El Diseño del I.T.E.R.


El Diseño General ....El Plasma....Sistemas Magnéticos....Vasija del Reactor

El Diseño General


El proyecto ITER se está diseñando como un gran "tokamak" es decir, una configuración (en forma de anillo) toroidal en la cual se puedan crear y mantener las condiciones para que el él se realicen las reacciones controladas de fusión.

El volúmen de plasma en el ITER debe ser lo bastante grande para asegurar las condiciones de multiplicación a altas energías sean alcanzadas.

Los imanes del llamado "Superconducting" confinan y controlan el plasma que reacciona e inducen una corriente eléctrica a través de el. La energía generada en las reacciones es absorbida por los componentes que conforman la superficie interior del recipiente. Estos componentes también ayudan a mantener la pureza del plasma y su calor absorbido, ademas de servir de soporte a las muestras de materiales que sirven para "test".

Un barrera biológica rodea los imanes y la vasija del reactor. Esta estructura de hormigón hace que las dosis de radiación presentes minimizen la activación de los equipos circundantes y permita el acceso al personal a los equipos no mucho tiempo después de que el tokamak haya sido parado. La barrera biológica es una parte integral del edificio del tokamak ademas de estar presente en otros edificios, sistemas de soporte tales como los sistemas de refrigeración.

Todos estos componentes y sistemas necesitan ser montados y probados antes de la operación.

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El Plasma


Para conseguir unas condiciones sostenibles de fusión, el plasma, mezcla ionizada caliente de dos isótopos del hidrógeno, el deuterio y tritio, debe alcanzar temperaturas muy elevadas para superar la repulsión de los núcleos atómicos (del orden de 100 millones de Cº) y debe ser mantenido lo suficientemente denso y confinado un mínimo tiempo necesario para compensar las pérdidas de energía.

Para la operación nominal se considera representativo el valor de 3 x 1021 m-3.keV.sec del producto de temperatura, densidad y tiempo de confinamiento.

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Sistemas Magnéticos







Las bobinas toroidal y poloidal del campo magnético confinan, dan forma y controlan el plasma del ITER.

Los sistemas magnéticos del ITER consisten en:
-18 bobinas de campo Toroidales (TF)
-6 bobinas del campo Poloidal (PF)
-1 bobina del solenoide Central (CS)
-Varias bobinas para correciones
-Estructuras soporte

Estan montadas en un conjunto integrado y compacto que ayude al equilibrio de las cargas electromágneticas.

Todas las bobinas estan refrigeradas por un flujo supercrítico de helio mantenido por bombas de circulación criogénicas.

La bobina del Solenoide Central (CS) pesa cerca de 840 t, y tiene cerca de 12m. de alto y 4m. de diámetro. Consiste en un apilado de 6 módulos eléctricos independientes que permiten el adecuado control de la forma interior del plasma.
El apilado está comprimido para mantener su integridad bajo todas las condiciones de funcionamiento.

Cada bobina del Campo Toroidal (TF) pesa cerca de 290 t, y tiene unos 14m. de alto y 9m. de ancho.
Las bobinas del CS y del TF utilizan como superconductor el Nb3Sn.
Las bobinas del TF, unas 1100 espiras de 0,7 mm de diámetro, se devanan dentro de un tubo de metal 4 cm de diámetro para formar conductores de longitudes de 820 m.
El helio supercrítico fluye dentro del tubo alrededor de las espiras y desciende por una abertura central para refrigerarlos.

El Nb3Sn es frágil, y en las espiras, inicialmente, el Nb y el Sn están separados (así como su matriz de cobre) para luego reaccionar juntos después del tratamiento de calor de 200 horas en 650°C.
Después de que el conductor se haya adaptado a la forma requerida a la bobina y se ha sometido al tratamiento térmico, se le aísla eléctricamente con una funda de fibra de vidrio y de 'kapton'.
La fibra de vidrio y el kapton se rellenan con resina epoxy líquida para su curado y endurecimiento.
El conductor, el aislamiento y el refuerzo estructural se enlazan juntos formando paquetes rígidos.

Ya se ha comentado la fragilidad del Nb3Sn, lo que trae consigo que su fabricación sea un proceso relativamente costoso.
Sin embargo, las bobinas del campo poloidal (PF) ocupan una región en las que las caracteristicas del campo resulta que pueda utilizarse devanados de NbTi (Niobio-Titanio), con lo que los costos son inferiores.

El tokamak del ITER esta situado dentro de un sistema criostático. Para este voluminoso equipo (~14000 m3) es un recipiente que proporciona el aislamiento térmico para las bobinas magnéticas y actúa como una segunda barrera.
Consiste en una sección a cilíndrica empernada y sellada mediante soldadura en las cabezas de su parte superior e inferior.
La vasija supone un desafío debido al gran número (~400) de penetraciones que dispone.
Mientras que el vacio interno minimiza los efectos no deseados de transferencia de calor por convección, las barreras térmicas colocadas entre las piezas magneticas frias y las calientesminimizan los efectos de perdida de calor por radiación. Estas barreras son paneles de acero inoxidable enfriadas por gas Helio a 80ºK.

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La Vasija y Componentes Internos

El recipiente principal y sus componentes internos tienen como funciones principales las de:





La cubierta (ver dibujo) absorbe el calor irradiado por el plasma asi como actúa de barrera a la radiación neutrónica.

En la parte inferior de la vasija, hay un desviador de flujo (divertor) cuya misión es extraer del caudal las particulas resultado de la fusión asi como eliminar impurezas del plasma.
El divertor consiste en 54 módulos que facilitan no solo soporte mecánico, sino tambien una geometría que facilite el cambio de forma del plasma en casos necesarios para pruebas, etc.
Tiene capacidad para resistir el efecto de potencias hasta 210 Mw.

Debido a las incertidumbres de las formas que adoptará el flujo de plasma, se ha dificil dar una vida determinada al 'divertor', sin embargo su forma y situación hacen que sea relativamente facil su sustitución total o parcial.
El material que utiliza es de mezclas de Carburos de Cobre, Cromo, Zirconio y Tungsteno.

El recipiente del vacío esta dividido toroidalmente en 9 sectores soldados en su plano central. Es una estructura 'todo-soldada' de acero inoxidable y con un doble carcasa acanalada. El grueso total de esta estructura es de 0,3-0,8 m. y el espacio libre entre sus dos capas se llena de agua para blindar los efectos neutrónicos.
En su composición entra material ferromagnético, para así reducir la ondulación toroidal del campo y hacerlo más uniforme.








La vasija de vacío proporciona un entorno con alto vacío para el plasma y la primera barrera contra escapes radiactivos desde el recipiente hacia el exterior.
El recipiente asi mismo prporciona la eliminación del calor residual del calor de decaimiento de los productos radioactivos mediante la conveccion natural de agua.
En el recipiente se hallan los puntos de acceso para los módulos y el divertor y refrigera en parte las bocas de acceso.







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