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Defensa de tesis sobre el Diseño de una instalación experimental para extracción de tritio de la aleación eutéctica plomo-litio

 

11/02/2019

Fusión nuclear

La investigadora Belit Garcinuño Pindado, perteneciente al Laboratorio Nacional de Fusión, defendió el pasado viernes 18 de enero su tesis doctoral centrada en el "Diseño de una instalación experimental para extracción de tritio de la aleación eutéctica plomo-litio" obteniendo la calificación de sobresaliente cum laude. Este trabajo, desarrollado en la División de Tecnologías para la Fusión del CIEMAT, se centra en el problema asociado a la recuperación de tritio para la operación de reactores de fusión de un modo auto-sostenible.

La tesis ha estado dirigida por el Dr. David Rapisarda Socorro, del Laboratorio Nacional de Fusion (CIEMAT), y el Dr. Javier Sanz Gozalo, de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED). El Tribunal para la defensa ha estado compuesto por los doctores Joaquín Sánchez Sanz (CIEMAT), Fabio Cismondi (EUROfusion) y Natalia Casal Iglesias (ITER Organization).

EL trabajo de esta tesis se ha centrado en un reactor DEMO operado con un breeding blanket (manto reproductor) de tipo DCLL (Dual Coolant Lithium Lead), que utiliza la aleación eutéctica PbLi como regenerador de tritio, multiplicador de neutrones y refrigerante principal, siendo CIEMAT el instituto europeo que lidera los trabajos de diseño y desarrollo de este concepto de blanket. Uno de los sistemas más importantes  del reactor es el sistema de extracción de tritio, que se encarga de extraer el tritio generado para enviarlo a la planta de tritio y posteriormente ser reinyectado en el plasma. La opción seleccionada como tecnología de extracción de tritio en DEMO para blankets basados en metal líquido es la permeación contra vacío (Permeation Against Vacuum, PAV). Dado que no hay resultados experimentales que validen la aplicabilidad de esta técnica, el objetivo principal de esta tesis se ha centrado en el diseño de una instalación experimental, CLIPPER, capaz de demostrar la viabilidad de la tecnología PAV como sistema de extracción de isótopos de hidrógeno. Dicha instalación consiste en un circuito cerrado de metal líquido que lleva asociados una serie de componentes necesarios para dar soporte a la actividad, fundamentalmente un extractor (PAV) y un sistema de inyección de gas. El circuito se ha diseñado de acuerdo a los parámetros de operación de los breeding blankets y su sistema de extracción de tritio, para así obtener unos resultados relevantes y extrapolables a DEMO.

Durante el transcurso de la tesis ha sido necesario el desarrollo de modelos de transporte que definan el diseño de los sistemas de extracción y de inyección. Estos modelos simulan los flujos de gas a través de membranas permeables a isótopos del hidrógeno, teniendo en cuenta el movimiento del fluido en el interior de los canales. Siguiendo estos resultados se ha diseñado y fabricado un prototipo a pequeña escala de PAV consistente en membranas de vanadio soportadas en una estructura de acero inoxidable. Además, se ha realizado una caracterización completa de la membrana de vanadio (análisis químico, permeabilidad, caracterización mecánica, ensayo de soldadura) que proporciona la información necesaria para la operación experimental.

Puesto que no se dispone de fuente neutrónica que pueda generar tritio en el seno del metal líquido, otro elemento clave en el circuito es el sistema de inyección de gas. Este dispositivo se encarga de asegurar la concentración deseada de hidrógeno o deuterio en el PbLi. En esta tesis se ha presentado un enfoque novedoso basado en permeación forzada. Sus principales ventajas respecto a otras técnicas empleadas en el campo (principalmente inyección de burbujas en el líquido) son una mejor solubilización del hidrógeno en el PbLi y una distribución uniforme del gas dentro del mismo. El diseño final del inyector consiste en un conjunto de tubos de niobio, utilizados como membrana permeable, envueltos por una carcasa de acero que contiene el gas a inyectar.

Todo el trabajo desarrollado se encuentra condensado en el diseño final de la instalación experimental CLIPPER, que será construida a mediados de este año en CIEMAT. Además del desarrollo de los sistemas no comerciales, el diseño incluye todos los demás componentes necesarios para la operación del mismo (bomba, tanques, válvulas, sensores, etc.). Dado que el PbLi se puede oxidar rápidamente cuando es expuesto a la atmósfera, el proceso de fundido se llevará a cabo en un tanque externo al circuito que se encuentra en una caja de guantes con atmósfera inerte. Esto permitirá el análisis de muestras previo al experimento y la posibilidad de eliminar impurezas presentes en el metal líquido antes de llenar el lazo.

El diseño de CLIPPER es lo suficientemente flexible como para dar respuesta a las necesidades de los diferentes breeding blankets que se están estudiando actualmente en Europa. Asimismo permitirá decidir si la permeación contra vacío es realmente la técnica más adecuada para extraer el tritio en DEMO.


Fotografías:

Fotografía 1.  Belit Garcinuño junto al Tribunal de su tesis. De izquierda a derecha: Dr. Fabio Cismondi, Belit Garcinuño, Dr. Joaquín Sánchez y Dra. Natalia Casal.

Fotografía 2.  Belit Garcinuño con sus directores de tesis. De izquierda a derecha:  Dr. Javier Sanz y Dr. David Rapisarda.

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