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PROTECCIÓN RADIACTIVA Y SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE ACELERADORES DE ALTA INTENSIDAD DESTINADOS A SIMULAR EL DAÑO POR IRRADIACIÓN DE MATERIALES EN REACTORES DE FUSIÓN NUCLEAR

Curso 2018/2019/Subject's code28801462

PROTECCIÓN RADIACTIVA Y SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE ACELERADORES DE ALTA INTENSIDAD DESTINADOS A SIMULAR EL DAÑO POR IRRADIACIÓN DE MATERIALES EN REACTORES DE FUSIÓN NUCLEAR

NAME SUBJECT PROTECCIÓN RADIACTIVA Y SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE ACELERADORES DE ALTA INTENSIDAD DESTINADOS A SIMULAR EL DAÑO POR IRRADIACIÓN DE MATERIALES EN REACTORES DE FUSIÓN NUCLEAR
CODE 28801462
SESSION 2018/2019
DEGREE IN WHICH IT IS OFFERED MÁSTER UNIVERSITARIO EN INVESTIGACIÓN EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES
TYPE TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
ECTS 15
HOURS 375.0
PERIOD ANUAL
OFFER LANGUAGES CASTELLANO

PRESENTACIÓN Y CONTEXTUALIZACIÓN

La línea de investigación en la que aquí se encuadra el Trabajo fin de máster es la de Protección radiactiva y seguridad en el diseño de aceleradores de alta intensidad destinados a simular el daño por irradiación de materiales en reactores de fusión nuclear, y en concreto se refiere a los aceleradores integrantes de la instalación de irradiación EVEDA/IFMIF. Esta línea se oferta desde el Departamento de Ingeniería Energética y se incluye dentro del itinerario denominado también Ingeniería Energética. Las razones que a continuación se exponen justifican y avalan la relevancia del desarrollo de la instalación EVEDA/IFMIF para el desarrollo de la energía de fusión nuclear dentro del contexto internacional. En la actualidad no se dispone de materiales aptos para ser utilizados en las futuras centrales de fusión nuclear, al no satisfacer las dos propiedades básicas que se les exige: ser resistentes al daño producido por la exposición a la radiación a la que se van a ver sometidos, y al mismo tiempo ser materiales de activación reducida, es decir, que posibiliten un comportamiento atractivo de la fusión en lo que respecta a temas de seguridad y producción/gestión de residuos radiactivos.

El desarrollo y calificación de nuevos materiales capaces de resistir la extraordinariamente exigente exposición neutrónica (flujos muy intensos, fluencias muy altas y neutrones de 14 MeV de energía) existente en los futuros reactores comerciales de fusión nuclear es un paso esencial para llegar al reactor (DEMO) que debería suceder al ITER y tendría que demostrar la eficiencia de la conversión de energía de fusión en electricidad.

Mientras el daño causado por irradiación será del orden de 30 dpa (1 dpa, desplazamiento por átomo, significa que cada átomo en el material es desplazado en promedio 1 vez de su posición en la red cristalina, provocando defectos estructurales) al año para el DEMO, será solo de 3 dpa al final de toda la vida operacional de ITER. Es en este contexto donde surge la necesidad de alguna instalaron de irradiación que sea capaz de simular las condiciones de daño esperables en un reactor de fusión y haciendo uso de ella poder desarrollar los materiales idóneos a utilizar en la construcción de los mismos.
El Proyecto denominado Internacional Fusion Material Irradiation Facility, IFMIF, es que tiene por objetivo el diseño y construcción de dicha instalación de irradiación.

El empuje definitivo al Proyecto IFMIF tuvo lugar en el año 2007. Durante las negociaciones para la localización del ITER, los distintos países participantes en el Proyecto evaluaron el interés de establecer un programa completo sobre energía de fusión. Fruto de ello, y en paralelo al ITER se decidió la aprobación del “Broader Approach”/“Enfoque Ampliado a la Investigación en la Energía de Fusión” firmado entre la UE y Japón, con fecha de entrada en vigor el 1 Junio de 2007, cubriendo tres grandes proyectos: IFMIF-EVEDA, el tokamak superconductor JT60-SA y el centro de computación IFERC.
IFMIF, es una fuente de neutrones de alta intensidad que se va a construir en la próxima década para desarrollo y cualificación de materiales para futuros reactores de fusión. La instalación incluye dos aceleradores que deben producir dos haces de deuterones (de 40 MeV y 125 mA cada uno) que impactan de forma continuada en un blanco de litio líquido cediendo una potencia de 10MW, para dar lugar a un chorro de neutrones de alta intensidad a energías de 14 MeV. Este tipo de instalación/acelerador supone en muchos aspectos avances de dos órdenes de magnitud en relación a los aceleradores del mismo tipo existentes en la actualidad.

La implementación de un proyecto tan ambicioso requiere como primera fase de la construcción de prototipos de los principales sistemas: IFMIF-EVEDA (Engineering Validation Engineering Design Activities) incluye tres grandes módulos de trabajo: prototipo de acelerador, blanco de litio y celdas de ensayo. Las actividades, planeadas y con financiación ya comprometida para un periodo de seis años, serán compartidas entre grupos de trabajo de Japón y la Unión Europea. La contribución de España al Proyecto IFMIF-EVEDA es muy importante, siendo responsable de varias actividades y participante en otras varias. En relación a las actividades de radioprotección y seguridad del diseño del acelerador EVEDA-IFIMF España es corresponsable junto a Francia del desarrollo de las mismas.

La importancia del trabajo de fin de máster se ve reflejado en el número de créditos ECTS del mismo, 15, y en las horas de dedicación que debe emplear el estudiante, unas 375 horas de trabajo. Y como se quiere remarcar, la finalización de este trabajo debe ser fruto de su madurez en las materias técnicas del master así como en las competencias adquiridas.

Para ubicar el trabajo de investigación en el marco de la línea de instigación vamos a hacer una serie de consideraciones relativas a la instalación EVEDA/IFMIF.

Objetivos fase EVEDA:

El programa denominado “Engineering Validation and Engineering Design Activities for the International Fusion Materials Irradiation Facility (referido como proyecto IFMIF-EVEDA o fase EVEDA) con periodo de duración 2007-2013, incluye como principales objetivos los siguientes:

  • Definición del diseño de ingeniería de la instalación IFMIF. Lo que conlleva a estudios de integración e ingeniería, elaboración de los planes detallados de construcción, especificaciones de los equipos y de los aspectos más críticos asociados al desarrollo de los mismos, análisis genéricos de seguridad y radioprotección, etc.
  • Validación de los conceptos, mediante la construcción de tres prototipos: un acelerador, blanco de litio a escala 1:3, las celdas para ensayo de materiales.

Por lo que respecta a la Unión Europea, las actividades del Acelerador son lideradas por tres países: Francia (DSM/DAPNIA-Saclay), España (CIEMAT-Madrid), Italia (INFN-Legnaro).
La coordinación de los estudios y realización del acelerador prototipo se han confiado al Equipo Europeo (Accelerator System Group, ASG IFMIF-EVEDA).

Localización:

Los componentes del acelerador EVEDA se diseñaran, construirán y parcialmente se someterán a ensayo en Europa. El ensamblaje final del acelerador, y las pruebas asociadas a la demostración de la fase de puesta en funcionamiento a una mayor potencia del haz se llevarán a cabo en los edificios e infraestructuras suministrados por Japón en el emplazamiento de Rokkasho. El emplazamiento de la instalación IFMIF que debería empezar a construirse en el año 2013, una vez finalizad la fase EVEDA no está elegido, siendo España uno de los países que podría optar al mismo.

Medios Técnicos:

La construcción de un acelerador con las características indicadas anteriormente (IFMIF: 40 MeV, 2 x 125 mA) se enmarca en el nuevo campo de los problemas de los aceleradores de alta intensidad y alta potencia. Precisa del desarrollo de los elementos siguientes:

  • Fuente de iones de alta intensidad, suministrando un haz de deuterones de 140 mA a 100 keV;
  • Una cavidad RFQ (Radio Frequency Quadripole) capaz de acelerar los iones hasta 5 MeV de energía;
  • Una sección de adaptación;
  • Los elementos del acelerador lineal necesarios para obtener la energía final (alrededor de 10 MeV para la fase EVEDA y 40 MeV para IFMIF);
  • Una línea de transporte hasta el beam-dump (elemento en el que se ha de depositar el  haz de iones) de 1,2 MW en la fase EVEDA y hasta el litio liquido de 5 MW para IFMIF.

Además, se requiere diseñar e implementar todas actividades necesarias para poder asegurar que el acelerador va a alcanzar los objetivos de seguridad/radioprotección que se establezcan, así como diseñar e implementar los elementos de control e instrumentación especifica par caracterizar el haz. El acelerador EVEDA debiera entrar en funcionamiento a finales del 2010.

En el momento actual de desarrollo de IFMIF, fase EVEDA para validación del diseño de ingeniería, y en lo que respecta a las actividades del acelerador, España es responsable fundamentalmente de las tres siguientes tareas: i) sistema de radiofrecuencia que alimenta las cavidades de este acelerador prototipo, ii) sistema beam-dump (absorbedor del haz) y iii) corresponsable junto a Francia de la actividades de seguridad/radioprotección relacionadas con el diseño de los elementos del acelerador y del diseño del beam dump.

El CIEMAT es la entidad responsable de coordinar la ejecución de los proyectos en que España participa. Las actividades relativas a los estudios de seguridad/radioprotección para el acelerador EVEDA y para la definición del diseño de ingeniería del acelerador de IFMIF han sido delegadas a nivel técnico al grupo de la UNED, que es el responsable dentro del grupo de trabajo europeo, Accelerator System Group, ASG IFMIF-EVEDA, de coordinar y dar cuenta de la actividad española en el campo.

IFMIF-DONES:

Todas las actividades desarrolladas dentro del marco de la UE para el proyecto IFMIF-EVEDA, han cristalizado recientemente en el nuevo proyecto ENS (Early Neutron Source) del programa Eurofusion para el desarrollo de la instalación IFMIF-DONES. España, a través del CIEMAT, coordina dicho proyecto, teniendo la UNED una partcipación relevante en el mismo.

Es dentro de estas actividades donde se encuadrarán los posibles trabajos a realizar por el estudiante si elige esta línea de investigación. Los contenidos de los posibles trabajos se mencionarán en las secciones siguientes.

La relación del trabajo de investigación con las otras asignaturas del máster se indica en la sección siguiente, referida a conocimientos previos.

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