ITER: le sfide tecnologiche

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1 ITER: le sfide tecnologiche Presentato da A Pizzuto Associazione ENEA-Euratom sulla Fusione UTS-Fusione

2 Il Progetto ITER Il programma fusione ha avuto con l avvio del progetto ITER (1992) un formidabile impulso che lo ha portato da un ambito di pura sperimentazione scientifica ad un complesso sistema di ricerca, tecnologia ed ingegneria orientato alla realizzazione di ITER e a quella del reattore dimostrativo che ha coinvolto EU+Canada,J,RF e US

3 La Macchina ITER: obiettivi Scopo: Ottenere plasmi induttivi con potenza di fusione (500 MW) almeno 10 volte maggiore alla potenza immessa di durata >300 s. dimostrare lo steady-state usando non-inductive current drive con guadagno di almeno 5; dimostrare la disponibilità e l integrabilità delle tecnologie essenziali per un reattore a fusione (Magneti SC, HHFC, RH etc) Provare componenti per il reattore (sistema di pompaggio ceneri) Test bed per la prova dei mantelli fertili per la produzione del trizio Dimostrare la sicurezza della fusione e la potenzialità di diventare una fonte di energia sostenibile nel periodo medio-lungo diventare una fonte di energia sostenibile nel periodo medio-lungo

4 La Macchina ITER: descrizione Cooling Pipes Toroidal Coils Cryostat Blanket Poloildal Coils Central Solenoid ICRF Antenna Vacuum Vessel Cryopump ITER Divertor

5 I problemi (1) ITER, dovendo dimostrare non solo la possibilità di raggiungere e controllare regimi di plasma di interesse reattoristico, ma dimostrare anche la fattibilità tecnologica ed evidenziare i vantaggi dell energia da fusione dal punto di vista ambientale e socioeconomico, ha richiesto delle estrapolazioni notevoli per adeguare le tecnologie disponibili.

6 I problemi (2) Le caratteristiche salienti sono: Dimensioni senza precedenti per magneti e strutture; Alto flusso neutronico sulla parete Altissimo flusso termico sul divertore Necessità di remote handling Apparati specifici per il reattore a fusione quali sistemi di fuelling, pompaggio, riscaldamento e current Drive e diagnostiche

7 Le Tecnologie più impegnative Superconduttività Componenti ad alto flusso termico Manutenzione Remota Materiali Misure e Data Base Nucleari Ciclo del combustibile Realizzazione di componenti di grosse dimensioni e inoltre Progettazione Sicurezza ed impatto ambientale

8 Magneti Superconduttori: Cavo Dimostrata la scalabilità alle dimensioni di ITER senza degrado delle prestazioni 43 mm Cavo Nb3Sn sviluppato per ITER

9 Magneti Superconduttori:TFMC Con la Bobina TF Model Coil : Fattibilità bobine in Nb3Sn molto grandi: H=13m L=8.5 m peso totale 8700 t. Processo wind, react and transfer Definito sistema QA Provata la bobina ai limiti operativi: 80 ka

10 Magneti Superconduttori: CS

11 Magneti Superconduttori: ruolo L ENEA ha contributo in modo importante allo sviluppo del cavo e alla definizione e conduzione dei test sulle TFMC e CS, fornendo supporto alle industrie italiane che sono fortemente impegnate (EM e ANSALDO)

12 Componenti ad alto flusso termico I flussi termici provenienti dal plasma sotto varie forme (irraggiamento, conduzione, convenzione, particelle energetiche). Necessario aumentare l efficienza dello scambio termico di un fattore 10 (20MW/m 2 in stazionario) In fasi transitorie carichi di MJ/m2 per pochi ms. L integrità dei componenti e la compatibiltà col plasma obbligano a rivestire gli scambiatori con materiali di sacrificio idonei (armour)

13 Componenti ad alto flusso termico Flusso critico necesario (35 40MW/m 2 ): acqua come coolant, promotori di turbolenza. Materiali armour (alta diffusività termica e/o resistenza a sputtering ): CFC per le zone ad altissimo flusso termico (parte bassa divertore); W per le zone ad alto flusso particellare (parte alta divertore); Be nella zona più esposta al plasma (prima parete).

14 W Componenti ad alto flusso termico Tecnologie di giunzione: Brasature non idonee Scelta: HotIsostaticPressing HotRadialPressing (ENEA) CFC Vertical Target scala 1:1

15 Componenti ad alto flusso termico Le attività di R&D hanno coinvolto intensamente tutti i partner dal 1995 al L ENEA ha contribuito con soluzioni originali sia per la fabbricazione (HRP) che per la messa a punto dei controlli non distruttivi, e sta caratterizzando a fatica termica la prima parete

16 Materiali Materiali strutturali per ITER scelti tra quelli già sviluppati: Acciai Austenitici Lanciato programma focalizzato sullo sviluppo e caratterizzazione di materiali a bassa attivazione per il reattore Due le scelte in europa: Acciai ferritici/martensitici per la prima generazione Materiali ceramici (SiC f /SiC) compositi per gli impianti ad alta efficienza >50%

17 Materiali: acciai

18 Materiali: SiC f /SiC ÙoHi-Nicalon Type-S/PyC/FCVI-SiC ÙqHi-Nicalon/PyC/FCVI-SiC ÙsNicalon/PyC/FCVI-SiC ÙnTyranno-SA/PyC/FCVI-SiC ÙkMonolithic CVD-SiC Irrad. Unirrad. S u /Su : 500C, HFIR 2: 400C, HFIR 3: C, HFIR 4: C, JMTR 5: C, EBR-II : 300C, HFIR 7: 800C, HFIR 8: 800C, JMTR 9: 740C, HFIR 10: 630, 1020C, ETR Neutron Dose [dpa-sic]

19 Materiali: ruolo ENEA L ENEA ha concentrato le attività sullo sviluppo di dei ceramici, puntando a ottenere : manufatti più densi (maggiore conducibilità termica); manufatti impermeabili all elio (condizione necessaria in un reattore) e inoltre a sviluppare tecniche di giunzione (brasature ad altissima temperatura)

20 Manutenzione remota (1)

21 Manutenzione remota (2)

22 Manutenzione remota (3) Sistema RH Blanket JAERI

23 FNG Lab Misure e data base nucleari Validazione dati EFF/EAF data per W (ENEA,TUD,FZK,JSI) (materiale per divertore armour) DENSIMET 176 / 180 (> 92% W, Fe, Ni) peso 1.8 ton Misure: n/γ flusso & spettro, attivazione, Calore di decadimento Analisi: MCNP & DORT, EFF-3, EAF2001 Analisi Sensibilità/Incertezza basata su Monte Carlo (MCNP) e su approccio deterministico (SUSD)

24 Ciclo del combustibile ITER sarà un test bed per il mantello fertile: Mantello fertile moltiplicare n e produrre T Due filiere: Metallo Liquido (Pb-17Li) Ceramico (Silicato/titanato di litio)

25 Ciclo del combustibile ENEA impegnata nelle due filiere: Metallo liquido: caratterizzazione coating protettivi, sperimentazione incidenti acqua/pb-17li Ceramico: processi fabbricativi (sol-gel) e recycling Li

26 Componenti di grosse dimensioni Settore di Camera da Vuoto JAERI Tolleranza 5mm/18m

27 Componenti di grosse dimensioni Casing TF Forgiato Austenitico Saldature spesse 240 mm (Belleli) con tecniche GTAW e SAW+ E.B.

28 Progettazione Necessarie tecniche di progettazione molto avanzate che richiedono competenze multidisciplinari: Calcoli neutronici, Elettromagnetici, Termomeccanici e capacità di integrazione Progettazione divertore ITER (ENEA) MCNP model Nuclear heating

29 Sicurezza ed impatto ambientale (1) Mediante l analisi degli scenari operativi e l individuazione e l analisi gli scenari incidentali di riferimento si sono dimostrati i vantaggi della fusione: No evacuazione in caso di incidente (dose comparabile a quella annua naturale) No melting down del reattore (energia specifica immagazzinata molto inferiore a quelli a fissione) Waste con radiotossicità di molti ordini di grandezza inferiore a quelli da fissione (assenza di attinidi) non richiedono depositi geologici

30 Sicurezza ed impatto ambientale (2) Radiotossicità Reattori Nucleari 1.00E+00 EFR-A 1E-1 Decay Heat Reattore a Fusione PM1 MINERVA-W MINERVA-H 1.00E-01 EFR-B PWR Decay Heat Power Density (kw/kg) 1E-2 1E-3 PM4 PM5 PM6 Radiotoxicity index (Inhalation) 1.00E E E-04 Coal Coal x 10 PWR EFR A EFR B Model 1 MINERVA-W MINERVA-H Model 4 Model 5 Model 6 1E-4 1 min 1 hour 1 day 1 week 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 Time (s) 1.00E E-06 Coal 1.00E Time after final shutdown (years)

31 Sicurezza ed impatto ambientale (3) Contributo ENEA per analisi deterministica e probabilistica degli incidenti, validazione dei codici di simulazione, stesura dei rapporti preliminari di sicurezza per i due siti europei proposti, creazione di data base da fissione e fusione (JET)

32 Conclusioni (1) Nel periodo dal 1992 al 1998 si sono raggiunti quasi tutti gli obiettivi prefissati dal programma R&D di ITER Con la ricerca di base si sono sviluppati nuove tecnologie realizzative. Si è passati dalla produzione di piccoli mock up ai componenti in scala reale o comunque rilevante. I test hanno convalidato le tecnologie sviluppate Si è dimostrato che la fusione ha grosse potenzialità per diventare una fonte di energia sostenibile nel periodo medio-lungo

33 Conclusioni (2) L ENEA ha avuto un ruolo di primaria importanza nel Programma Fusione poiché ha saputo e potuto operare a livello di sistema aggregando le competenze necessarie (interne ed esterne) e attivando una rete organica di collaborazioni che coinvolge altre Unità ENEA, Le Università, altri Enti di Ricerca pubblici e privati, piccole medie e grandi industrie.

34 Conclusioni (3) Il percorso che ha portato a risolvere i grossi problemi aperti sulla strada della costruzione di ITER si è rivelato per molti una palestra ineguagliabile per formazione e crescita professionale, nonché una opportunità ormai sempre più rara per le industrie di cimentarsi nella grande impiantistica ad alto contenuto tecnologico applicabile in altri campi (nucleari e non) che interessa anche piccole e medie imprese.