UKAEA capabilities to address the challenges on the path to delivering fusion power

Abstract

Fusion power could be one of very few sustainable options to replace fossil fuels as the world's primary energy source. Fusion offers the potential of predictable, safe power with no carbon emissions and fuel sources lasting for millions of years. However, it is notoriously difficult to achieve in a controlled, steady-state fashion. The most promising path is via magnetic confinement in a device called a tokamak. A magnetic confinement fusion (MCF) power plant requires many different science, technology and engineering challenges to be met simultaneously. This requires an integrated approach from the outset; advances are needed in individual areas but these only bring fusion electricity closer if the other challenges are resolved in harmony. The UK Atomic Energy Authority (UKAEA) has developed a wide range of skills to address many of the challenges and hosts the JET device, presently the only MCF facility capable of operating with both the fusion fuels, deuterium and tritium. Recently, several major new UKAEA facilities have been funded and some have started operation, notably a new spherical tokamak (MAST Upgrade), a major robotics facility (RACE), and a materials research facility (MRF). Most recently, work has started on Hydrogen-3 Advanced Technology (H3AT) for tritium technology and a group of Fusion Technology Facilities.This article is part of a discussion meeting issue ‘Fusion energy using tokamaks: can development be accelerated?’

Can the development of fusion energy be accelerated? An introduction to the proceedings

“…He emphasized the different strategies for the development of fusion and their different balances of risk and speed. Ian Chapman's paper [33] speaks of the very exciting UK Atomic Energy Authority (UKAEA) scene at present, including the role of JET and its programme in support of ITER. The MAST upgrade is due to be running later this year and the meeting wished it good fortune!…”

“…Since the 1957 ZETA experiments at Harwell, plasma instabilities have been the bugbear of fusion. Howard Wilson's paper [32] gives us hope that fusion theory could help to mitigate their [33] speaks of the very exciting UK Atomic Energy Authority (UKAEA) scene at present, including the role of JET and its programme in support of ITER. The MAST upgrade is due to be running later this year and the meeting wished it good fortune!…”

Especies ligeras en materiales de interés para aplicaciones energéticas

“…Debido al incremento de la demanda energética global y la consecuente dependencia de los combustibles fósiles, la obtención de energía eléctrica a partir de la fusión nuclear se plantea como una solución alternativa que permitiría, además, reducir la emisión de CO2 y otros gases de efecto invernadero a la atmósfera [1][2][3][4][5]. Comparada con las fuentes de energía renovables, la fusión nuclear no presenta la naturaleza intermitente y estacional, ni los problemas de eficiencia en el almacenamiento que tanto caracterizan a estas primeras [1,3,5].…”

“…Se investiga en instalaciones como JET (Joint European Torus) o en los principales proyectos de colaboración internacional ITER y DEMO (International Thermonuclear Experimental Reactor, y Demonstration Power Station, respectivamente). La otra configuración más estudiada MCF es el Stellarator, destacando el construido por el Max-Plank-Institut für Plasmaphysik en Alemania [1,2,[6][7][8]. En la fusión nuclear por confinamiento inercial (ICF) el objetivo es maximizar la densidad de iones en el plasma, empleándose para ello una cápsula de combustible, típicamente de entre 1 y 5 mm de diámetro, sobre la que un láser de alta potencia deposita suficiente energía (de forma directa o indirecta) para calentar la superficie externa (ablator), causando la implosión del combustible por compresión, alcanzando densidades hasta 100 veces superiores a la inicial.…”

“…Independientemente del esquema empleado para lograr la fusión, uno de los componentes críticos para el desarrollo de la energía de fusión es el material expuesto al plasma (PFM), es decir, aquellos materiales capaces de soportar las condiciones de irradiación extremas que tienen lugar en el interior del reactor, como elevadas cargas térmicas o irradiación iónica en flujos altos [10][11][12][13][14]. Las condiciones específicas a las que se ve expuesto el PFM varían en función del esquema de confinamiento del plasma escogido: en el caso de ICF, estos materiales deberán lidiar con irradiación neutrónica, iones rápidos y rayos X en forma de pulsos intensos, mientras que si se considera MCF, componentes como el divertor deben soportar condiciones de operación notablemente más exigentes, como flujos térmicos estacionarios de alrededor de 10 MW m -2 y picos de flujos de partículas próximos a los 10 24 m -2 s -1 , durante eventos dinámicos (como los llamados edge-localized modes, ELMs) y disrupciones [1,2,[10][11][12]15]. Un breve resumen de los principales parámetros y condiciones característicos de ambos tipos de confinamiento se muestra en la Tabla 1.1.…”