Sistema para frenado de neutrones y reproducción de tritio en plantas de fusión nuclear por confinamiento inercial

Resumen

Actualmente, uno de los retos principales de la humanidad es la generación de una tecnología energética sostenible que sea capaz de sustituir nuestra gran dependencia que se tiene de los hidrocarburos y el carbón, cuyas reservas además de ser muy contaminantes, son finitas. Bajo este contexto la generación de energía por fusión termonuclear resulta ser una buena candidata. HiPER es el proyecto europeo de fusión laser para el desarrollo de una planta de potencia. Esta tesis hace uso de los desarrollos conceptuales de planta de potencia estudiados en HiPER. Uno de los elementos más importantes en una planta de potencia comercial por fusión es el manto reproductor de tritio, que tiene dos tareas principales: la extracción de potencia del reactor y la generación de tritio, materia prima para la reacción de fusión (D-T). También se encarga en mayor o menor medida, del blindaje, debido al frenado que sufre la radiación a través del manto. En la actualidad existe un cúmulo de incertidumbres inevitables asociadas al ciclo de tritio. Esta tesis tiene por objetivo diseñar un concepto de manto reproductor de tritio versátil para plantas de potencia por confinamiento inercial con blanco directo, como HiPER. Como forma de evitar las incertidumbres, un objetivo fundamental es que la razón de cría de tritio (tritio generado respecto tritio quemado o TBR por tritium breeding ratio en inglés) pueda variarse durante operación para aumentar o reducir la cantidad de tritio producido según las circunstancias lo requieran. Se ha optado por un diseño que mediante un reflector de neutrones permita la modificación sencilla y rápida del TBR entre 1.0 y 1.1, absorbiendo el 99% de la energía transportada por los neutrones. Además, se ha buscado un diseño compacto basado en la utilización de materiales conocidos. La opción estudiada ha consistido en un manto cerámico con un reflector de neutrones alrededor. Este es el elemento más original del diseño. Se trata de un tanque de agua (pesada, preferiblemente) que puede llenarse o vaciarse rápidamente para variar sus propiedades reflectoras, dejando escapar los neutrones de baja energía que le llegan (tanque vacío, TBR ~ 1.0) o termalizándolos y devolviéndolos al manto (tanque lleno, TBR ~ 1.1). Desde el punto de vista técnico, dicho reflector es análogo a la vasija (tanques de agua pesada) utilizada en los reactores tipo CANDU. Esta solución es considerablemente más sencilla que las propuestas anteriormente basadas en litio líquido enriquecido con 6Li y que implica tener grandes reservorios de peligrosos metales líquidos para posteriormente ser bombeado por toneladas dentro del manto. Entre los numerosos conceptos estudiados destaca el de un manto con cerámica de Li2TiO3 en tubos de Zircaloy-2, una placa de Be (2 cm) para actuar como multiplicador neutrónico y un tanque de agua pesada. El espesor total del manto es de tan solo 55 cm, diseño compacto, basado en materiales convencionales y no requiere enriquecimiento isotópico de la cerámica. El uso de Zircaloy-2 se reveló muy importante para el buen funcionamiento de este concepto gracias a su baja sección eficaz de captura neutrónica. Se consideraron más materiales cerámicos y estructurales. Entre todas las opciones destaca la novedosa cerámica de Li8ZrO6 que, aunque requiere estudios adicionales, es prometedora pues podría utilizarse sin multiplicador de neutrones. Aparte de las consideraciones neutrónicas y sobre selección de materiales, se han tenido en cuenta otros aspectos, tales como, la respuesta termomecánica de los tubos rellenos de pellets cerámicos, posibles formas de extracción de calor mediante flujo de helio y la activación resultante tras un periodo prolongado de irradiación en condiciones realistas de planta de potencia. Los estudios llevados a cabo en estas áreas muestran que el diseño conceptual de manto reproductor con TBR variable es viable, pues cumple con los requisitos de producción de tritio, absorción de energía, consideraciones termomecánicas para la estabilidad de los materiales y una activación tolerable desde el punto de vista de generación de residuos radiactivos. El diseño original propuesto en esta tesis requerirá estudios más avanzado para optimizar su funcionamiento y validar los prometedores resultados aquí reportados, incluyendo el desarrollo de protototipos y la validación experimental de los mismos. De tener éxito, el diseño presentado en este trabajo puede ser la base para solucionar el problema relacionado con las incertidumbres en el ciclo de tritio.