Dentro de las posibilidades de disponer de una fuente de energía aceptable desde el punto de vista de la sostenibilidad, la Fusión Nuclear se presenta como una de las alternativas que goza de mayor atractivo y consideración a nivel de investigación y desarrollo dentro del panorama energético mundial. Las dos vías en que se centran los esfuerzos para lograr explotar la energía nuclear de fusión como fuente de energía son la fusión por confinamiento magnético (FCM) y la fusión por confinamiento inercial (FCI).

Para el desarrollo de la fusión nuclear es clave demostrar no sólo la viabilidad de la ganancia energética de los procesos de fusión, sino también, que el funcionamiento de las futuras plantas de fusión será aceptable por el entorno social. A este respecto destacan especialmente tres aspectos prácticos:

• Seguridad para los trabajadores de las plantas.
• Gravedad de potenciales accidentes con emisión de efluentes radiactivos.
• Generación de residuos radiactivos.

En esta asignatura se analizan y responden en profundidad dos de las grandes cuestiones de la tecnología de fusión: su potencialidad en lo que respecta a seguridad e impacto medioambiental y la gestión de residuos radiactivos.

La asignatura “Seguridad e impacto medioambiental de instalaciones de fusión nuclear”, es una de las tres asignaturas ofertadas por el Departamento de Ingeniería Energética para el itinerario de mismo nombre en el Máster Universitario en Investigación en Tecnologías Industriales.

La asignatura viene a completar y ampliar los conocimientos adquiridos por los alumnos durante sus estudios de grado sobre ciencia e Ingeniería Nuclear, tratando un tema clave de lo que se espera sea la nueva tecnología nuclear: la tecnología nuclear de fusión y bajo la perspectiva de investigar su potencialidad como fuente de energía segura y respetuosa con el medioambiente. En ella se pretende, fundamentalmente, que el alumno adquiera los conocimientos específicos que le permitan su formación para abordar actividades de investigación en el campo de la seguridad, protección radiológica y gestión de residuos de las centrales e instalaciones experimentales de fusión nuclear y también, aunque en menor extensión, de las instalaciones de irradiación concebidas para el desarrollo de materiales de las centrales de fusión.

El aprendizaje de esta asignatura va a permitir abordar con garantiza la posible realización del trabajo fin de máster y futura tesis doctoral en dos de las líneas de investigación que se ofertan en este Máster, y en las que el equipo docente es responsable de distintas actividades dentro de Programas Internacionales. Estas son:

• Seguridad e impacto medioambiental en el diseño de instalaciones experimentales y en plantas conceptuales nucleoeléctricas de fusión.
• 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.

La relevancia de la investigación sobre la Energía de Fusión Nuclear y su potencialidad en cuanto a seguridad e impacto medioambiental reducido, y por tanto de los contenidos de esta asignatura que es hacia donde van dirigidos, se pone de manifiesto en las líneas de actuación de la Unión Europea dentro de sus programas marco. La justificación del programa se puede fundamentar en las consideraciones que a continuación comentamos.

El abastecimiento energético de Europa adolece de graves deficiencias tanto a corto como a medio y largo plazo. En particular, se requieren medidas que aborden los problemas de la seguridad de abastecimiento, el cambio climático y el desarrollo sostenible, sin poner en peligro el futuro crecimiento económico.

La estrategia europea para alcanzar este objetivo a largo plazo implica, como primera prioridad y dentro del marco de la fusión por confinamiento magnético, la construcción del ITER (una gran instalación experimental que demostrará la viabilidad científica y técnica de la energía de fusión), seguida de la construcción de DEMO, una central eléctrica de fusión con fines de «demostración». Este trabajo irá acompañado de un programa dinámico de apoyo a la I+D para el ITER y para los materiales de fusión, las tecnologías y la física que requiere la DEMO. En esta labor participarían la industria europea, las asociaciones de la fusión y los países no comunitarios, especialmente las partes en el Acuerdo ITER. La instalación ITER se encuentra actualmente en construcción en el sur de Francia, y se prevé su puesta en marcha para finales del año 2025.

Por lo que respecta a las actividades para preparar el reactor DEMO, se dice que con ellas se trata de dar un fuerte impulso al desarrollo de los materiales de fusión y las tecnologías clave en este campo, incluidos los mantos, así como de establecer un equipo de proyecto especializado que prepare la construcción de la Instalación Internacional de Irradiación de Materiales (International Fusion Materials Irradiation Facility – Demo Oriented Neutron Source, IFMIF-DONES) para cualificar los materiales destinados a la DEMO. Se incluyen aquí pruebas de irradiación y modelización de materiales, así como estudios sobre el diseño conceptual de la DEMO, y sobre los aspectos de seguridad, medioambientales y socioeconómicos de la energía de fusión. Esta instalación tiene planeada su construcción en España, con una fecha estimada de puesta en marcha en 2027.

Existe una aproximación tecnológica alternativa al confinamiento magnético, que es el confinamiento inercial, tiendo como instalaciones clave el Laser Megajoule (LMJ) francés y el National Ignition Facility (NIF) en los EEUU. Recientemente en 2022 se consiguió en el NIF las condiciones de ignición, siendo publicitado como un gran éxito de esta tecnología.

El equipo docente de esta asignatura pertenece al grupo de investigación de tecnologías de fisión fusión y fuentes de irradiación (TECF3IR) de la UNED. Este grupo realiza tareas de investigación y desarrollo en radioprotección de instalaciones de fusión nuclear y aceleradores, participando oficialmente en proyectos internacionales tan prestigiosos como el reactor ITER o, dentro del marco de la agencia europea Eurofusion, de las instalaciones DEMO e IFMIF-DONES. Recientemente también participa de iniciativas privadas de los EEUU para el diseño de una cámara de reacción para fusión por confinamiento inercial.

Para iniciar el estudio del curso son necesarios conocimientos de ciencia y tecnología nuclear a nivel fundamental. Si dichos conocimientos previos son limitados, debe consultarse con el equipo docente para recibir orientaciones precisas que permitan enfocar el estudio de forma adecuada, y en su caso estudiar durante el curso algún tema de apoyo.

Es necesario tener conocimientos suficientes para lectura en inglés técnico

Los estudiantes podrán contactar al equipo docente en cualquier momento y principalmente mediante el foro de comunicación del curso virtual, sobre todo para cuestiones que puedan ser del interés de todos los estudiantes. Adicionalmente y para una comunicación personal, se anima a los estudiantes a utilizar el correo electrónico o el teléfono (ver datos en la sección “Equipo docente”), así como la plataforma de mensajería MS Teams cuyo servicio provee la UNED.

La dirección postal de los profesores se puede consultar en las páginas web de la ETSI Industriales. El horario de atención a estudiantes en esas dependencias será:

• D. Francisco Ogando: Martes y Jueves de 16 a 18h. Despacho 0.15.
• D. Javier Sanz: Martes y Miércoles de 16 a 18h. Despacho 2.18.
• D. Rafael Juárez: Martes y Jueves de 16 a 18h. Despacho 0.15.

El apoyo a los estudiantes se realizará tanto para asimilar los contenidos de la asignatura, explicar su modo de funcionamiento o de cualquier otra manera que mejore el rendimiento del estudio. En especial se anima a contactar, a los estudiantes que presenten lagunas iniciales de conocimiento, que puedan ser mitigadas con lecturas adicionales.

Competencias Básicas:

CB6 - Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación

CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio

CB8 - Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios

CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades

CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

Competencias Generales:

CG01 - Desarrollar capacidad de análisis y síntesis de la información científico-técnica

CG02 - Adquirir el conocimiento de los métodos y técnicas de investigación

CG03 - Adquirir destrezas en la búsqueda y gestión bibliográfica y documental

CG04 - Desarrollar capacidad de razonamiento crítico

CG05 - Desarrollar habilidades técnicas, de análisis y síntesis: resolución de problemas, toma de decisiones y comunicación de avances científicos.

CG06 - Desarrollar habilidades sistémicas (metodológicas): aplicación de conocimientos; habilidades en investigación; y creatividad

Competencias Específicas:

CE1 - Evaluar el impacto medioambiental de las tecnologías industriales bajo estudio

CE8 - Tomar conciencia de la importancia de la adquisición del conocimiento científico a la luz de la teoría de la ciencia actual, así como de la diversidad metodológica

Los objetivos de la asignatura son los siguientes:

• Conocimiento de la física básica asociada a las diferentes soluciones (FCI y FCM) propuestas para la explotación de las reacciones de fusión como fuente de energía.
• Fundamentar la potencialidad de la fusión nuclear en lo que respecta a la seguridad operacional, el impacto medioambiental y la seguridad física a la no proliferación.
• Conocer la descripción funcional de los distintos sistemas que integran las instalaciones experimentales y diseños conceptuales de centrales eléctricas de fusión asociadas a las dos vías propuestas (FCI y FCM) para el desarrollo tecnológico de la energía de fusión nuclear.
• Saber fundamentar la definición de objetivos de la fusión nuclear con respecto a la seguridad y el impacto medioambiental.
• Entender el efecto de la selección de materiales en la consecución de centrales eléctricas de fusión seguras y respetuosas con el medioambiente.
• Entender el papel de los aceleradores de alta intensidad tipo IFMIF-DONES en el desarrollo de materiales para los reactores de fusión.
• Entender el origen, cantidad y nivel de radiotoxicidad de los residuos generados en las instalaciones experimentales y diseños conceptuales de centrales eléctricas de fusión.
• Entender el origen y niveles de dosis asociadas a las situaciones accidentales más severas que pudieran concebirse en las instalaciones experimentales y diseños conceptuales de centrales eléctricas de fusión.
• Conocimiento básico de la problemática de seguridad, protección radiológica y generación de residuos en el diseño de reactores de fusión tipo ITER como en aceleradores del tipo IFMIF-DONES.
• Comprender cómo se integran los diferentes elementos (programas y bases de datos) computacionales constituyentes de la metodología de cálculo a utilizar en la evaluación de la seguridad, impacto medioambiental y protección radiológica de instalaciones y centrales de fusión nuclear y de aceleradores de alta intensidad tipo IFMIF-DONES concebidos para desarrollo de materiales de reactores de fusión.

Objetivos de aprendizaje

En esta asignatura se pretende, fundamentalmente, que el alumno adquiera los conocimientos específicos que le permitan su formación para abordar actividades de investigación en el campo de la seguridad, protección radiológica y gestión de residuos de las centrales e instalaciones experimentales de fusión nuclear y también, aunque en menor extensión, de las instalaciones de irradiación concebidas para el desarrollo de materiales de las centrales de fusión. A partir de este objetivo básico, se establecen los tres objetivos puntuales que a continuación se exponen y enlazan de forma secuencial.

Primeramente, se pretende que el alumno adquiera un grado de comprensión adecuado sobre la física inherente al funcionamiento de una central de fusión nuclear, sea del tipo FCI o FCM, y fundamentalmente llegue a asimilar cuales son los principales problemas que habrá que resolver para hacer de la fusión nuclear una fuente de energía competitiva y aceptable a nivel social. En segundo lugar, se pretende que el alumno llegue a ser capaz de comprender, plantear y analizar cuáles son los problemas fundamentales de la fusión en lo que respecta a las cuestiones de seguridad e impacto medioambiental, y las posibles estrategias que se plantean para su solución. Dentro de ellas se encuentra la de desarrollar materiales de baja activación resistentes al daño neutrónico, lo que precisa el uso y diseño de nuevas instalaciones de irradiación, cuya problemática de seguridad, protección radiológica y generación de residuos debe ser planteada y conocida. De esta forma se pretende que el alumno asimile el estado actual de la investigación y desarrollo en estas áreas de la tecnología de la fusión nuclear, y las metas a las que se quiere llegar.

Finalmente, con el tercer objetivo se pretende que el alumno conozca cómo se abordan los problemas del análisis de seguridad, radioprotección y de producción y gestión de residuos radiactivos haciendo uso de la simulación computacional. También se pretende que el alumno adquiera destreza en la utilización de alguno de los programas de simulación numérica integrados dentro de la metodología computacional diseñada para análisis de seguridad y radioprotección. Se han desarrollado unas prácticas virtuales para poder comprobar los efectos de la selección de materiales en el diseño de blindajes contra la radiación.

La metodología de aprendizaje se basa en el modelo de educación a distancia de la UNED. Las actividades formativas están basadas principalmente en la interacción con el Equipo Docente y el trabajo autónomo de los estudiantes. El equipo docente proporcionará orientaciones y material de apoyo para el estudio de la asignatura y atenderán las consultas que planteen los alumnos. El trabajo autónomo estará marcado por una serie de actividades de aprendizaje, tales como el estudio de contenidos teóricos y la realización de pruebas de evaluación continua, prácticas virtuales de laboratorio y pruebas presenciales.

El alumno dedicará aproximadamente un 60% de la duración del curso a la lectura comprensiva del material de estudio de la asignatura. Durante el desarrollo del curso el estudiante deberá entregar una o más pruebas de evaluación a distancia y prácticas virtuales que supondrán alrededor del 30% del tiempo de estudio. Un 10% de la asignatura se dedicará a la preparación específica del examen presencial.

El marco en el que se desarrollará el curso será el curso virtual, que será la herramienta principal de comunicación entre los estudiantes y el equipo docente y de los estudiantes entre sí. A través de esta plataforma virtual el estudiante tendrá acceso principalmente a los siguientes elementos de apoyo:

1. El módulo de contenidos, en el que se pondrán a disposición de los estudiantes unos apuntes complementarios sobre mecánica de fluidos y una Guía de Estudio en la que se recogerán recomendaciones sobre el estudio de la asignatura y toda la información necesaria actualizada.
2. Prueba de evaluación continua, que constará de una serie de cuestiones teórico-prácticas que permitirá al estudiante hacer un seguimiento de su progreso en la adquisición y asimilación de conocimientos y servir de medio de evaluación junto con la prueba presencial.
3. Prácticas virtuales de simulación, en las que se propondrán unos problemas que deberán resolverse con la ayuda de las herramientas de simulación remota del área de ingeniería nuclear.
4. El foro de debate, en los que el estudiante podrá ir planteando las dudas que le vayan surgiendo en el estudio de los contenidos de la asignatura, y en los que recibirá las correspondientes aclaraciones por parte del equipo docente. Los estudiantes también podrán participar en los foros contestando cuestiones formuladas por sus compañeros.

Se estima que la distribución del tiempo de los estudiantes en las diferentes actividades será aproximadamente:

1. Estudio de contenidos: 70%
2. Prueba de evaluación contínua: 15%
3. Práctica de simulación: 10%
4. Participación en el curso virtual: 5%

Libro distribuido en abierto

• K. Fernández, A. Barbas, Curso Básico de Fusión Nuclear, SNE+JJNN (2017)

Artículos de investigación

• R. Hancox, “The environmental impact of fusión reactors” (1992).
• I. Cook, et al, “Safety and environmental impact of fusion”, EFDA-S-RE-1 (2001).
• P. Vladimirov, "Displacement damage and transmutations in metals under neutron and proton irradiation" (2008)

Apuntes del equipo docente

• J. Sanz, “Seguridad e impacto medioambiental de instalaciones de fusión nuclear. Metodología de análisis y aplicaciones” (2007).
• R. Juárez, F. Ogando, “Retos y soluciones en neutrónica de fusión” (2019).

Manual de prácticas:

• F. Ogando, "Guía de la práctica MCBLIND". Se utilizará junto con una herramienta de simulación por ordenador.

Perspectivas de la fusión nuclear

• EUROfusion, European Research Roadmap to the Realisation of Fusion Energy (2018).
• ITER web site, Project milestones.
• Instalación de irradiación IFMIF-DONES.

Daño de materiales por irradiación

• E. Wakai, Irradiation damages of structural materials under different irradiation environments (2021) 

Neutrónica de fusión

• Y. Wu, Fusion Neutronics, Springer (2017).
• Y. Wu, Neutronics of advanced nuclear systems, Springer (2019)

Material audiovisual propio

• Lección “Protección radiológica en aceleradores de alta intensidad” (Parte 1) (Parte 2).
• Programa de radio "La UNED y el Ciemat más cerca de la energía de las estrellas" (Radio E).

Referencias históricas

• N. Carpintero, G. Velarde, The pioneers' legacy of inertial confinement nuclear fusion, Progress in Nuclear Energy (2015).

En esta asignatura no se realizarán prácticas presenciales.

Curso virtual

Es fundamental para el desarrollo de la asignatura que el alumno utilice la Plataforma aLF.

Cualquier material complementario adicional que se pueda publicar o aconsejar se encontrará en dicha Plataforma. El alumno puede enviar sus consultas a los distintos foros de debate, o por correo electrónico a la atención de cualquiera de los profesores de la asignatura

Programas de radio grabados por el equipo docente

En el curso virtual de la asignatura se comunicará al alumno la temática del programa que se emita, así como la significación del mismo en el contexto de la asignatura. Además, podrá encontrar una relación de los programas emitidos con los enlaces adecuados.

Prácticas virtuales a través de internet

Como parte de la asignatura se realizarán prácticas virtuales. Para ello se contará con los computadores de simulación del área de ingeniería nuclear, con los que se interaccionará a través de internet mediante el navegador.