Análisis preliminar del estado del arte de plantas de potencia para reactores de fusión nuclear modulares

i Equa ion Chap e 1 Sec ion 1 T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía en Tecnologías Indus iales Mención en Ene gé ica Análisis p elimina del es ado del a e de plan as de po encia pa a eac o es de usión nuclea modula es Au o : Ja ie He nández Alonso Tu o : Rica do Chaca egui Ramí ez Co u o es: Lina Vela de Gallego y Ja ie Hidalgo Sala e i Dp o. Ingenie ía Ene gé ica Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2023 ii iii T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía en Tecnologías Indus iales Mención en Ene gé ica Análisis p elimina del es ado del a e de plan as de po encia pa a eac o es de usión nuclea modula es Au o : Ja ie He nández Alonso Tu o : Rica do Chaca egui Ramí ez Ca ed á ico de Uni e sidad Co u o es: Lina Vela de Gallego Ja ie Hidalgo Sala e i Dp o. de Ingenie ía Ene gé ica Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2023 i T abajo Fin de G ado: Análisis p elimina del es ado del a e de plan as de po encia pa a eac o es de usión nuclea modula es Au o : Ja ie He nández Alonso Tu o : Rica do Chaca egui Ramí ez Co u o es: Lina Vela de Gallego y Ja ie Hidalgo Sala e i El ibunal nomb ado pa a juzga el P oyec o a iba indicado, compues o po los siguien es miemb os: P esiden e: Vocales: Sec e a io: Acue dan o o ga le la cali icación de: Se illa, 2023 El Sec e a io del T ibunal i A mi amilia ii iii AGRADECIMIENTOS mi inago able amilia, que nunca dejó de con ia en mis capacidades. A mis pad es y mi he mano, quienes siemp e han es ado y segui án a mi lado. A mis o gullosos abuelos po su cons an e apoyo. A Sil ia y a mi o o he mano, Ma io. Y a esa que ida amilia de Mad id y de Se illa. Hacia odos ellos an mis más since os ag adecimien os. Ja ie He nández Alonso Se illa, 2023 A ix x i ÍNDICE DE FIGURAS Ilus ación 1.1: CO2e de i ado de la p oducción de ene gía pa a cada escena io (2) 1 Ilus ación 1.2: P e isión de ene gía suminis ada po uen e. (4) 2 Ilus ación 1.3: Desa ollo ac ual de los disposi i os de usión. (7) 3 Ilus ación 2.1: Plasma, el cua o es ado de la ma e ia. (9) 7 Ilus ación 2.2: Campos esul an es del con inamien o magné ico (13) 8 Ilus ación 2.3: Sis emas de un eac o Tokamak (14) 10 Ilus ación 2.4: Esquema de un eac o S ella a o (13) 10 Ilus ación 2.5: Esquema de hohl aum (16) 11 Ilus ación 2.6: Analogía en e ciclo de un mo o 4T y la ignición ápida (15) 12 Ilus ación 3.1: Reac o e ins alaciones de NuScale. (19) 15 Ilus ación 3.2: Esquema del sis ema de en iamien o de eme gencia SMR (21) 16 Ilus ación 3.3: Rangos de ope ación eac o es SCWR, PWR y BWR (22) 17 Ilus ación 3.4: Diag ama de lujo del ciclo de la u bina de apo pa a HTR-PM (23) 18 Ilus ación 3.5: Esquema de plan a con SMR que emplea sales undidas (24) 19 Ilus ación 3.6: Tipos de SMRs adap ables en di e en es indus ias (20) 20 Ilus ación 3.7: Esquema de un okamak es é ico. (28) 21 Ilus ación 3.8: Mejo a del ac o de segu idad en okamaks es é icos (30) 23 Ilus ación 3.9: P us en unción de R0 pa a Q us = 30, H = 1.5 y A = 3.2 (31) 23 Ilus ación 3.10: E olución de β en okamaks es é icos (30) 25 Ilus ación 3.11: Reac o ARC (39) 26 Ilus ación 3.12: Vasija acío, bombas y calo ex aído en ARC (41) 27 Ilus ación 3.13: Esquema de plan a pa a ARC (42) 27 x ii Ilus ación 3.14: Cos e es imado módulo del eac o . 33 Ilus ación 3.15: Cu a de ap endizaje usada pa a ab ica los módulos de usión (38) 33 Ilus ación 3.16: Cos e es imado del equipamien o de la plan a del eac o 34 Ilus ación 3.17: Cos e es imado del capi al di ec o 34 Ilus ación 3.18: Cos es es imados del capi al indi ec o 35 Ilus ación 3.19: Dis ibución de cos es de la plan a 35 Ilus ación 3.20: Resumen de allado de los cos es (38) 36 Ilus ación 3.21: Compa a i a en e el Modelo A (33) y una plan a de usión modula (38) 37 Ilus ación 4.1: Componen es undamen ales de una plan a de usión. Adap ado y basado en (45). 39 Ilus ación 4.2: B eeding Blanke e ige ada con helio (47) 40 Ilus ación 4.3: Ejemplo de diag ama de bloques de la plan a de po encia DEMO (49) 41 Ilus ación 4.4: Esquema ciclo Rankine Simple (50) 42 Ilus ación 4.5: Esquema ciclo Rankine con ecalen amien o (50) 42 Ilus ación 4.6: Esquema del ciclo B ay on simple de u binas de gas y diag amas P- y T-s (51) 43 Ilus ación 4.7: Compa a i a de las e iciencias é micas según el sis ema de con e sión de ene gía (52) 44 Ilus ación 4.8: Esquema ciclo B ay on egene a i o (53) 44 Ilus ación 4.9: Esquema de plan a de usión Modelo 1. Elabo ación p opia 46 Ilus ación 4.10: Esquema de plan a de usión Modelo 2. Elabo ación p opia 46 Ilus ación 4.11: Esquema de plan a de usión Modelo 3. Elabo ación p opia 47 Ilus ación 4.12: Dis ibución de lujos, lado ío y calien e del Modelo 1 47 Ilus ación 4.13: Diag ama T-s Modelo 1 52 Ilus ación 4.14: Dis ibución de lujos, lado ío y calien e del Modelo 2 52 Ilus ación 4.15: Diag ama T-s Modelo 2 55 Ilus ación 4.16: Dis ibución de lujos del Modelo 3 55 Ilus ación 4.17: Diag ama T-s Modelo 3 58 Ilus ación 5.1: Po encia eléc ica en unción de 1 61 Ilus ación 5.2: Rendimien o del ciclo e modinámico en unción de la p esión de ecalen amien o 61 Ilus ación 5.3: Rendimien o del ciclo B ay on egene a i o en unción de la empe a u a as p ecoole 65 x iii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Reacciones más a o ables a la usión (7) 6 Tabla 2: Hojas de u a posibles pa a la ob ención de po encia. (17) 14 Tabla 3: Diseños de okamaks es é icos de baja po encia (32) 24 Tabla 4: Pa áme os de un módulo de ene gía de usión pa a la es imación de cos es (38) 32 Tabla 5: Po encias de pa ida Modelo 1 59 Tabla 6: Ca ac e ís icas de e ige ación p ima io, in e medio y TES 59 Tabla 7: Resul ados del ciclo Rankine con p ecalen amien o Modelo 1 60 Tabla 8: P es aciones del sis ema de con e sión de po encia Modelo 1 60 Tabla 9: Compa a i a Modelo 1 base al op imizado 62 Tabla 10: Resul ados del ciclo Rankine con ecalen amien o Modelo 2 63 Tabla 11: P es aciones del sis ema de con e sión de po encia del Modelo 2 en e al Modelo 1 63 Tabla 12: Po encias de usión y almacenamien o del Modelo 2 63 Tabla 13: Resul ados en el in e cambiado TES-Ciclo Modelo 3 64 Tabla 14: Ca ac e ización del ciclo B ay on egene a i o con p ecoole Modelo 3 64 Tabla 15: P es aciones del sis ema de con e sión de po encia Modelo 1 64 xix 1 1 INTRODUCCIÓN a usión nuclea iene el po encial de p opo ciona ene gía limpia y p ác icamen e ilimi ada con el in de sa is ace las necesidades ene gé icas del mundo, con i iéndola así en una al e na i a muy espe anzado a pa a la composición de la u u a pa illa ene gé ica p o is a po uen es de ene gía lib es de emisiones con aminan es. A con inuación, se in oduce an o el ma co ene gé ico ac ual, que si e como mo i ación del abajo desa ollado en es e documen o, como las pe spec i as y p incipales líneas de desa ollo e in es igación de las ecnologías de usión nuclea . 1.1 Con ex o ene gé ico Ac ualmen e nos encon amos inme sos en una época de ansición ene gé ica, encaminada hacia un u u o donde la p oducción de ene gía que consumimos se ealice median e el uso de ecnologías limpias exen as de emisiones. Es e eno me no me e o se ha is o ac ecen ado as la pandemia de la Co id-19 y la c isis ene gé ica de i ada de la gue a en e Rusia y Uc ania, o iginando un pa adigma ene gé ico sin p eceden es en donde muchos países debe án lidia además con una du a c isis de segu idad alimen a ia y con los impac os cada ez más isibles de i ados del cambio climá ico. Las endencias ene gé icas u u as pe siguen alcanza ce o emisiones ne as pa a el año 2050, asegu ando la es abilidad ene gé ica median e una amplia adopción de ecnologías limpias espaldadas po incen i os sólidos y polí icas obus as. El escena io NZE, concebido po la Agencia In e nacional de la Ene gía (AIE), es uno en e a ios posibles, pe o odos con e gen hacia un p opósi o compa ido: la gene ación de ene gía sin emisiones con aminan es. Jun o a es e,"Accele a ed" y "New Momen um", son escena ios que explo an ince idumb es elacionadas con la elocidad y la di ección que oma á la ansición ene gé ica, cen ándose en las posibles consecuencias e ince idumb es que pueden su gi desde dis in os pun os de is a (1). Ilus ación 1.1: CO2e de i ado de la p oducción de ene gía pa a cada escena io (2) L In oducción 2 En es e con ex o, an o gobie nos como in e so es, emp esas y abajado es es án debe án an icipa se a es e cambio c ucial. Pa a log a lo, se deben aplica polí icas cen adas en educi las emisiones de in aes uc u as que usan combus ibles ósiles y en aumen a la in e sión en ecnologías limpias. Sin emba go, la disminución de la demanda de combus ibles ósiles debe p oduci se a un i mo que pe mi a sa is ace la demanda de pe óleo y gas sin ap oba nue os p oyec os a la go plazo usando ecnologías con encionales. Po es as azones, se es ima que la in e sión anual en combus ibles ósiles du an e el escena io NZE disminui á en o no a los 450 millones de dóla es (3). En la ac ualidad el sec o ene gé ico lide a la educción de emisiones has a 2030, pe o odos los sec o es con ibuyen en mayo o meno medida al obje i o de ce o emisiones ne as. O o ac o de e minan e es la c ecien e p eocupación po la segu idad ene gé ica debido al con lic o en e Rusia y Uc ania, impulsando un cambio hacia una combinación ene gé ica más local y con menos emisiones de ca bono. Es o implica abandona g adualmen e los combus ibles ósiles impo ados y op a po uen es de ene gía no ósiles p oducidas localmen e, lo que acele a la ansición hacia un sis ema ene gé ico más sos enible. En é minos de combus ibles ósiles, el pe óleo y el gas na u al son los más a ec ados po es a mayo a ención a la segu idad ene gé ica. Pa a el escena io New Momen um se con empla una disminución del 2% en la demanda de ene gía p ima ia pa a 2035 en compa ación con el es udio ealizado po la IEA “Ene gy Ou look 2022”, debido p incipalmen e a una e isión a la baja del 5% en la demanda de pe óleo y del 6% en la demanda de gas na u al. Es os e ec os se concen an sob e odo en los países eme gen es de Asia y la Unión Eu opea, dependien es en g an medida de las impo aciones de pe óleo y gas na u al. El consumo de ca bón ambién se e á disminuido en las pe spec i as ene gé icas ecien es, aunque en meno medida que el pe óleo y el gas na u al. (2) Ilus ación 1.2: P e isión de ene gía suminis ada po uen e. (4) Pa a loga el ansiado obje i o de p oduci ce o emisiones ne as globales de CO2 en 2050, la ene gía nuclea se e obligada a desempeña un papel undamen al. Es en es e pun o donde nace la p incipal mo i ación del p oyec o que se a a desa olla a con inuación y que se e con ex ualizado con lo expues o an e io men e, ya que, jun o con las ene gías eno ables (p incipalmen e eólica y sola ), se p e é que su desa ollo y pues a en ma cha sus i uya a la mayo pa e de las ecnologías con encionales que emplean combus ibles ósiles, educiendo de o ma es imada el uso de es as en un 60% de 2021 a 2050. (4) In oducción 3 1.2 Si uación y pe spec i a de la usión nuclea La gene ación de ene gía de usión o ece un suminis o po encialmen e ilimi ado y de al o endimien o sin gene a esiduos nuclea es adiac i os, a di e encia de la ene gía nuclea de isión la que, sin emba go, desempeña un papel undamen al en la gene ación eléc ica de la ac ualidad. Al con a io de lo que ocu e ambién en las plan as de ene gía a base de ca bón, la usión con olada libe a una can idad eno me de ene gía sin emi i con aminan es dañinos a la a mós e a ni p oduci esiduos nuclea es adiac i os de la ga ida, eliminando el iesgo asociado a los acciden es nuclea es y mejo ando la sos enibilidad ene gé ica (5). Pa a hace la ealidad, se deben supe a una se ie de desa íos cien í icos y ecnológicos impo an es que equie en de un es ue zo in e nacional en es e campo, algunos de los cuales ya se encuen an en una e apa a anzada, mien as que o os aun es án lejos de alcanza la madu ez. En gene al, se deben desa olla soluciones indus iales pa a los siguien es p oblemas: (6) • Demos a iabilidad cien í ica de la usión log ando una e icien e con ención de un plasma en ignición con al a eac i idad ene gé ica. • Desa olla ecub imien os y pa edes de eac o e icaces pa a c ea un p o o ipo de plan a, esenciales pa a ex acción de po encia. • Consegui ma e iales esis en es a lujos in ensos de neu ones sin iesgos adiológicos a la go plazo. • P io iza sos enibilidad log ando un es ado ope a i o es able que asegu e segu idad nuclea , bajo impac o ambien al y compe i i idad en cos os eléc icos. La g á ica que se mos a á a con inuación e leja el c ecien e in e és a ni el global en la in es igación y a ance de la ene gía de usión, o eciendo in o mación ace ca de odos los disposi i os de usión ( okamaks, S ela a o s/Helio ons, Lase /Ine cial y o as al e na i as), ya sean de ca ác e público o p i ado, que se encuen an en uncionamien o, en ase de cons ucción o en e apa de plani icación, y que cuen an con diseños expe imen ales y de demos ación. Es ele an e des aca que exis en más de 130 disposi i os de usión expe imen ales, an o de índole público como p i ado, que ac ualmen e se hallan en uncionamien o, en p oceso de cons ucción o en ase de plani icación. Ilus ación 1.3: Desa ollo ac ual de los disposi i os de usión. (7) In oducción 4 Como ejemplo más signi ica i o y a anzado del desa ollo de las ecnologías de usión, encon amos el p oyec o ITER, un p oyec o de eac o okamak lide ado po la Unión Eu opea, emplazado en F ancia, y con colabo ación in e nacional, cuyo obje i o es de e mina la iabilidad ecnológica y económica de la usión nuclea po con inamien o magné ico como uen e de ene gía a g an escala. El siguien e paso es demos a la iabilidad écnica y económica de la gene ación de ene gía eléc ica a pa i de la usión nuclea encon amos y, hacia es e, a encaminado el p oyec o DEMO (DEMOns a ion Powe Plan ). Se espe a que DEMO sea el p ime eac o de usión en p oduci ene gía eléc ica a escala come cial, sen ando las bases pa a u u as plan as de usión de mayo amaño y capacidad. O os p oyec os que se es á lle ando a cabo es el e e ido a la demos ación de uen es neu ales DONES (Demos a ion o Neu als Sou ces), que iene como obje i o p incipal el desa ollo y la alidación de las ecnologías necesa ias pa a p opo ciona la can idad adecuada de pa ículas neu as pa a el plasma en u u os eac o es de usión, paso c ucial pa a ga an iza el éxi o y la iabilidad de la ene gía de usión a g an escala. A ni el es a al, España desempeña un papel signi ica i o en el comp omiso mundial en el ámbi o de la Fusión. El CIEMAT (Cen o de In es igaciones Ene gé icas Medioambien ales y Tecnológicas) es un Ins i u o de In es igación de ca ác e público que, a a és de uno de sus depa amen os, el Labo a o io Nacional de Fusión (LNF), ac úa como pun o cen al pa a la coo dinación de la in es igación y desa ollo en Fusión en España. La labo del LNF se sus en a en dos pa as p incipales: la ísica de plasmas (cen ada en el ap o echamien o del s ella a o TJ-II y la pa icipación en p oyec os como JET, W7-X, JT-60SA e ITER) y la ecnología de Fusión (cen ada en el desa ollo de ma e iales, DONES, DEMO y es udios de eac o es). El LNF lide a la p opues a española pa a acoge DONES en nues o país (6). Además, el CIEMAT cuen a con un des acado g upo de in es igación en aspec os socioeconómicos de la ene gía, especialmen e en elación a la Fusión. Finalmen e cabe des aca como La Uni e sidad de Se illa se es á implicando en el desa ollo de es a aliosa uen e de ene gía p esen ando el pasado mes de eb e o el eac o SMART Tokamak, desa ollado po un conso cio in e nacional de in es igado es den o del p oyec o Fusion2G id. Es e p oyec o iene como obje i o c ea un eac o de usión nuclea más pequeño y e icien e, que pueda conec a se a la ed eléc ica en ap oximadamen e una década. El SMART es un eac o de al o con inamien o que busca alcanza empe a u as éco d de has a 108 ºC. El p oyec o cuen a con una in e sión inicial de más de cinco millones de eu os y se es ima que eque i á una in e sión o al de unos 500M$ a lo la go de 10 años (8). La conexión a la ed eléc ica es un desa ío impo an e, ya que implica supe a el pun o de ignición en el que el eac o emi e más ene gía de la que ecibe y aunque los plazos son ambiciosos, es os a ances ace can cada ez más la posibilidad de c ea un eac o e icien e y escalable pa a la gene ación de ene gía usionada. 1.3 Mo i ación del abajo La mo i ación undamen al de es e p oyec o adica en el con ex o ac ual de ansición ene gé ica hacia un u u o con una p oducción de ene gía lib e de emisiones con aminan es, ag a ado po e en os como la pandemia de la Co id-19 y la c isis ene gé ica elacionada con con lic os geopolí icos. Pa a alcanza el obje i o de ce o emisiones ne as pa a el año 2050, es esencial impulsa ecnologías limpias y sos enibles, y la ene gía nuclea , incluida la usión, desempeña un papel c ucial en es a ansición. Además, la c ecien e p eocupación po la segu idad ene gé ica y la necesidad de educi la dependencia de los combus ibles ósiles impulsan un cambio hacia uen es de ene gía locales y de baja emisión de ca bono. La usión nuclea se des aca como una uen e de ene gía po encialmen e ilimi ada y de al o endimien o que no p oduce esiduos nuclea es adiac i os de la ga ida. Aunque p esen a desa íos ecnológicos signi ica i os, su capacidad pa a gene a ene gía sin emisiones la uel e una opción a ac i a pa a la gene ación de ene gía a g an escala. En es e con ex o, el p oyec o se en oca en explo a la iabilidad de la ene gía de usión en el ámbi o de las plan as modula es de gene ación de ene gías, con ibuyendo a un u u o ene gé ico más segu o y sos enible. 5 2 FUSIÓN COMO FUENTE DE ENERGÍA s e capí ulo abo da á los undamen os de la usión nuclea como uen e de ene gía, explicando an o las eacciones que la hacen posible como el medio en el que se da, in oduciendo los mecanismos y concep os básicos pa a en ende el uncionamien o de los eac o es de usión nuclea . 2.1 Reacciones de usión En el con ex o de la usión nuclea , se en iende como "nucleido" al conjun o de p o ones y neu ones en un núcleo a ómico. La usión nuclea se p oduce al o ma se un nucleido con mayo núme o másico que los iniciales, libe ando ene gía median e la ans o mación de núcleos. Pa a log a es o, dos núcleos lige os se combinan, supe ando la epulsión elec omagné ica con la in e acción nuclea ue e, lo que equie e al as ene gías ciné icas. Es as al as ene gías, equi alen es a empe a u as muy ele adas, del o den de 107 ºC en el Sol y 1,5·108 ºC en eac o es como ITER, pe mi en que los nucleidos se ace quen lo su icien e pa a que la usión ocu a g acias a la in e acción nuclea ue e. (9) A con inuación, se explica án los p incipales ipos de eacciones nuclea es pa a ob ene ene gía. En ellas el denominado común y p o agonis a se á el deu e io, un isó opo muy mino i a io (solo el 0.016% del hid ógeno p esen e en los océanos) pe o ela i amen e abundan e, es able y ácil de sepa a . 1) Deu e io – T i io (D-T): La más sencilla de consegui den o de sus e iden es complejidades. Los eac an es se encuen an a una empe a u a le emen e supe io a las 100 millones K lo que co esponde ap oximadamen e a una ene gía ciné ica de 100 keV. Su mayo des en aja es la escasez de i io, que, al no encon a se en el medio na u al, ha de se ob enido de o ma a i icial a a és de la i adiación de li io que combinado con ce ca del 80% de los neu ones p oducidos, dan luga a es a eacción en cadena que gene a i io y libe a helio jun o con ene gía (MeV) y neu ones. Con las ese as de li io que enemos hoy día an o en la ie a como en el ma se es ima que pod ía p oduci se de o ma masi a ene gía de usión du an e miles de años pese a una cos osa ex acción de li io a g andes escalas. Las eacciones de li io y neu ones pa a p oduci i io son las siguien es (10): 𝐿𝑖 +$𝑛$ →$ 𝐻𝑒+𝑇+4.86$𝑀𝑒𝑉$$ !$$$ "(1) 𝐿𝑖 +$𝑛$ →$ 𝐻𝑒+𝑇+𝑛−2.5$𝑀𝑒𝑉$$ !$ #(2) 2) Deu e io – Deu e io (D-D): Es a eacción libe a menos ene gía que la an e io y puede ene dos esul ados, ambos con el mismo po cen aje de p obabilidad de que ocu an. E Fusión como uen e de ene gía 6 T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) (50%) 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) (50%) Cabe des aca el no uso de i io pa a que se p oduzca la eacción, necesi ando una empe a u a diez eces mayo que la eacción D-T. 3) Deu e io – Helio-3 (D - He) $: P esen a la en aja de no eque i i io y en su luga ap o echa el helio-3, abundan e en la Luna. Es a eacción es bene iciosa debido a sus p oduc os: pa ículas ca gadas en luga de neu ones, pe mi iendo la gene ación di ec a de ene gía eléc ica al desacele a las pa ículas median e campos eléc icos, e i ando así la necesidad de un ciclo é mico pa a ello. La ausencia de neu ones educe p eocupaciones de segu idad adiológica y blindaje, además de elimina p oblemas de ac i ación en componen es del eac o . No obs an e, la des en aja es la al a empe a u a necesa ia pa a inicia la eacción, al ededo de 50 keV. (10). En la ac ualidad p edomina el desa ollo de las ecnologías usando la eacción D-T como pun o de pa ida, sin emba go, los desa íos causados po el uso de i io es án dando luga a expe imen os que u ilizan combus ibles de usión al e na i os o a anzados, como D-3He o p-11B aunque es os engan menos p obabilidades de consegui la usión. El bo o-11 no es adiac i o y es á ácilmen e disponible. El incon enien e de la usión con p-11B es que el plasma equie e es a cien eces más calien e que el plasma que con iene D-T (7). Reac an es P oduc os 1) D-T 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) 2) D-D T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) (50%) 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) (50%) 3) D-3He 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) T-T 4He + 2 n + 11.3 MeV 3He-3He 4He + 2 p 3He-T 4He + p + n + 12.1 MeV (51%) 4He (4.8 MeV) + D (9.5 MeV) (43%) 4He (0.5 MeV) + n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV) (6%) D-6Li 2 4He + 22.4 MeV p-6Li 4He (1.7 MeV) + 3He (2.3 MeV) 3He-6Li 2 4He + p +16.9 MeV p-11B 3 4He + 8.7 MeV Tabla 1: Reacciones más a o ables a la usión (7) Fusión como uen e de ene gía 13 § Meno es equisi os de combus ible po olumen: pueden unciona con menos olumen de combus ible en compa ación con los disposi i os magné icos. § Meno es equisi os de escala: Pueden se más compac os y po encialmen e más áciles de cons ui en é minos de in aes uc u a. Como desa íos, nos encon amos con la necesidad de implemen a sis emas de gene ación de ene gía ex e nos que sean po en es y p ecisos, así como la necesidad de lidia con p oblemas de implosión simé ica y con un con ol poco p eciso de la ene gía. La elección en e disposi i os de con inamien o magné ico y de con inamien o ine cial depende de a ios ac o es, como la in e sión disponible, el p og eso ecnológico y la expe iencia acumulada en la in es igación. En es e momen o, pa ece que los disposi i os de con inamien o magné ico, en pa icula los okamaks, es án más a anzados en é minos de desa ollo y ienen una base de in es igación sólida. Po lo an o, basándonos en la expe iencia acumulada y la p omesa de a ances ecnológicos u u os, se ía p uden e cimen a las bases de u u as plan as de usión nuclea en disposi i os de con inamien o magné ico, como los okamaks. Sin emba go, es o no excluye la in es igación con inua en disposi i os de con inamien o ine cial, ya que la compe encia en e es os en oques pod ía impulsa aún más la búsqueda de la ene gía de usión como una uen e de ene gía iable y sos enible. En el siguien e capí ulo, se explo a á la siguien e ase de desa ollo: las plan as modula es de usión. Es as ins alaciones ep esen an un paso c í ico en el camino hacia la ealización de la ene gía de usión a g an escala y se cen a á en el uso de okamaks compac os y obus os de baja elación de aspec o. Comp ende los undamen os de usión expues os du an e el capí ulo es esencial pa a e alua la iabilidad y las implicaciones de es as plan as modula es en el con ex o de la ansición hacia un u u o ene gé ico más limpio y sos enible. 14 3 PLANTAS MODULARES DE FUSIÓN as log a la gene ación de ene gía de usión, el siguien e paso adica en la come cialización de dicho p oceso a a és del desa ollo de plan as pilo o capaces de gene a una p oducción ne a de elec icidad. El en oque p incipal se cen a en los eac o es okamaks de g an escala que ya es án en desa ollo, como JET/JT60-SA - ITER y DEMO. Sin emba go, además de no habe alcanzado el p og eso es imado, en en an el desa ío de la cons ucción de ins alaciones de g an amaño y el desa ollo de nue as eo ías ísicas y ecnologías en cada e apa. En es e p oyec o se p esen a una al e na i a a es a línea de in es igación con encional, ap o echando el c ecien e a ance de los eac o es okamaks es é icos: disposi i os de usión más compac os, obus os y asequibles, con la capacidad de se modula izados. Es os ipos de eac o es posibili a án la con igu ación de una plan a de po encia modula de usión (MFPP, del inglés Modula Fusion Powe Plan ) económicamen e iable, compues a po a ios módulos, donde an o la ísica como la ecnología se desa olla án pa a un módulo compac o único, lo que agiliza á su desa ollo al hace la más económica y ápida. La undamen ación económica sien a sus bases en los modelos de plan a modula es, donde múl iples componen es auxilia es se compa i án en e los dis in os módulos, educiendo los cos es de i ados del man enimien o y p opo cionando además una g an disponibilidad de la plan a. En oque con encional En oque modula Cada e apa equie e un impo an e desa ollo ecnológico. Misma base de diseño desde la plan a pilo o has a la de po encia, con plan eamien o modula . Tabla 2: Hojas de u a posibles pa a la ob ención de po encia. (17) 3.1 In oducción a plan as modula es de po encia: SMRs de Fisión Nuclea El en oque de plan as modula es pa a la ob ención de po encia a pa i de la usión nuclea se e ige como una p opues a sólida y p ome edo a en el campo de la in es igación ene gé ica apoyándose en una se ie de casos exi osos de plan as de isión nuclea , cuyo diseño modula ha demos ado se e ec i o en la gene ación de ene gía de mane a e icien e y con iable. La implemen ación de plan as de isión modula se basa en la idea de cons ui múl iples módulos independien es que puedan ope a de o ma conjun a o au ónoma, lo que o ece en ajas signi ica i as en é minos de escalabilidad, man enimien o y segu idad. T Plan as Modula es de Fusión 15 Los SMRs (del inglés, Small Modula s Reac o ) son eac o es nuclea es que se ca ac e izan po ene una capacidad de gene ación eléc ica ela i amen e baja, en endiendo como baja una po encia nominal de has a 300 MWe, según la gene alidad es ipulada po la comunidad nuclea mundial. Así pues, los SMR se de inen como eac o es con salidas de po encia de en e 10 MWe y 300 MWe cuyos ni eles y alo es máximos de po encia se encuen an limi ados po la capacidad de ab icación y anspo e. Es e ipo de eac o es es án concebidos pa a in eg a una mayo simpli icación, modula ización y es anda ización de los elemen os que lo componen, en el diseño y ensamblaje de los SMRs, dando luga así a bloques más pequeños, o módulos, que pe mi en la cons ucción de es os en una áb ica y luego su aspo e a o o si io, haciendo posible compagina a ias ac i idades de cons ucción en pa alelo mejo ando an o la p e isibilidad como el aho o de la cons ucción y po an o, maximizando las en ajas económicas de la p oducción en se ie de los mismos. Así pues, se p e é que el aho o de cos es se asocie con plazos de p oyec o más co os inculados a écnicas de ab icación en se ie y un uso más e icien e de los ma e iales (18). En algunos ipos de SMRs, como los eac o es nuclea es de agua lige a (LWR), un módulo pod ía aba ca un sis ema comple o de gene ación de apo jun o con su ins umen ación p ima ia. O os plan eamien os pod ían op a po componen es con encionales pe o in eg ados, diseñados pa a un ensamblaje sencillo en el campo, como un módulo de con ol e ins umen ación que pod ía some e se a p uebas y a anques pa ciales en la áb ica. Ejempli icando es a endencia, la emp esa es adounidense NuScale Powe es á desa ollando su p opio eac o modula LWR, capaz de p opo ciona elec icidad y calo en dis in os p ocesos. Es e eac o se ab ica ía comple amen e en un luga di e en e a su des ino inal y end ía una po encia es imada de 60 MWe, buscando o ece una al e na i a más compac a y segu a a los eac o es de agua p esu izada de mayo amaño. Adicionalmen e, la plan a diseñada end ía la capacidad de albe ga has a 12 eac o es idén icos, alcanzando una gene ación o al de 720 MWe. Ilus ación 3.1: Reac o e ins alaciones de NuScale. (19) Los eac o es modula es pequeños poseen una di e sidad de aplicaciones que se adecúan a di e en es necesidades (20): § In eg ación en la ed eléc ica: los de mayo capacidad (ap oximadamen e en e 200 - 300 MWe) es án diseñados p incipalmen e pa a gene a ene gía en la ed eléc ica. Es e amaño es pa icula men e adecuado pa a sus i ui a cen ales é micas de ca bón. Plan as Modula es de Fusión 16 § Suminis o ue a de la ed: los de meno amaño son una al e na i a a los gene ado es diésel en comunidades emo as y si ios mine os. Pod ían u iliza se an o pa a suminis a ene gía eléc ica como pa a cale acción u bana o mine a. § P oducción de calo : muchos diseños de SMRs ope a án a empe a u as muy ele adas, lo que ab e una pue a hacia la desca bonización de sec o es con al a demanda ene gé ica. Los SMRs de al a empe a u a pod ían o ece la p ime a solución eal sin emisiones pa a la cogene ación, al p opo ciona soluciones combinadas de calo y ene gía pa a clien es indus iales. § T anspo e ma í imo: pod ían b inda una al e na i a lib e de emisiones pa a el anspo e ma í imo come cial, empleando mic o eac o es de isión capaces de in eg ase en ehículos ma í imos. Es e ipo de eac o es ambién ep esen an una inno ación des acada en lo que espec a a la segu idad. La elación supe icie- olumen de los SMR es un ac o cla e que po encia la e ec i idad de los sis emas pasi os de segu idad. Pa a comp ende mejo es e concep o, conside emos un ejemplo clásico: los eac o es de agua lige a con encionales a menudo equie en g andes can idades de agua en ci culación pa a el en iamien o del eac o en cualquie ci cuns ancia, lo que implica sis emas de e ige ación ac i a que dependen de uen es de ene gía ex e nas. En con as e, los SMR pueden ap o echa su elación supe icie- olumen óp ima pa a log a una mayo e iciencia en la disipación de calo y la educción de la empe a u a del núcleo, incluso en si uaciones de eme gencia. La cla e aquí es que los SMR ienen la capacidad de ope a de mane a segu a y man ene la in eg idad del núcleo sin depende en g an medida de sis emas ac i os de e ige ación. Es o es un a ance signi ica i o en la segu idad nuclea , ya que educe la necesidad de equipos y uen es de ene gía ex e nas, lo que a su ez simpli ica los diseños y la ope ación de es as ins alaciones. Además, es a mayo e icacia en los sis emas pasi os de segu idad no solo mejo a la segu idad ope a i a, sino que ambién acili a el man enimien o y la ges ión de la plan a. Ilus ación 3.2: Esquema del sis ema de en iamien o de eme gencia SMR (21) Plan as Modula es de Fusión 17 Es os SMRs pueden basa se en ecnologías ya exis en es en la ac ualidad o en ecnologías inno ado as, incluyendo las pe enecien es a la Gene ación IV. En es e subcapí ulo, explo a emos con mayo p o undidad es os nue os eac o es con la in ención de compa a sus ca ac e ís icas de usión con eac o es de usión con p es aciones simila es. 3.1.1 Tipos de SMR § Reac o es supe c í icos e ige ados po agua El Reac o de Agua Supe c í ica (SCWR) es un diseño a anzado de eac o nuclea de Gene ación IV que se ca ac e iza po ope a a al as empe a u as y p esiones, especí icamen e más allá del pun o c í ico del agua, que se si úa en ap oximadamen e 37ºC y 22.1 MPa. Es a ecnología puede unciona an o como un eac o é mico o de neu ones ápidos, dependiendo de su diseño de núcleo. Los SCWR se basan en dos en oques p incipales de diseño: uno que u iliza ecipien es a p esión, simila a los empleados en eac o es de agua en ebullición (BWR) con encionales, y o o que emplea sis emas de ubos de p esión, como los encon ados en eac o es CANDU. Ambos en oques p esen an ca ac e ís icas de segu idad pasi a signi ica i as, lo que signi ica que pueden disipa el calo de mane a e ec i a median e p ocesos de adiación y con ección en los canales dis ibuidos, incluso sin la necesidad de sis emas de en iamien o ac i o o usiones del combus ible. Un aspec o in e esan e es que el SCWR puede u iliza an o agua lige a como agua pesada como mode ado de neu ones. Es o le b inda una e sa ilidad adicional en é minos de diseño y aplicaciones. En é minos de e iciencia é mica, los SCWR ienen el po encial de log a una e iciencia signi ica i amen e mayo en compa ación con los eac o es de agua lige a (LWR) ac uales, alcanzando ap oximadamen e un 45% de e iciencia é mica en con as e con el 33% de los LWR. Va ios países, incluyendo China, Canadá y Japón, es án desa ollando concep os elacionados con es os eac o es. Sin emba go, es impo an e des aca que has a la echa no se ha cons uido ningún eac o de demos ación o expe imen al de es e ipo. Po lo an o, se es ima que se necesi a án al menos unas dos décadas an es de que en e en uncionamien o la p ime a plan a de ene gía de es e ipo. Ilus ación 3.3: Rangos de ope ación eac o es SCWR, PWR y BWR (22) Plan as Modula es de Fusión 18 § Reac o es de al a empe a u a Los Reac o es de Al a Tempe a u a de Gas (VHTR) ope an a empe a u as ex emadamen e al as, o iginalmen e apun aban a 1000ºC, pe o el obje i o ac ual es un máximo de 850ºC. Es os eac o es ienen una sólida ayec o ia de ap oximadamen e 50 años y se han diseñado pa a gene a elec icidad y p opo ciona calo a p ocesos de al a empe a u a. O ecen mejo as signi ica i as en segu idad al elimina la posibilidad de usión del núcleo o libe ación de p oduc os de isión en si uaciones ex emas. Sin emba go, oda ía se en en an al desa ío de demos a su en abilidad económica. En China, la plan a HTR-PM ha ma cado un hi o al conec a el p ime o de dos eac o es a la ed en diciemb e de 2021, pe o alcanza empe a u as de 1000ºC eque i á in es igaciones adicionales. Ilus ación 3.4: Diag ama de lujo del ciclo de la u bina de apo pa a HTR-PM (23) § Reac o es de sales undidas Son una ca ego ía inno ado a de eac o es nuclea es que emplean sales undidas como medio e ige an e y, en algunos casos, ambién como po ado de combus ible. Uno de los aspec os más dis in i os de los SMRs e ige ados po sales es su capacidad pa a ope a a empe a u as signi ica i amen e más ele adas en compa ación con los eac o es nuclea es adicionales. Los SMRs de sales suelen abaja a empe a u as en el ango de 600-700 ºC, lo que es sus ancialmen e mayo que las empe a u as ípicas de ope ación de los eac o es de agua en ebullición (BWR) o los eac o es de agua a p esión (PWR), que ope an en el ango de 300-330ºC. Es a ca ac e ís ica de al a empe a u a pe mi e que los SMRs e ige ados po sales sean al amen e e icien es en la con e sión de calo en elec icidad. Además, las al as empe a u as de ope ación pueden se ap o echadas pa a aplicaciones indus iales que equie an calo de al a empe a u a, como la p oducción de hid ógeno o la desalinización de agua. En cuan o a la p esión, o o aspec o no able de los e ige ados po sales es que ope an a p esiones ela i amen e bajas en compa ación con algunos de los eac o es con encionales. Los SMRs de sales suelen abaja en el ango de 1 a 10 MPa de p esión, mien as que los eac o es PWR y BWR ope an ípicamen e en el ango de 15 a 17 MPa. Es a baja p esión con ibuye a simpli ica el diseño y educe la necesidad de sis emas de al a p esión, lo que puede ene implicaciones posi i as en é minos de segu idad y cos os de cons ucción. Plan as Modula es de Fusión 19 Ilus ación 3.5: Esquema de plan a con SMR que emplea sales undidas (24) § Reac o es ápidos Rep esen an una inno ación p ome edo a po su ciclo de combus ible ce ado, capaz de ex ae 60 o 70 eces más ene gía del u anio que los eac o es é micos, lo que disminuye las ese as de plu onio y educe la p oducción de calo esidual, esul ando en meno es necesidades de aislamien o y ba e as de segu idad. Además, o ecen mayo e iciencia y po encial pa a mejo a la segu idad, aunque aún se equie e más in es igación en es e aspec o. Su e sa ilidad pe mi e adap a los como "b eede s" o "bu ne s" según las necesidades del país, lo que a ec a los equisi os legales y écnicos. Aunque son adap ables, en en an desa íos como la in e sión inicial y la necesidad de ope ado es al amen e capaci ados, lo que exige una egulación más igu osa. Según el luido empleado pa a la e ige ación del núcleo encon amos: - Re ige ados po Helio Se ca ac e izan po su capacidad pa a ope a a al as empe a u as y su uso de helio como e ige an e. Es os eac o es buscan usiona las en ajas de los VHTR (al a empe a u a) y los FR (u ilización mode ada de u anio y minimización de esiduos). Sin emba go, es a ecnología se encuen a en una e apa emp ana de desa ollo y en en a desa íos signi ica i os en é minos de segu idad, disipación del calo esidual, desa ollo de ma e iales capaces de sopo a empe a u as ex emas y el suminis o de combus ible necesa io. Dado que no se basa en ecnologías p e iamen e p obadas, se á necesa io cons ui un p o o ipo que demues e su iabilidad. Ac ualmen e, la in es igación y la in e sión en o no a es os eac o es son limi adas, lo que sugie e que pod ían se uno de los úl imos a ances en la ca ego ía de eac o es ápidos. - Re ige ados po sodio La ecnología más a anzada en el campo de los eac o es ápidos (FR) se cen a en los eac o es e ige ados po sodio, que han acumulado una as a expe iencia a a és del diseño, cons ucción, ope ación expe imen al, demos ación y despliegue come cial en países como China, F ancia y Rusia. Es os eac o es de ipo SFR emplean sodio líquido como e ige an e p ima io, lo que les pe mi e alcanza al as po encias con un olumen de e ige an e ela i amen e pequeño y ope a a baja p esión. Sin emba go, es esencial man ene un sis ema he mé ico pa a e i a la eacción explosi a del sodio con el agua. La capacidad de po encia de es os eac o es a ía desde los 50 MWe has a más de 1500 MWe, lo que los hace adecuados an o pa a aplicaciones de eac o es modula es de isión nuclea (SMR) como pa a eac o es de gene ación g ande (GGRR). Plan as Modula es de Fusión 20 - Re ige ados po plomo Los eac o es ápidos e ige ados po plomo o una mezcla de plomo y bismu o eu éc ico (LBE) des acan po su po encial en é minos de segu idad en compa ación con los eac o es SFR, g acias a la al a empe a u a de ebullición de es os me ales pesados. La en aja undamen al adica en que el bismu o y el plomo no eaccionan con el agua ni con el ai e, lo que simpli ica signi ica i amen e los diseños y mejo a la segu idad, lo que a su ez educe los cos es de in e sión. Sin emba go, un desa ío impo an e que en en an es os eac o es es la co osión y e osión del e ige an e, lo que hace que la selección de ma e iales sea un aspec o c í ico pa a esol e . Rusia ha acumulado expe iencia en la aplicación de eac o es LBE en subma inos y ha inalizado el diseño del BREST-300, un LFR con una capacidad de ap oximadamen e 300 MWe, con planes de inicia su cons ucción en 2025. Ilus ación 3.6: Tipos de SMRs adap ables en di e en es indus ias (20) La amplia a iedad de eac o es modula es de isión nuclea y su en oque mul idisciplina io pe mi e la con igu ación de plan as modula es con di e en es esquemas según la empe a u a que el eac o pueda alcanza . Es o incluye ciclos de Rankine pa a SMRs que u ilizan agua o sales undidas como e ige an e, así como diseños Plan as Modula es de Fusión 21 en desa ollo que emplean ciclos B ay on con CO2 supe c í ico como luido de abajo (25). Un ejemplo de implan ación del bloque de po encia, ap o echando el mencionado p oyec o NuScale, con empla las implan aciones un edi icio que albe ge an o el eac o como una ins alación adyacen e donde se con ie e la ene gía é mica en elec icidad. Es e edi icio con iene un sis ema de sales undidas que ac úa como in e media io en e el calo gene ado en el eac o y el p oduc o inal, ya sea elec icidad o calo . El sis ema es á compues o po una se ie de bombas que anspo an la sal a empe a u as de 565 °C y 275 °C, an o en es ado calien e como ío, a a és de una se ie de anques (26). Resumiendo, los SMRs p esen an nume osas en ajas: modula idad, segu idad, maquina ia más pequeña y e icien e, un amplio despliegue de opciones ecnológicas pa a su desa ollo, g an acople a los ciclos de con e sión de po encia, pe o sin emba go siguen sin conside a se como opción o almen e álida desde el pun o de is a medioambien al. Es po ello po lo que buscamos un al e na i a en la usión. A con inuación se p esen a an los eac o es de usión que en p incipio pueden albe gal ca ac e ís icas simila es a las de sus he manos modula es de usión. 3.2 Reac o es modula es pa a plan as de usión Du an e un la go pe iodo de iempo se ha man enido la c eencia gene al de que pa a log a la gene ación de ene gía de usión ne a, los eac o es okamak debe án se de g andes dimensiones y al a po encia, conside ado necesa io un adio mayo de ≥ 6 m, un olumen de plasma ≥ 1000 m³ y una ope ación con una po encia de usión ≥ 1 GW (27). No obs an e, ecien es in es igaciones han suge ido la iabilidad de un plan eamien o basado en disposi i os de meno amaño y po encia, basándose en una ee aluación de la elación empí ica en e el iempo de con inamien o de ene gía y los pa áme os del eac o , ales como amaño y campo magné ico, jun o con la adopción de una ecnología ela i amen e ecien e, los supe conduc o es de al a empe a u a (HTS) pa a los imanes. Así pues, la po encia de usión en un eac o se puede exp esa como: P us ~ b 2 ·B 4·V (3) donde b = p/ B , siendo p la p esión media del plasma, B , la in ensidad del campo magné ico o oidal, y V el olumen del plasma. Los esul ados de las in es igaciones indican que es plausible con a con disposi i os mucho más compac os basados en la con igu ación del okamak es é ico de al o g ado de con inamien o. 3.2.1 Tokamaks es é icos Son disposi i os okamaks de baja elación de aspec o, A = R0/a siendo R0 el adio mayo de plasma y a adio meno de plasma, que p esen an una con igu ación compac a y aplanada, con el núcleo en o ma de manzana a di e encia de la o ma de osquilla que p esen an de los okamaks con encionales. Ilus ación 3.7: Esquema de un okamak es é ico. (28) Plan as Modula es de Fusión 22 § P incipales aspec os écnicos: - El uso de Supe conduc o es de Al a Tempe a u a HTS, mejo a el anspo e de elec ones a al os campos magné icos, lo que, jun o con alo es al os de be a y de los campos magné icos gene ados po los imanes HTS, pe mi en disposi i os de usión más compac os y e icien es. La supe conduc i idad es la p opiedad de cie os ma e iales de pe de oda esis encia cuando se en ían lo su icien e, con encionalmen e al ededo de 4 K. Los HTS de segunda gene ación comienzan a unciona a al ededo de 90 K, pe o su endimien o mejo a a medida que se en ían. El uncionamien o a 20-40 K pe mi e un g an aho o en la po encia de e ige ación c iogénica en compa ación con el uncionamien o con encional de 4 K. (29) - La adiación in e na iene un impac o en los supe conduc o es de al a empe a u a (HTS). Pa a abo da es e p oblema, se han desa ollado escudos hechos de ca bu o de ungs eno o bo u o con canales de agua. Es os escudos ienen la capacidad de educi el calen amien o ocasionado po los neu ones y los ayos gamma p o enien es del plasma. Un escudo de ca bu o de ungs eno (WC) con un espeso ap oximado de 25 a 35 cm pod ía se su icien e pa a mi iga el calen amien o po neu ones en el pos e cen al del imán HTS. Es e en oque es pa icula men e ele an e en disposi i os de usión de baja elación de aspec o, donde se busca man ene una empe a u a ope a i a supe io a 20 K y log a ni eles acep ables de calen amien o. - El con ol de impu ezas (di e o ) es i al. Modi icando la con igu ación magné ica, se minimiza la in e acción plasma/sólido, e i ando e osión y con aminación. Va ios mé odos pa a educi la ca ga ag ega impu ezas con oladas en el bo de del plasma puede con e i pa e de la ene gía en adiación elec omagné ica. El uso de li io líquido, un me al alcalino, pa a o ma la supe icie de in e acción plasma/di e o iene una capacidad de ca ga de ene gía po encialmen e muy al a y puede p opo ciona una au o epa ación ápida (28). - Las co ien es ele adas, especialmen e en las bobinas de campo o oidal, equie en un diseño p eciso pa a e i a la ensión es uc u al. Los diseños compac os en en an di icul ades elacionadas con el amaño, posiblemen e necesi ando es uc u as ex e nas pa a con ola las ue zas. El diseño de okamaks es é icos compac os implica ges iona plasma, calen amien o, i io, segu idad y ap o echa soluciones aplicadas en eac o es g andes. - En la e ige ación de la blanke de un okamak es é ico de baja elación de aspec o, se explo an di e en es opciones de luidos pa a ex ae el calo gene ado. En e es as al e na i as, se des acan es p incipales: agua, helio y sales undidas, como el FLBe. El agua, conocida po su e icien e capacidad de ans e encia de calo , ha sido ampliamen e u ilizada en eac o es de isión, pe o en en a desa íos como la co osión y el desgas e del ma e ial. El helio, debido a su na u aleza químicamen e ine e y su idoneidad pa a el ciclo de con e sión de ene gía, se conside a una opción segu a y e icaz. Po o o lado, el FLiBe o ece un amplio ango de empe a u as de abajo y p opiedades neu ónicas a o ables, lo que lo con ie e en una opción e sá il. La elección en e es os luidos depende de los equisi os especí icos del eac o y equie e una op imización cuidadosa de ma e iales y sis emas pa a ga an iza la segu idad y la e iciencia en el uncionamien o del okamak, lo que demues a la impo ancia de conside a ac o es como la esis encia a la co osión, la ans e encia de calo y las p opiedades químicas al diseña blanke s de usión nuclea . § Ven ajas: - E iciencia: ap o echan e icien emen e el campo magné ico ce ca de la columna cen al, lo que aumen a la elación de plasma y campo magné ico, mejo ando el endimien o de la usión. - Meno olumen: g acias a su o ma compac a y mayo elongación, ocupan menos espacio que los okamaks con encionales, lo que acili a su ins alación y ope ación en espacios limi ados. Plan as Modula es de Fusión 29 En esumen, la elección del e ige an e en un eac o okamak es é ico depende de una se ie de ac o es, incluyendo los equisi os especí icos de diseño y las conside aciones de segu idad. Tan o el agua como el helio son opciones iables, cada una con sus p opias ca ac e ís icas y desa íos únicos. La elección inal del e ige an e se basa á en una e aluación exhaus i a de es as conside aciones y en la op imización del diseño del eac o . Bloque de p oducción de po encia Unos de los p incipales desa íos es la e ige ación é mica de los eac o es de usión, ap o echando es a pa a p oduci po encia. El agua ha sido u ilizada como e ige an e p incipal en eac o es de isión, como en los eac o es de agua p esu izada (PWR) y los eac o es de agua lige a (LWR). En los PWR, se impulsa agua a una empe a u a de 275 °C a una al a p esión de has a 155 ba has a el núcleo del eac o , donde ípicamen e se calien a has a al ededo de 315-325 °C. Se ha adop ado una pe spec i a simila pa a los sis emas de con e sión de ene gía en las plan as de usión nuclea con un diseño de Blanke e ige ada con agua, en el que es a sale a una empe a u a ap oximada de 325º a 155 ba , siendo usada pa a gene a apo (32). Adicionalmen e, exis en o as con igu aciones de blanke s pa a eac o es compac os de dimensiones educidas que pe mi en su e ige ación median e el uso de sales undidas (43). Es e mé odo pod ía ep esen a un paso adelan e signi ica i o, ya que elimina ía en una p ime a ins ancia la necesidad de un ci cui o de e ige ación in e medio, cuyo p opósi o es ans e i calo a un sis ema de almacenamien o de ene gía. Las con igu aciones de plan as de usión de meno po encia pod án pe mi i a los okamaks es é icos ope a den o de su ango más óp imo, con pulsos de ope ación del o den 1000s de du ación, lo que ha á necesa io un bloque in e medio de almacenamien o de ene gía que nos pe mi a p oduci ene gía en un es ado es aciona io. Se espe a que la ex acción de calo de los eac o es de usión se p oduzca a al as empe a u as 500°C (32). Teniendo en cuen a la capacidad de ope a en un amplio ango de empe a u as, la acilidad de manejo en caso de uga y el con as ado uso que ienen en la an o p oducción de ene gía sola concen ada como en las plan as modula es de isión nuclea , omamos a las sales undidas (como el FLiBe) como p incipales elegidas pa a el almacenamien o de ene gía. Bloque de segu idad y maquina ia En p ime luga , la mejo a de la segu idad en los SMRs de isión se ha log ado median e el diseño de sis emas de segu idad pasi a y ac i a que educen signi ica i amen e el iesgo de acciden es nuclea es. La implemen ación de sis emas de e ige ación de espaldo, sis emas de apagado au omá ico y sis emas de con ención mejo ados ha aumen ado la segu idad de es os eac o es. Es a misma iloso ía de diseño o ien ada a la segu idad se puede aplica a los eac o es de usión de meno amaño, donde la ges ión de los p oduc os de isión y la p e ención de acciden es son cues iones c í icas. Además, la maquina ia empleada en los SMRs de isión ha expe imen ado a ances ecnológicos signi ica i os, incluyendo mejo as en la e iciencia y la con iabilidad de los sis emas de gene ación de ene gía. Es os a ances ecnológicos pueden se i como modelos pa a el desa ollo de maquina ia en los eac o es de usión de meno amaño. Po ejemplo, la op imización de las u binas, gene ado es y sis emas de con e sión de ene gía en los SMRs puede inspi a mejo as en los sis emas de gene ación de ene gía en los eac o es de usión, donde la con e sión e icien e de la ene gía libe ada po la usión es undamen al. En úl ima ins ancia, la expe iencia en la mejo a de la segu idad y la maquina ia en los SMRs de isión puede se aliosa pa a los eac o es de usión de meno amaño, ya que ambas ecnologías compa en desa íos simila es en é minos de ges ión de la ene gía y la p e ención de acciden es. La in es igación y la colabo ación en cu so en e la comunidad nuclea pueden lle a a a ances signi ica i os en la segu idad y la e iciencia de ambas ecnologías, allanando el camino pa a un u u o de ene gía más limpio y sos enible. Plan as Modula es de Fusión 30 3.3.1 Conclusiones Las conclusiones ob enidas del es udio e elan simili udes signi ica i as en e los eac o es modula es de usión y los eac o es modula es de isión (SMRs), que b indan la opo unidad de aplica lecciones y en ajas de uno a o o. Desde una pe spec i a de diseño modula del eac o , se obse a que los MFPPs ienen el po encial de p opo ciona ni eles de po encia compa ables a los SMRs de isión, lo que pe mi e una p oducción escalable y la eliminación de la necesidad de ope a en un es ado es aciona io de accionamien o de co ien e inducida. Es o, a su ez, pod ía mejo a la e iciencia y educi los cos os asociados, ap o echando la modula idad pa a compa i sis emas auxilia es y disminui los cos os de ingenie ía. En cuan o a la e ige ación é mica, se ha iden i icado que an o los eac o es de usión como los de isión han explo ado opciones como el agua y el helio como e ige an es. Sin emba go, se des aca la p e e encia po el helio en la comunidad de usión debido a su baja eac i idad química y su compa ibilidad con una a iedad de ma e iales. Además, se conside a que las sales undidas, como el FLiBe, pod ían o ece una solución e icien e pa a el almacenamien o de ene gía en los MFPPs, g acias a su capacidad pa a ope a en un amplio ango de empe a u as y su e sa ilidad en o as aplicaciones de ene gía. En el ámbi o de la segu idad y la maquina ia, se en a iza que los SMRs de isión han a anzado en é minos de segu idad median e la implemen ación de sis emas de segu idad an o pasi a como ac i a, jun o con mejo as ecnológicas en la maquina ia. Es as lecciones ap endidas de la isión pueden aplica se de mane a bene iciosa a los MFPPs, donde la ges ión de los p oduc os de usión y la p e ención de acciden es son asun os c í icos. Asimismo, la e iciencia de los sis emas de gene ación de ene gía se econoce como esencial en el ap o echamien o e ec i o de la usión. En esumen, la analogía en e los eac o es modula es de usión y isión sugie e que los a ances y las expe iencias en uno de es os campos pueden se aplicables y bene iciosos pa a el o o, lo que po encialmen e acele a ía el desa ollo de ambas ecnologías y con ibui ía a un u u o de ene gía más limpio y sos enible. 3.4 Cos es es imados y p ecio de la elec icidad Los cos es asociados a la p oducción de ene gía median e la usión han sido ampliamen e es udiados du an e años. En es e ámbi o, los p oyec os más signi ica i os son “ARIES” (33), de los Es ados Unidos, que epasa sis emas de usión desde dis in as ísicas y ecnológicas, y el de la Plan a de Ene gía Eu opea (44). El análisis económico es á basado en un es udio que ca ac e iza los p incipales ac o es económicos y el cos e de la elec icidad (CoE) de una plan a modula de usión (38). En es e, se asumen las mismas hipó esis que en los p oyec os de iabilidad económicas más con as ados: el p incipal ma e ial de cons ucción es el ace o, una e iciencia é mica del eac o de usión empleado del 35%, y e ige ación u ilizando como luido el agua. Po an o, podemos conside a que los esul ados ob enidos son bas an es consis en es. El CoE gene ado po cualquie plan a de ene gía se puede calcula como: 𝐶𝑜𝐸 =$ ∑$G𝑎𝑠𝑡𝑜𝑠$𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠$𝑑𝑒$𝑙𝑎$𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎$𝑑𝑒$𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 Ho as$al$año·𝑃𝑜𝑡$𝑒𝑙𝑒𝑐$𝑛𝑒𝑡𝑎$𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 ·𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟$𝑑𝑒$𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎 Los gas os anuales incluyen el cos e de capi al anual (CAC), el cos e anual de ope ación y man enimien o (CO&M), el cos e anual de eemplazo de componen es p og amados (CSRC), el cos e de descon aminación y desman elamien o anual (D&DC) y el cos o anual de combus ible (FC). El cos e del combus ible es uno de los componen es más impo an es pa a las cen ales é micas, pe o es e insigni ican e compa ándolo con el cos e o al de las cen ales de ene gía de usión. El i io, que se p oduce y consume den o de la plan a du an e el p oceso de ope ación, necesi a una can idad inicial pa a el a anque, Plan as Modula es de Fusión 31 que es no ablemen e al a. Es e cos e debe á suma se al cos e de capi al de la plan a. De inimos pues las cla es del análisis de una plan a de ene gía de usión modula : § Economía de escala y p oducción en Masa: la modula idad combina la economía de escala pa a la pa e con encional con la p oducción en masa pa a el núcleo de usión, sin aumen a el cos o especí ico de la ene gía de usión. Es o pe mi e cons ui múl iples módulos simila es, c eando una cadena de suminis o e icien e. § Fac o es de e minan es del cos e: el cos o de la elec icidad depende en g an medida del cos o de capi al, la eci culación de ene gía eléc ica in e na y la disponibilidad de la plan a. Es os ac o es se en in luenciados po el β del plasma y la ca ga de neu ones sob e en la i s wall. § Op imización de módulos de baja elación de aspec o: los módulos de usión de baja elación de aspec o pueden se op imizados pa a log a al os alo es de β y una al a acción de boo s ap, lo que minimiza an o el cos o de capi al como la eci culación de ene gía eléc ica. § Tecnología de Supe conduc o es de Al a Tempe a u a (HTS): pe mi en la gene ación de campos magné icos o oidales ue es, lo que acili a una ca ga de neu ones azonable incluso en módulos de baja elación de aspec o. Además, se espe a una educción en los cos es de HTS en el u u o ce cano. § Es uc u a modula y al a disponibilidad: la disposición modula de la plan a pe mi e la ese a en able de módulos y el eemplazo pe iódico de componen es de la Fi s Wall/blanke , lo que disminuye los cos s y aumen a la disponibilidad de la plan a. En es e caso, el es udio se ha ealizado pa a una plan a modula que cons a de diez cue pos de eac o okamak es é ico pa a la p oducción de po encia en égimen es aciona io, más o o en ese a. En la siguien e abla se ecogen los pa áme os de diseño escogidos pa a e alua el cos e es imado po módulo: Pa áme os Unidades Valo Impu ezas % 4 de He, 2 de H2 Temp. Media keV 14 Relación de aspec o 1.7 Po encia de usión MW 172 Blanke ac o mul iplicado de ene gía 1.34 Po encia é mica MW 218.4 E iciencia é mica o al % 35.4 Po encia eléc ica (b u a) MW 77.45 Radio mayo del plasma m 1.6 Radio meno del plasma m 0.94 Elongación 3 T iangula idad 0.5 Volumen del plasma m3 80 Supe icie de la pa ed m2 116 Ene gía del plasma MJ 51.13 Campo magné ico o oidal T 3.17 Co ien e del plasma MA 6.7 Plan as Modula es de Fusión 32 Pe didas campos magné icos MW 2.2 Tiempo de con inamien o de ene gía s 1.6 β o oidal % 10.7 β poloidal 2.6 Ca ga media de neu ones en la pa ed MW/m2 1.18 Espeso del escudo neu ónico en el pos e cen al m 0.4 Valo máximo del campo TF T 19.6 Geome ía Tabla 4: Pa áme os de un módulo de ene gía de usión pa a la es imación de cos es (38) Una ez de inidos los pa áme os del módulo, los esul ados del es udio del cos e es imado son: Plan as Modula es de Fusión 33 Ilus ación 3.14: Cos e es imado módulo del eac o . Pa a la ab icación del módulo el p ecio se cos e iene de inido po el ipo de ma e ial que se emplea y su can idad ( ecogidos en la Ilus ación). La mayo in e sión se ealiza en las bobinas que componen el campo o oidal, en o no a los 90 M$ el p ime módulo de su clase y a 650 M$ al o al de los once. Pa a ene en cuen a el ap endizaje du an e la ab icación, se asumió que los cos os de ma e ial son iguales pa a odos los módulos. Sin emba go, el cos o de ab icación disminuye en un ac o de 2 en e el p ime o de su ipo y el décimo componen e de su ipo. A pa i del undécimo componen e y pa a odos los siguien es, que son componen es cambian es, el cos e de ab icación es el 50% del cos e del p ime componen e. Hubo una única co ección le e en es a egla pa a el caso de los imanes de HTS, ya que se conside a que odo el cos e se elaciona en la ab icación, debido al bajo cos o de las ma e ias p imas (38). Ilus ación 3.15: Cu a de ap endizaje usada pa a ab ica los módulos de usión (38) 0 100 200 300 400 500 600 700 Pa e sus i uible Pa e pe manen e To al Pos e Cen al Es ucu a de ace o B eede Mul iplicado To al blanke Pa e sus i uible Pa e pe manen e To al shield Vasija de acío C ios a o Di e o TF bobinas Sis ema Poloidal Cos e del p ime p odcu o de su clase M$ Cos e de 11 Módulos M$ Plan as Modula es de Fusión 34 Ilus ación 3.16: Cos e es imado del equipamien o de la plan a del eac o Pa a ealiza el cálculo se ha enido en cuen a que odos los módulos compa en una plan a de con e sión é mica común y equipos de ecnología de usión comunes, como sis emas de cale acción/CD, bombas del sis ema de acío, p ocesamien o de combus ible, plan a c iogénica, manipulación emo a, celda calien e y edi icio. Es o ap o echa la economía de escala y se basa en análisis p e ios de plan as de ene gía con encionales. Se u ilizan algo i mos de cos os acep ados en es udios an e io es de eac o es pa a compa a el en oque modula con uno con encional. Ilus ación 3.17: Cos e es imado del capi al di ec o 0 50 100 150 200 250 Calen amien o plasma & CD Bombas acío P oceso del combus ible Plan a de c iogenia Ci cui o p incipal de ans e encia de calo M$ Cos e de 11 Módulos M$ 0 200 400 600 800 1000 1200 Edi icio del eac o y célula calien e Cos e del e eno, o os edi icios y es uc u as del emplazamien o Equipo de plan a de u bogene ado . Equipamien o plan a eléc ica Equipamien o e acuación de calo Ins alaciones a ias Cos e o al de la plan a de con e sión de ene gía con encional y de los edi icios Ca ga inicial de i io pa a a anca la plan a (∼4 kg) M$ Plan a de con e sión de ene gía y edi icios Cos e de 11 Módulos M$ Plan as Modula es de Fusión 35 Ilus ación 3.18: Cos es es imados del capi al indi ec o Una ez de inidos los cos es podemos es ima el cos e del CoE con la ó mula p esen ada al inicio del apa ado. El cos o de la elec icidad (CoE) se calcula pa a una plan a de usión modula con 30 años de ope ación y 5 años de cons ucción. Las condiciones inancie as es ánda incluyen una asa de in e és del 5%. El capi al o al necesa io es de 9930 millones de dóla es, con un cos e de capi al anual de 331 millones de dóla es du an e 30 años. El cos e de i ado al eemplazo de componen es es de 598 millones de dóla es en o al o ap oximadamen e 20 millones de dóla es al año. O os cos es incluyen ope ación y man enimien o (17,4 millones de dóla es al año), combus ible (1 millón de dóla es al año), y desman elamien o (3.3 millones de dóla es al año). El ac o de capacidad p omedio de la plan a (PF) se de e mina a pa i de la pa e é mica de la plan a y es ap oximadamen e 0,95. La p ecisión de la es imación es acep able, y el CoE esul an e es de 0,06 dóla es po kilo a io-ho a ($/kWh) (38) . Ilus ación 3.19: Dis ibución de cos es de la plan a 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Se icios y equipos de cons ucción (10% del CCP) O icna Ingenie ía y se icios (10% del CCD) Ingenie ía en campo y se icios (10% del CCD) Cos e del p opie a io (5% del CCD) P oyec o de con ingencia (10% del CCD) M$ Cos e de 11 Módulos M$ 25% 24% 35% 16% Módulos de usión Equipamien o plan a eac o Capi al di ec o Cos e ini ec o Plan as Modula es de Fusión 36 Compone ne p incipal Sub componen e Ma e ial Peso T Cos e uni a io ma e ial $/kg Cos e del p ime p odcu o de su clase M$ Cos e de 11 Módulos M$ Pos e Cen al Pa e sus i uible SS 17.9 17.0 2.7 19.8 Pa e pe manen e 76.3 45.0 30.9 223.0 To al Pos e Cen al 94.2 33.6 242.8 B eeding Blanke Es ucu a de ace o SS 30.7 17.0 4.7 33.9 B eede Li4 SiO4 (90% Li6 ) 33.6 200.0 8.6 94.6 Mul iplicado Be 25.8 1100.0 28.4 312.4 To al blanke 90.1 41.7 440.7 Shield Pa e sus i uible SS 62.5 4.0 2.3 16.3 Pa e pe manen e SS 562.9 4.0 20.3 146.3 To al shield 22.5 162.6 Vasija de acío SS 153.0 8.7 12.0 86.3 C ios a o SS 343.0 5.0 15.4 111.5 Di e o 3.6 26.0 TF bobinas HTSC I*L = 438MA*m 90.0 650.0 Sis ema Poloidal HTSC I*L = 396MA*m 43.0 315.0 TOTAL COSTE DE LOS MÓDULOS 261.8 2034.9 Calen amien o plasma & CD 60.0 Bombas acío 87.8 P oceso del combus ible 49.3 Plan a de c iogenia 205.6 Ci cui o p incipal de ans e encia de calo 52.5 TOTAL EQUIPAMIENTO PLANTA REACTOR 2490.0 Ins alaciones y edi icios con encionales de con e sión de ene gía Edi icio del eac o y célula calien e 206.0 Cos e del e eno, o os edi icios y es uc u as del emplazamien o 187.6 Equipo de plan a de u bogene ado . 308.1 Equipamien o plan a eléc ica 150.0 Equipamien o e acuación de calo 52.4 Ins alaciones a ias 70.0 Cos e o al de la plan a de con e sión de ene gía con encional y de los edi icios 974,00 Ca ga inicial de i io pa a a anca la plan a (∼4 kg) 140,00 TOTAL COSTE DE CAPITAL DIRECTO 3604,00 Cos e capi al indi ec o Se icios y equipos de cons ucción (10% del CCP) 360.4 O icna Ingenie ía y se icios (10% del CCD) 360.4 Ingenie ía en campo y se icios (10% del CCD) 360.4 Cos e del p opie a io (5% del CCD) 180.2 P oyec o de con ingencia (10% del CCD) 360.4 TOTAL COSTE CAPITAL INDIRECTO 1621.8 TOTAL COSTE CAPITAL 5226 Ilus ación 3.20: Resumen de allado de los cos es (38) Plan as Modula es de Fusión 37 Es e apa ado no iene como obje i o discu i los esul ados especí icos del es udio (38); en su luga , su p opósi o es cons ui una comp ensión global de los cos os elacionados con la ab icación y p oducción de ene gía en el con ex o de una plan a modula de usión nuclea . La in o mación p esen ada aquí p opo ciona una isión in eg al de los sis emas y subsis emas que componen una plan a de es as ca ac e ís icas, además de una conside ación de allada de la dis ibución de los cos os en cada uno de ellos. Además, en a en una discusión de allada de los esul ados no end ía mucho sen ido, ya que las ca ac e ís icas del eac o de usión empleado, la con igu ación de la plan a de con e sión de po encia y el núme o de módulos de usión pueden a ia de acue do con los a ances ecnológicos, así como los ma e iales u ilizados y sus cos os. Sin emba go, es a in o mación nos si e como un iel e lejo de cómo se dis ibuyen los cos os asociados a es e ipo de plan as. Es impo an e des aca la cohe encia de los esul ados ob enidos, ya que el es udio se compa a con el con los es udios p e iamen e mencionados (33) (44). Es o espalda de mane a consis en e la iabilidad y la capacidad eal de las plan as modula es de usión. Aunque se han iden i icado nume osas en ajas económicas, aún exis en desa íos de in es igación y desa ollo, especialmen e en el con ex o de okamaks de baja elación de aspec o con pa áme os de usión especí icos. La in es igación ac ual se en oca en la alidación de es os esul ados pa a ales sis emas. Ca ac e ís icas Modelo A - EU Plan a modula Po encia Fusión [MW] 5000 172·10 = 1720 Ca ga de neu os en pa ed [MW/m2] 2.2 1.2 Ganancia Blanke 1.18 1.34 Po encia é mica [MW] 5900 218.8·10 = 2188 Rendimien o é mico [%] 35 35.4 Po encia eléc ica b u a [MW] 2000 774.5 F acción de po encia eléc ica eci culada [%] 25 5.16 Po encia eléc ica ne a [MW] 1500 735.77 Cos e especí ico de la po encia de usión Cos eCapi alDi ec o[$]/P us[W] 6.25 4.7 Cos e especí ico de la po encia eléc ica Cos eCapi al[$]/Pene [W] 6.26 4.8 Cos e capi al di ec o [M$] 9375 3464 Cos e del pai al o al [M$] 13594 5023 Disponibilidad [%] 75 95 CoE (p ime a plan a) [$/kWh] 0,12 0,06 Ilus ación 3.21: Compa a i a en e el Modelo A (33) y una plan a de usión modula (38) Plan as Modula es de Fusión 38 Pa a conclui el capí ulo, podemos saca en cla o que las plan as modula es de usión ep esen an una opción iable que me ece una sólida a ención en é minos de in es igación. Es o se basa en su capacidad de p oducción de ene gía, los esul ados p ome edo es ob enidos en plan as modula es de isión exis en es y su iabilidad económica. Es ele an e des aca que g an pa e de la ecnología e in es igación desa olladas en el campo de la isión nuclea pueden se aplicadas en el con ex o de u u as plan as modula es de usión. En la siguien e sección, p o undiza emos en una discusión de allada sob e el modelado de la con e sión de ene gía é mica en es as plan as con in ención de ob ene ene gía eléc ica pa a los dis in os usos, un aspec o esencial pa a su in eg ación e ec i a en la ed eléc ica. P oducción de po encia en MFPP 45 Comienza con la comp esión del CO2 en es ado supe c í ico, u ilizando un comp eso de al a p esión que aumen a an o su la p esión como la empe a u a. El siguien e paso se á el p een iamien o median e un disposi i o conocido como "p ecoole ", un in e cambiado de calo que u iliza un lujo de CO2 en iado y de al a p esión pa a educi la empe a u a del lujo p incipal an es de que ing ese en la siguien e e apa. Es e p oceso de p een iamien o disminuye la empe a u a, lo que, a su ez, educe la can idad de abajo que debe ealiza el comp eso p incipal, mejo ando así la e iciencia global del ciclo. La e apa de calen amien o y expansión sigue al p een iamien o. En es a ase, el CO2 p e iamen e en iado se calien a a al a p esión median e la adición de calo de una uen e de ene gía ex e na, que en nues o caso se án las sales undidas p oceden es del almacenamien o de ene gía. El CO2, aho a calien e y a al a p esión, se expande a a és de una u bina, gene ando abajo mecánico que se con ie e en elec icidad. Sin emba go, lo que hace que es e ciclo sea aún más e icien e es la inclusión de un egene ado . Después de pasa po la u bina, el CO2 se edi ige a a és de es e egene ado , don ecupe a el calo esidual del lujo que sale de la u bina y lo ans ie e al lujo que ing esa a la e apa de comp esión. Es a ecupe ación de calo adicional mejo a aún más la e iciencia del ciclo, al ap o echa el calo que, de lo con a io, se pe de ía. Finalmen e, se en ía an es de ol e a ing esa al comp eso pa a comple a el ciclo. Las en ajas de es e ciclo son cla amen e no ables. En p ime luga , log a una e iciencia sus ancialmen e mayo en compa ación con las con igu aciones simples de ciclo B ay on y Rankine. Es o se debe a la ecupe ación de calo esidual y al p een iamien o que educe la ca ga en el comp eso p incipal. Además, es a mayo e iciencia se aduce en una mayo p oducción de elec icidad pa a una misma can idad de calo , lo que educe an o los cos es ope a i os como los de capi al. 4.3 Modelos p opues os En es e subapa ado se p esen an es con igu aciones di e en es de plan as modula es de usión, odas ellas desde el pun o de is a de la con e sión de ene gía é mica en eléc ica. El obje i o es pode es ablece unca co elación en e la po encia de usión, que dan los okamaks es é icos o los ARC (que compond án las plan as modula es de usión nuclea ) y la po encia eléc ica capaz de gene a se en la plan a de con e sión de ene gía. 4.3.1 Me odología empleada En el Modelo 1 pa imos de una po encia de usión que escoge emos a bi a iamen e u ilizando como c i e io el ango de po encias de los dis in os es udios de okamaks es é icos (Tabla 3). Pa a ob ene la po encia é mica que es capaz de p oduci se en el eac o , se end á en cuen a la po encia auxilia que se necesi a pa a ope a el eac o , y el ac o mul iplicado del Blanke , b, de inido como la elación en e la ene gía libe ada debido a las ansmu aciones nuclea es y la ene gía inciden e. El modelo es á compues o po es ci cui os de e ige ación: p ima io ( eac o - e ige an e: He), in e medio ( e ige an e - almacenamien o de ene gía: sola sal s ) y secunda io (almacenamien o de ene gía - plan a de p oducción de po encia: ciclo Rankine con ecalen amien o). El esul ado ob enido es la po encia eléc ica gene ada. Pa a el siguien e Modelo 2, simula emos los esul ados ob enidos pa iendo desde las ca ac e ís icas de ope ación de un eac o ARC e ige ado po FLiBe, sup imiendo el ci cui o de e ige ación in e media del Modelo 1. Las sales undidas que salen del eac o se almacena án di ec amen e, u ilizándolas pa a la p oducción de ene gía é mica en el ciclo de po encia, que al igual que en el Modelo 1, emplea á un ciclo Rankine con ecalen amien o. En es e modelo, aplica emos la es a egia in e sa, en con aposición al caso an e io donde el pa áme o de en ada e a la po encia de usión del eac o , aho a usa emos la po encia eléc ica gene ada en el Modelo 1 como un da o pa a de e mina cuán a po encia de usión debe ene el eac o ARC pa a gene a esa misma can idad de elec icidad. P oducción de po encia en MFPP 46 Ilus ación 4.9: Esquema de plan a de usión Modelo 1. Elabo ación p opia Ilus ación 4.10: Esquema de plan a de usión Modelo 2. Elabo ación p opia P oducción de po encia en MFPP 47 La úl ima con igu ación diseñada, el Modelo 3, se ha ealizado con la in ención de e alua y compa a la pa e de p oducción de po encia eléc ica de los o os dos an e io es. De es a mane a, nos basa emos en los esul ados ob enidos en los ci cui os de e ige ación del Modelo 1 y 2, pa a e que po encia eléc ica se íamos capaces de p oduci u ilizando CO2 supe c í ico y un ciclo B ay on egene a i o con p ecalen ado . Ilus ación 4.11: Esquema de plan a de usión Modelo 3. Elabo ación p opia 4.3.2 Modelo 1 Layou Ilus ación 4.12: Dis ibución de lujos, lado ío y calien e del Modelo 1 P oducción de po encia en MFPP 48 Pa áme os de diseño § Fluido e ige an e del eac o : Helio § Almacenamien o de ene gía é mica: Sola sal (60 NaNO3- 40 KNO3) § Ciclo de p oducción de po encia: Rankine con ecalen amien o (RH) § Flujo másico de He,$𝑚%& = 90 kg/s § Tempe a u a del He a la en ada del eac o ,$T'$= 500ºC § P esión del ci cui o de e ige ación p ima io = 80 ba § Po encia de usión, 𝑷𝒇𝒖𝒔 = 80 MW § Po encia auxilia , 𝑃+,-$= 16 MW (20% de la po encia de la po encia del eac o ) § Fac o mul iplicado blanke , 𝑓. = 1.1 ( alo ípico en okamaks es é icos) § Rendimien o Po encia usión – Po encia é mica almacenada, 𝜂/ = 35 % § Rendimien o almacenamien o de ene gía, 𝜂0$= 35 % § Di e encia de empe a u as del lado calien e en HX, 𝐷𝑇𝑇1+2 =15ºC § P esión de las sales ci cui o in e medio y secunda io = 4 ba § Tempe a u a de a la en ada de la u bina de al a p esión HPT, 𝑇/= 450ºC § P esión a la en ada de la u bina de al a p esión HPT, 𝑝/ = 120 ba § Tempe a u a en ada a la u bina de baja p esión LPT, T! = 450ºC § P esión ecalen amien o = 40 ba § P esión de condensación = 0,6 ba § Rendimien o in e no de las u binas, 𝜂345,5 = 85% § Rendimien o in e no de la bomba 𝜂345,7$= 80% § Rendimien o mecánico del eje, 𝜂8&19= 98% P oducción de po encia en MFPP 49 Es uc u a de esolución Ci cui o de e ige ación p ima io En el con ex o de la eacción de usión D-T, se gene an pa ículas al a con una ene gía de 3.5 MeV. Se espe a que es as pa ículas al a se man engan con inadas den o del plasma du an e un pe íodo de iempo conside able, lo su icien e como pa a ans e i su ene gía al plasma. Es impo an e señala que la po encia que es as pa ículas al a deposi an en el plasma equi ale a una quin a pa e de la po encia de usión o al, es deci , 1/5 𝑃:,;. En consecuencia, el eac o ope a e ec i amen e como una uen e de calo en es e con ex o especí ico (32): 𝑃𝑡ℎ:,; =𝑃:,; 5+4∗𝑓.∗𝑃:,; 5+𝑃+,- Es a po encia é mica 𝑃𝑡ℎ:,; es la que po a á el helio: 𝑃𝑡ℎ:,; = 𝑚%& ∗(ℎ.−ℎ+)$𝑡𝑎𝑙$𝑞𝑢𝑒$ℎ+= 𝑓(𝑇+,𝑝+) Se puede ob ene de es a o ma la en alpía a la salida del helio del eac o ℎ., y con de ella ob ene la empe a u a 𝑇.: T.= (h<,𝑝.) Ci cui o de e ige ación in e medio HX Realizamos el balance de ene gía en el in e cambiado : 𝑚%& ∗ℎ++𝑚;+2 ∗ℎ== 𝑚%& ∗ℎ.+𝑚;+2 ∗ℎ1 donde, T>= 𝑇+−𝐷𝑇𝑇1+2$𝑦$ℎ1= 𝑓(𝑇1,𝑝1) despejamos la en alpía del pun o. P oducción de po encia en MFPP 50 Almacenamien o de ene gía, TES La po encia é mica almacenada P h?@A que se emplea á en gene ado de apo se á: P h?@A = 𝑚;+2 ∗`ℎ&−ℎ:a∗𝜂09$$$$$𝑦$$$$$$$$$𝜂/=𝑃𝑡ℎ5BC 𝑃:,; $$$ Suponemos que las condiciones de en ada y de salida al anque son las mismas a ni eles de p esión y empe a u a. De al o ma, que ℎ&= ℎ1$𝑦$ℎ:= ℎ= pudiendo ene como esul ado el caudal 𝑚;+2 de sales necesa ias pa a ele a la empe a u a del helio has a la impues a an es de en a al eac o . “Ci cui o de e ige ación secunda io, GV y RH” La po encia é mica del almacenamien o se u iliza pa a ob ene apo en el gene ado de apo y ecalen a el apo a la en ada de la u bina de baja. 𝑃/y 𝑃0 se án las po encias empleadas pa a cada acción espec i amen e: 𝑃/= 𝑚D∗b(ℎ/−ℎ")+𝜆D+Ed$$$$$$,$$$$$$$$𝑃0= 𝑚D∗(ℎ$−ℎ0)$$$ siendo 𝜆D+E la en alpía de apo ización del agua a 𝑝/. Po consiguien e, de inimos 1 y 2 como las acciones: 𝑓/=P1 P hTES $$$$$$$$𝑦$$$$$$$𝑓0=P2 P hTES $$$$$$𝑑𝑒$𝑡𝑎𝑙$𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎$𝑞𝑢𝑒$𝑓/+𝑓0= 1$$$$$$$$ P oducción de po encia en MFPP 51 Sis ema de con e sión de ene gía, HPT - LPT Se mos a án las ecuaciones p incipales a a és de las cuales se han sacado las abajos y endimien os del ciclo. Las elaciones en e las p esiones y empe a u as en cada pun o quedan de alladas en el código de EES empleado pa a la esolución de los modelos. La salida del condensado se supone como líquido sa u ado. Ecuaciones Tu bina de Al a P esión HPT: 𝜂345,5 =ℎ/−ℎ0 ℎ/−ℎ;0 𝑊%F = ℎ0−ℎ/ Ecuaciones Tu bina de Baja P esión LPT: 𝜂345,5 =ℎ!−ℎ$ ℎ$−ℎ;$ 𝑊7F = ℎ!−ℎ$ P es aciones del ciclo: T abajo de la Tu bina: 𝑊5= 𝑊%F +𝑊GF T abajo de la bomba: 𝑊7= ℎ"−ℎH , donde 𝜂345,7 = (ℎ;" −ℎH)/(ℎ"−ℎH)$$$$$$ Po encia eléc ica: 𝑊5&2&1 = 𝑚D∗𝑊5∗𝜂8&1 T abajo del ciclo e modinámico: 𝑊1I12J = 𝑊5−𝑊7 Rendimien o del ciclo e modinámico: 𝜂1I12J =K!"!#$ LMN%&' donde 𝑄𝑡ℎ5BC =(ℎ/−ℎ")+(ℎ$−ℎ0) P oducción de po encia en MFPP 52 Ilus ación 4.13: Diag ama T-s Modelo 1 4.3.3 Modelo 2 Layou Ilus ación 4.14: Dis ibución de lujos, lado ío y calien e del Modelo 2 -2,5 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 0 100 200 300 400 500 s [kJ/kg-K] T [°C] 113,6 ba 52,58 ba 20,52 ba 6,225 ba 0,2 0,4 0,6 0,8 0,0076 0,23 1,25 6,88 40 205 m3/kg MODELO 1 T[i]T[i] P oducción de po encia en MFPP 53 Pa áme os de diseño § Fluido e ige an e del eac o : FLiBe § Almacenamien o de ene gía é mica: FLiBe § Ciclo de p oducción de po encia: Rankine con ecalen amien o (RH) § Tempe a u a del FLiBe a la en ada del eac o ,$T'$= 526,9ºC (Ilus ación 3.12) § Tempe a u a del FLiBe a la salida del eac o ,$T<$= 596,9ºC (Ilus ación 3.12) CpFLiBe=2,368 [kJ/kg/K] (42) § Fac o mul iplicado blanke , <$ = 1.1 ( alo ípico en okamaks es é icos) § Rendimien o Po encia usión – Po encia é mica almacenada, 𝜂/ = 35 % § Rendimien o almacenamien o de ene gía, 𝜂0$= 35 % § Tempe a u a de a la en ada de la u bina de al a p esión HPT, 𝑇/= 583,2ºC § P esión a la en ada de la u bina de al a p esión HPT, 𝑝/ = 120 ba § Tempe a u a en ada a la u bina de baja p esión LPT, T! = 583,2ºC § P esión ecalen amien o = 40 ba § P esión de condensación = 0,6 ba § Rendimien o in e no de la u bina, 𝜂345,5 = 93% § Rendimien o in e no del comp eso 𝜂345,O$= 88% § Rendimien o mecánico del eje, 𝜂8&19= 98% § Po encia eléc ica p oducida: 𝑷𝒆𝒍𝒆𝒄9= Modelo 1 P oducción de po encia en MFPP 54 Es uc u a de esolución Ci cui o de e ige ación p ima io y Almacenamien o de ene gía Ya se encuen a de inido po los da os del p oblema Almacenamien o de ene gía Suponemos que la empe a u a del almacenamien o se á pa a el oco calien e y pa a el oco ío: T'= T>$$y$$T<= 𝑇= La po encia é mica almacenada P h?@A que se emplea á en gene ado de apo se á: P h?@A = 𝑚;+2 ∗`ℎ&−ℎ:a∗𝜂09$$$$$𝑦$$$$$$$$$𝜂/=𝑃𝑡ℎ5BC 𝑃:,; $$$ Ci cui o de e ige ación secunda io, GV y RH Empleamos la misma me odología que pa a el Modelo 1, ealizando un balance de po encias. La po encia é mica ans e ida po las sales ha de se igual a la que abso be el apo . Sis ema de con e sión de ene gía, HPT – LPT Ídem Modelo 1. Análisis pa amé ico 61 Ilus ación 5.1: Po encia eléc ica en unción de 1 Concluimos que, cuan o mayo sea la acción de ene gía des inada a la p oducción de apo , mayo se á la ene gía eléc ica p oducida. Es e es udio acla a las dudas sob e si puede in e esa modela el ciclo buscando unas p opo ciones ijas ene gía pa a cada p oceso que op imicen el endimien o del ciclo, y po consiguien e, la po encia ob enida. O o ac o de e minan e se á la p esión a la que se p oduce el ecalen amien o. En es e caso es uno de los pa áme os de diseño del modelo, siendo ijado consecuen emen e a 40 ba según la li e a u a de los es udios de usión mencionados. Sin emba go, es de obligado debe comp oba si es á p esión puede modela se de o ma que mejo e el endimien o e modinámico del ciclo. Ilus ación 5.2: Rendimien o del ciclo e modinámico en unción de la p esión de ecalen amien o 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 4000 5000 6000 7000 8000 1 PTelec [kW] 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0,3 0,302 0,304 0,306 0,308 P ecal [ba ] hciclo Análisis pa amé ico 62 El endimien o alcanza cuando la p esión es igual 35,03 ba . Ope ando a es a p esión, es capaz se p oduci algo más de 8 MWe con un endimien o del ciclo equi alen e al 30,76%. Al educi la p esión de ecalen amien o es amos disminuyendo la p esión de salida de la u bina de al a, consiguiendo que el abajo de expansión sea mayo aumen ándose la po encia eléc ica gene ada. Sin emba go, la acción de ene gía des inada a ele a de nue o la empe a u a has a la condición de diseño del modelo ha aumen ado. Como imos en la g á ica de la Ilus ación 5.1, es o supone una penalización con espec o a la capacidad de p oducción, pe o no lo su icien e como pa a e i a una la ganancia o al de ene gía eléc ica. Pa áme os Modelo 1 Base Modelo 1 Op imizado P ecal 40 ba 35,03 ba m 8,17 kg/s 8,10 kg/s 1 91,75% 91,08% ηCICLO 30,74% 30,76% Pelec 7,98 MWe 8,06 MWe Tabla 9: Compa a i a Modelo 1 base al op imizado Como conclusión del es udio pa amé ico y op imización en es e p ime en oque, hemos di igido nues a a ención al lado de la p oducción de po encia en el ciclo, dado que se de inió el sis ema de e ige ación p ima ia. Po lo an o, no enía sen ido analiza la a iación de la can idad de e ige an e en el eac o ni o os pa áme os inculados al almacenamien o de ene gía, ya que no e a el p opósi o p incipal de es e en oque. En es e modelo, se ha diseñado especí icamen e pa a es ima la po encia que se puede inyec a en la ed eléc ica u ilizando pa áme os de diseño ijos pa a el eac o . En con as e, en el Modelo 2, se lle a á a cabo un p oceso in e so, buscando la op imización de la po encia de usión pa a alcanza su máximo po encial. El pun o de pa ida del modelado es la po encia eléc ica p oducida en la plan a de po encia. Dado que el obje i o es dimensiona la po encia de usión que debe gene a el eac o , u ilizamos el mismo ciclo e modinámico del Modelo 1, pe o, sin emba go, la ecnología empleada pa a e ige a el eac o es di e en e, empleando sales undidas en luga de helio. De es a mane a buscamos compa a an o las ecnologías de e ige ación como el diseño de eac o que se necesi a pa a cada una. Los endimien os de las u bomáquinas se án los mismos en ambos modelos y la po encia eléc ica escogida pa a el es udio es de 8 MWe. Pues o que el FliBe iene un pun o de usión más al o que las sales sola es, 454ºC en e a 240ºC (32), abaja emos en un ango de empe a u as mayo pudiendo aumen a las p es aciones é micas del almacenamien o. Además, se elimina el ci cui o de e ige ación in e media en e el eac o y el sis ema de almacenamien o de ene gía, disminuyendo así el núme o de equipos que in e ienen en el p oceso. A endiendo a los pa áme os de diseño, es os se basan en los es udios ela i os a los eac o es ARC (39) (40) (41) y (42), en los que se diseñan y es ablecen las dis in as conside aciones de ope ación del eac o okamak compac o de baja elación de aspec o, implemen ando además dis in os ipos de ciclos e modinámicos pa a la p oducción de po encia. Las in es igaciones exis en es si en de mo i ación a la ho a de explo a o a pe spec i a a la ho a de modela la po encia de usión, eniendo es a ez como pa áme os de diseño las ca ac e ís icas de un de e minando ciclo de p oducción de ene gía eléc ica. A con inuación, se mos a án los esul ados ob enidos as esol e el bloque de p oducción de po encia y se compa a án con los del Modelo 1 pa a llega a una conclusión que end á como obje i o escla ece que ipo de con igu ación es óp ima. Análisis pa amé ico 63 Pun os En alpía [kJ/kg] Tempe a u a [ºC] P esión [ba ] m [kg/s] 1 3565 583,2 120 6,77 2 3258 418,7 40 6,77 3 3636 583,2 40 6,77 4 2737 128,6 0,6 6,77 5 359,9 85,95 0,6 6,77 6 375,3 87,39 120 6,77 Tabla 10: Resul ados del ciclo Rankine con ecalen amien o Modelo 2 Pa áme os Modelo 1 Modelo 2 Unidades WTHP 240,3 307,5 kJ/kg WTLP 757,3 898,5 kJ/kg WB 15,38 17,94 kJ/kg Pelec 7,98 8 MWe ηCICLO 30,74 33,3 % ηGV 91,2 97,31 % 1 91,75 98,65 % 2 8,25 1,35 % Tabla 11: P es aciones del sis ema de con e sión de po encia del Modelo 2 en e al Modelo 1 A la is a de los esul ados ob enidos, podemos deduci que es amos en e a un modelo mejo ado donde el endimien o es del ciclo es un 33,3%. La mayo pa e de la ene gía ans e ida se cede al gene ado de apo , haciendo que es e ambién aumen e su e iciencia con espec o al Modelo 1. Con es os esul ados podemos conoce la can idad de ene gía é mica que ha cedido el sis ema de almacenamien o de ene gía, y aplicando los endimien os de ans o mación de ene gía ya explicaos en la es uc u a de esolución del modelo, es ima la po encia de usión capaz de p oduci los 8 MWe. Po encias plan a eac o P us 69 MW Paux 13,8 MW P h us 88,32 MW h P hTES 24,15 MW h Tabla 12: Po encias de usión y almacenamien o del Modelo 2 Es e modelo de plan a de p oducción necesi a 11 MW de usión menos pa a gene a la misma po encia eléc ica que el Modelo 1. T as ob ene es e esul ado, sumado a el de un ciclo de Rankine e icien e, se á comp oba si la can idad de luido necesa io pa a e ige a el sis ema ambién meno . En es e con ex o, el esul ado ob enido as el balance de ene gía en el eac o indica que se án necesa ios 194,4 kg/s de sales undidas pa a e ige a lo. Análisis pa amé ico 64 Se da po concluido el análisis de sis emas de p oducción de po encia u ilizando un ciclo Rankine con ecalen amien o, exponiendo una con igu ación más e icien e en el Modelo 2, pe mi iéndonos diseña módulos de usión que p oduzcan menos po encia de usión pa a ob ene la misma p oducción de ene gía, educiendo así los cos es asociados a la po encia auxilia que necesa ia pa a ope a el eac o . Po úl imo, nos aden a emos en el análisis de los esul ados ob enidos en el Modelo 3, el cual u iliza un ciclo Rankine de CO2 supe c í ico. Es e en oque es ampliamen e u ilizado en sis emas de p oducción de po encia debido a sus en ajas en é minos de e iciencia y endimien o. Lo encon amos an o en es udios de plan as sola es de concen ación (52), como in eg ados a plan as de po encia de los SMRs de isión (25), y sob e odo un amplio uso en el campo de in es igación de la usión nuclea , des acando (28) (32) (42) y (54). Los pa áme os del modelado se ajus an a las p esiones u ilizadas en el in o me (42) pa a e alua el compo amien o de dis in os ciclos e modinámicos en eac o es compac os de baja elación de aspec o y al o g ado de con inamien o. También, se supone un sal o de empe a u as en los equipos in e cambiado es aco de a la li e a u a e isada. Así pues, los esul ados ex aídos del modelado del bloque de po encia pa a las p es aciones de un eac o de usión capaz de p oduci 82 MW h de almacenamien o de ene gía son los siguien es: Pun os Tempe a u a [ºC] P esión [ba ] m [kg/s] En ada sales . 480 4 200 Salida sales . 338,8 4 200 1 133,9 75 337,9 6 252,5 200 337,9 Tabla 13: Resul ados en el in e cambiado TES-Ciclo Modelo 3 Pun os En alpía [kJ/kg] Tempe a u a [ºC] P esión [ba ] 1 405 450 200 2 291,1 338,8 75 3 58,73 133,9 75 4 -109,1 35 75 5 -71,58 103,9 200 6 160,8 252,5 200 Tabla 14: Ca ac e ización del ciclo B ay on egene a i o con p ecoole Modelo 3 P es aciones del ciclo WT 113,9 kJ/kg Wc 37,54 kJ/kg Pelec 27,83 MWe ηCICLO 31,28 % Tabla 15: P es aciones del sis ema de con e sión de po encia Modelo 1 Análisis pa amé ico 65 Con as ando los esul ados del ciclo de po encia con los es udios, el caudal másico de s-CO2 es cohe en e con el esul ado ob enido en es os, al igual que ocu e con las empe a u as. Po lo an o, analiza emos el ciclo pa iendo de una base consis en e. Si bien es cie o que la mayo ía de la li e a u a e isada al espec o emplea es e ango de p esiones u ilizando dos cue pos de al a y baja p esión en cada una de las e apas, lo que mejo a el endimien o del ciclo y nos pe mi e abaja con máquinas más compac as y e icien es. Nó ese como como pa a nues o modelo, el endimien o no supe a el 32%, mien as que es e suele oscila en e el 40% y 50%. En un ace camien o p elimina al modelado de sis emas de po encia empleado es e ipo de ciclos, es a ap oximación nos si e pa a en ende su uncionamien o y discu i lo. En é minos de gene ación de po encia eléc ica, es e ipo de ciclos iene un eno me po encial ya que el abajo de comp esión del luido es sus ancialmen e meno que el de expansión. De es a mane a, se es ima una gene ación de 27 MWe empleando como uen e de calo ex e na sales en condiciones muy simila es a las u ilizadas en los modelos 1 y 2 pa a gene a apo . La op imización del ciclo se basa á en los equipos añadidos a es e, en es e caso el p ecoole . Po consiguien e, se es udia á cual es la empe a u a óp ima de en ada a comp eso . Ilus ación 5.3: Rendimien o del ciclo B ay on egene a i o en unción de la empe a u a as p ecoole Se ha alcanzado un máximo en o no a los 32ºC, lo que co esponde a un endimien o o al del ciclo del 31,68%. Es cie o que el endimien o no aumen a conside ablemen e, pe o es impo an e es e ipo de análisis pa a el pos e io dimensionamien o de los equipos, e i ando así sob edimensiona los. 5.2 Resumen del análisis Pa a da po concluido es e capí ulo, se ealiza á un b e e esumen de las conclusiones pa ciales ob enidas du an e el análisis: 30 32 34 36 38 40 0,3 0,302 0,304 0,306 0,308 0,31 0,312 0,314 0,316 0,318 0,32 Tpc [ºC] hSCO2 Análisis pa amé ico 66 § Del análisis del ciclo Rankine con ecalen amien o, as compa a ambos modelos, se ha conseguido escla ece las en ajas del Modelo 2 en e al 1, en e las que des aca el meno eque imien o de po encia de usión pa a ob ene una misma po encia eléc ica. § Pese a consegui el endimien o del ciclo meno de lo espe ado, el ciclo B ay on egene a i o u ilizando al dióxido de ca bono en es ado supe c í ico, es una opción o almen e álida debida a su inmensa capacidad de p oduci ene gía eléc ica debido a las ca ac e ís icas inhe en es al ciclo e modinámico empleado. 67 6 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS El con ex o ene gé ico ac ual y la u gen e necesidad de desca bonización nos impulsan a in es iga y desa olla ecnologías de usión nuclea como una solución p ome edo a pa a sa is ace nues as c ecien es demandas de ene gía de mane a sos enible y lib e de emisiones con aminan es. A pesa de que hemos log ado es ablece una base sólida en la in es igación de plan as modula es de usión, es e iden e que aún en en amos una se ie de desa íos signi ica i os en nues o camino hacia la implemen ación p ác ica de es as ins alaciones. En el es ado ac ual del a e de las plan as modula es de usión, nues o en oque se cen a en eac o es de usión compac os con baja elación de aspec o, ap o echando ecnologías de supe conduc o es. Sin emba go, debemos econoce que exis e un amplio ma gen pa a el desa ollo en es e campo. La in es igación y desa ollo en ecnologías de imágenes con supe conduc o es, así como en la esolución de desa íos écnicos y de ingenie ía, segui á siendo undamen al pa a hace ealidad es as plan as. Cabe des aca que, has a el momen o, no hemos podido es ima con p ecisión la po encia que es as plan as modula es de usión se án capaces de gene a , ya que los angos de ope ación son un ema que equie e una in es igación más p o unda y de allada. Es o implica la necesidad de ealiza es udios más exhaus i os y modelos más so is icados pa a e alua su capacidad de p oducción de ene gía de mane a e ec i a. Se á esencial conside a en u u as in es igaciones la mejo a de los ciclos e modinámicos que se adap en óp imamen e a las plan as modula es de usión. Además, debemos explo a en p o undidad cómo ex ae e icazmen e el calo del eac o y cómo abo da la in es igación en eac o es de dimensiones más educidas. Es os son aspec os c í icos que eque i án una a ención con inua y una in e sión en in es igación y desa ollo. En esumen, la in es igación en ecnología de usión nuclea es esencial en el con ex o de la ansición ene gé ica hacia un u u o más limpio y sos enible. A pesa de los a ances signi ica i os log ados has a la echa en el es udio de plan as de usión, queda un la go camino po eco e pa a hace ealidad es as ins alaciones modula es a g an escala. Es o equie e un comp omiso con inuo con la in es igación y la esolución de desa íos écnicos y de ingenie ía pa a lle a la usión nuclea desde el ámbi o eó ico has a la implemen ación p ác ica. 68 REFERENCIAS 1. Agencia In e nacional de la Ene gía. Ne Ze o by 2050: A Roadmap o he Global Ene gy Sec o . [En línea] 2022. h ps://www.iea.o g/ epo s/ne -ze o-by-2050. 2. BP. Ene gy Ou look 2023. [En línea] h ps://www.bp.com/con en /dam/bp/business- si es/en/global/co po a e/pd s/ene gy-economics/ene gy-ou look/bp-ene gy-ou look-2023.pd . 3. Agencia In e nacional de la Ene gía. Scaling up P i a e Finance o Clean Ene gy in Eme ging and De eloping Economies. [En línea] 2023. h ps://www.iea.o g/ epo s/scaling-up-p i a e- inance- o -clean- ene gy-in-eme ging-and-de eloping-economies. 4. —. Ene gy Technology Pe spec i es 2023. [En línea] h ps://www.iea.o g/ epo s/ene gy- echnology- pe spec i es-2023. 5. Agencia In e nacional de Ene gía A ómica. Fusion Ene gy o Peace and Sus ainable De elopmen . 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