal que desliza sobre la cámara pared recubierta y cae hacia abajo por gravedad de forma que la primera pared se encuentra recubierta de metal líquido. La cámara pared recubierta (13) posee una estructura geométrica sencilla para poder ser sustituida y sus materiales ser reutilizados en una nueva cámara pared recubierta (13) tras proceder a su recocido y/o fundición y mecanizado en la misma planta productora. Cada brida (16) de la cámara pared recubierta posee medios (17) para el fácil y preciso anclaje y fijación de ambas partes de cámara y de un encaje circular (19) no necesariamente hermético debido a que un pequeño flujo de U/sal desde el interior de la cavidad aislante reproductora es beneficioso. La cámara pared recubierta ( 13) está dotada de nervios longitudinales (20) que actúan como aletas refrigeradoras y refuerzo de la cámara. Tras la apertura de la tapa de vasija (21) el hueco proporcionado por la cavidad aislante reproductora (14) permite la extracción de todos los segmentos de cámara pared recubierta (13) sin desmontar ningún otro elemento.

La tapa de vasija (21) está dotada de dos amplios conductos (22) en su punto superior y un conducto de salida (23) en la base de vasija por donde circula la mezcla de U/sal. La amplitud de la cavidad aislante reproductora hace que la velocidad del metal líquido sea baja y no provoque caída de presión excesiva debido al flujo del metal en un campo magnético. Adicionalmente la tapa de vasija (21) dispone de una penetración vertical cónica (24) con el fin de que haces ECRH enfocados quasi-ópticos penetren por una ventana retraible (25) horizontal hasta el interior del plasma durante el arranque del reactor sin que el orificio vertical cónico (24) reduzca significativamente el espacio para las bobinas superconductoras.

Los divertores de difusión de litio (26) son estructuras con función de divertor soportadas en la cara interna de la cámara pared recubierta

(13) en los lugares donde existen islas magnéticas y se requiere un divertor. Cada divertor de difusión de litio (26) está estructurado a partir de varios canales contiguos de profundidad similar a su amplitud y cuyas paredes son perpendiculares a la última superficie magnética del plasma. En el centro de cada canal y longitudinalmente existe una superficie inyectora (27) de vapor de litio que sobresale ligeramente del canal dotada longitudinalmente y hacia el fondo del canal de multitud de orificios inclinados por donde surge un abanico de vapor de litio (28) a presión para realizar función de aspiración por choque molecular. El vapor condensa sobre cualquier superficie que forma el divertor de difusión de litio {26) para realizar función de aspiración y para protegerlo del plasma. El vapor condensado fluye y se mezcla con el flujo principal de U/sal sobre la primera pared. Un tubo de aspiración general (29) de vacío medio aspira las bombas de difusión de litio creadas.

Una serie de varillas metálicas (30) de diametro pequeño y rellenas de LiD, TiH2, TiD2, Flibe u otro material de alto aislamiento neutrónico y no muy reactivo con litio líquido, se sitúan ligeramente separadas y radialmente alrededor de la cavidad aislante reproductora (14) para incrementar el aislamiento de la mezcla líquida permitiendo simultáneamente la refrigeración de las varillas metálicas (30).

El mantenimiento del sistema se realiza por medio de la elevación de la tapa del reactor (31) compuesta por la tapa de vasija (21), la cámara pared recubierta (13) y la pila de bobinas de la tapa de vasija (32).

Cada pila de bobinas (33) es una estructura formada por una serie apilada de anillos de bobinas (34) en forma anular contorsionada que rodean la vasija (9) y que encajan y se fijan unas a otras formando cuatro pilas de bobinas (33) robustas e independientes, la pila de bobinas de la tapa de vasija (32), dos pilas verticales y la pila de la base de vasija. Cada anillo de bobina (34) dispone de una bobina superconductora en su interior y se apoya sobre los otros anillos de bobinas (34) para soportar las grandes fuerzas magnéticas que se generan.

Adicionalmente se dispone de elementos complementarios para hacer funcionar correctamente la planta productora de energía eléctrica tales como sistemas de calentamiento para ignición del reactor, sistema criogénico, sistema de vacío, sistemas de refrigeración e intercambiadores de calor, turbinas y generadores eléctricos y sistema de control.

No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier experto en la materia comprenda el alcance de la invención y las ventajas que de la misma se derivan.

5 Los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos serán susceptibles de variación siempre y cuando ello no suponga una alteración en la esencialidad del invento.

Los términos en que se ha redactado esta memoria deberán ser 10 tomados siempre en sentido amplio y no limitativo.

Claims (1)

1. 1a .-Reactor termonuclear stellarator multicámara vertical del tipo

   de los stellarators modulares dotados de manto reproductor y divertores

   5

   caracterizado por estar constituido por una vasija toroidal en forma de

   pista de atletismo situada en posición vertical en cuyo interior se dispone

   de una cámara, cámara pared recubierta, con forma similar a la vasija y

   en su exterior pilas de bobinas magnéticas modulares, vasija formada por

   dos vasijas del reactor cuasi-cilíndricas cuasi-paralelas situadas en

   lO

   posición notablemente vertical, y unidas por dos tramos curvos que

   constituyen la tapa de vasija, removible verticalmente para rápida

   sustitución de la cámara, y la base de vasija fija, vasija que contiene en

   su interior la cámara pared recubierta con forma y número de tramos

   similar a la vasija y separada de ella cierta distancia de aislamiento,

   15

   vasija y cámara que definen una cavidad aislante reproductora por donde

   circula verticalmente una mezcla de litio líquido y un compuesto aislante

   neutrónico, cámara dotada de medios para hacer fluir litio líquido desde la

   cavidad hasta el interior de la cámara, quedando ésta completamente

   recubierta de litio líquido fluyente, y equipada en su superficie interior de

   20

   una serie de divertores cada uno formado por varios canales contiguos

   longitudinales que siguen las islas magnéticas del plasma, constituyendo

   cada canal una bomba longitudinal de difusión de litio, vasija rodeada por

   pilas de bobinas magnéticas modulares no excesivamente contorsionadas

   para poder ser sustituidas, compuesta cada pila por una serie de módulos

   25

   anulares macizos contiguos y autoapoyados, de tal manera que las pilas

   de bobinas verticales y las pilas de bobinas curvas también se autoapoyan

   entre sí en la zona central del toroide formando una estructura unitaria

   robusta y precisa.

   30

   2a.-Reactor termonuclear stellarator multicámara vertical según

   reivindicación 1a, caracterizado por disponer de dos vasijas del reactor

   cuasi-cilíndricas. de sección no necesariamente circular, situadas en

   posición aproximadamente vertical y simétricamente sobre dos planos

   paralelos verticales cercanos, vasijas del reactor que se unen entre sí por

   35

   su parte inferior y superior por medio de dos tramos de vasija curvos de

   sección variable, de tal manera que definen una vasija toroidal poco o

   nada contorsionada con forma aproximada de pista de atletismo

   aproximadamente situada sobre un plano vertical y compuesta por ocho

   segmentos, dos segmentos curvos forman la tapa de vasija, dos

   segmentos curvos la base de vasija y dos segmentos rectilíneos cada vasija del reactor, así configurado para permitir la rápida apertura vertical de la tapa del reactor, formada por la tapa de vasija, su tramo curvo de cámara y su pila curva de bobinas, todo ello así configurado para acceso vertical y rápida sustitución de la cámara que se degrada por radiación neutrónica, y adicionalmente permitir la sustitución de las bobinas magnéticas modulares en caso de fallo.

   3a.-Reactor termonuclear stellarator multicámara vertical según reivindicación 1a, caracterizado por disponer de una cámara pared recubierta con forma y número de segmentos similar a los de la vasija, situada en su interior y separada de ella cierta distancia para aislamiento neutrónico, vasija y cámara que forman una cavidad, cavidad aislante reproductora, por donde circula una mezcla de litio líquido, deuteruro de litio y otros medios aislantes neutrónicos químicamente inactivos con el litio y de baja activación, líquido simultáneamente refrigerante, aislante y reproductor de tritio que penetra por la tapa de vasija y se extrae por la base de vasija, cavidad dotada en su perímetro exterior de medios adicionales aislantes de neutrones de gran ratio superficie/Volumen y refrigerados por el mismo litio líquido, cámara dotada de aletas refrigeradoras por su cara de la cavidad y de boquillas calibradas fijas o regulables distribuidas sobre su superficie que comunican el interior de la cámara con la cavidad aislante reproductora, boquillas por donde fluye litio líquido que recubre el interior de la cámara y actúa como refrigerante y primera pared para el plasma.

   
   4a.-Reactor termonuclear stellarator multicámara vertical según reivindicación 1a, dotado de divertores caracterizados por estar conformados por varios canales contiguos longitudinales contorsionados que siguen las islas magnéticas del plasma del stellarator, canales cuyas paredes constituyen superficies longitudinales de condensación de chorros de vapor de litio a presión en forma de varios abanicos longitudinales que emanan desde una superficie inyectora de litio situada longitudinalmente paralela a las paredes y en el centro del canal y que sobresale ligeramente del borde del canal, generando aspiración a lo largo de las islas magnéticas por colisión de átomos de litio con las partículas del plasma, abanicos que adicionalmente bañan las paredes del canal, sus bordes superiores, la superficie inyectora y su borde longitudinal superior para protección contra el plasma y refrigeración, canales fácilmente sustituibles y situados principal o exclusivamente en las vasijas del reactor.

   sa.-

   Reactor termonuclear stellarator multicámara vertical según

   5

   reivindicación 1a, caracterizado por disponer de cuatro pilas de bobinas

   que rodean la vasija, dos verticales situadas alrededor de las vasijas del

   reactor,

   una pila curva alrededor de la tapa de vasija y otra curva

   alrededor

   de la base de vasija, pilas de forma no excesivamente

   contorsionada para poder sustituir las bobinas, y constituida cada pila de

   lO

   bobinas por una serie de anillos contorsionados que apoyan totalmente

   entre sí sin dejar hueco apreciable entre ellos salvo en la tapa y base de

   vasija por donde atraviesa el refrigerante y los haces de calentamiento de

   arranque

   del reactor, de tal manera que cada anillo contorsionado

   dispone

   de medios para el anclaje preciso y unión con los anillos

   15

   contiguos para formar la pila de bobinas, anillos contorsionados que

   disponen de

   surcos y cavidades interiores en donde se bobina el cable

   superconductor, de tal

   manera que las pilas de bobinas verticales y las

   pilas de bobinas curvas también se autoapoyan entre sí en la zona central

   del

   toroide formando una estructura unitaria robusta y precisa,

   20

   produciéndose la criorefrigeración de todo el conjunto a lenta velocidad

   para evitar tensiones térmicas y deformación de la precisa geometría de

   las bobinas.

   25