Riscaldamento del plasma di fusione con fasci di particelle neutralizzate

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1 Intervento al Convegno "Un esame critico della Road Map da percorrere per utilizzare l'energia da fusione nucleare", Roma, 22/01/10 Riscaldamento del plasma di fusione con fasci di particelle neutralizzate Marco Cavenago, Laboratori Nazionali di Legnaro-INFN, Italy 1) Introduzione: principi dell'iniettore di fasci neutri 2) Efficienza di neutralizzazione ed altri componenti 3) Scenari di possibili ottimizzazioni tecnologiche 4) Conclusioni 5) Appendici Dopo una descrizione degli obiettivi del riscaldamento del plasma e degli iniettori di fasci neutri (NBIs o neutral beam injectors), si espongono brevemente i limiti all'efficienza di neutralizzazione e le prospettive di ulteriore sviluppo delle sorgenti di ioni a radiofrequenza. Si discutono anche varie ipotesi di progressive ingegnerizzazioni e le relative efficienze. Alcuni dettagli delle stime sono riportati in appendice.

2 1) INTRODUZIONE Per ottenere una adeguata rapidita' della reazione nucleare (dove 4 He 2+ sono le cosidette particelle alfa, ossia i nuclei degli atomi d'elio, n rappresenta il neutrone e D o T rispettivamente il deuterio o il trizio) nei plasmi di fusione a confinamento magnetico (densita' dell'ordine di ioni/m 3 ) e' necessaria una adeguata temperatura T i degli ioni all'incirca T i D + T He (3.5 MeV) + n (14 MeV) ev ( nota 1 ev = gradi Kelvin) Altre reazioni richiedono temperature pure maggiori. Il raffreddamento del plasma per trasmissione alle pareti e' ridotto grazie al campo magnetico di confinamento ed il riscaldamento viene fornito da: 1) riscaldamento ohmico per induzione magnetica (effetto che, ovviamente, non puo essere mantenuto in modo continuo nel tempo) 2) frenamento nel plasma delle particelle alfa ( 4 He 2+ ) prodotte nella reazione (1) 3) riscaldamenti addizionali (Neutral Beam Injectors NBI, Ion Cyclotron Resonance Heating ICRH, Electron Cyclotron Resonance Heating ECRH) (1) M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 2

3 Le particelle neutre (atomi di deuterio D 0 ) non sono deflesse dal campo magnetico del tokamak (in cui verranno confinate solo dopo aver subito l'ionizzazione a D +) "Gli iniettori di fasci neutri e due tipi di onde elettromagnetiche ad alta frequenza aiuteranno a portare il plasma a temperature superiori a 150 milioni C." (Dal sito M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 3

4 L'iniettore di neutri (NBI) e' formato essenzialmente da: 1) sorgente di ioni negativi, dove dal gas D 2 vengono prodotti ioni D - ; 2) acceleratore elettrostatico, dove gli ioni D - vengono accelerati all'energia cinetica 1 MeV per ione. Ci sono perdite di fascio dovute al gas residuo (Fubiani, 2008); 3) neutralizzatore, dove il 60 % circa del fascio di D - viene convertito in D 0 ; 4) separatore: deflettore di ioni residui (RID) e calorimetro; 5) condotto di trasporto verso il tokamak (ITER o DEMO o etc). Il rendimento globale della macchina dipende dall'ottimizzazione e/o semplificazione di queste 5 parti. E' ovvio che il primo NBI completo avra' un approccio conservativo, basato strettamente sui principi qui descritti e ampi margini di potenza negli alimentatori. M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 4

5 corrente fascio D - 40 A energia D - e D 0 1 MeV durata impulso 400 a 3600 s tempo morto <3 ore condotto bobine di compensazione connessioni per sorgente e acceleratore soffietto valvola"gate" calorimetro deflettore di ioni residui neutralizzatore acceleratore tipo MAMUG Vista di un iniettore di neutri (vedi P.Sonato, RFX, 2009) con sorgente di ioni D- adattamenti; MAMUG = MultiAperture MUlti Grid. M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 5

6 L'iniettore di fasci neutri (NBI) e' dunque un acceleratore di particelle molto speciale e complesso, ma ha i seguenti vantaggi principali: 1) permette di mirare il riscaldamento al centro del plasma. 2) Per passare da ITER a DEMO agli scenari di reattori a funzionamento continuo, e' essenziale la capacita' di mantenere la corrente di plasma I p circolante in regime continuo e con adeguato profilo radiale. Gli iniettori di neutri contribuiscono a tale capacita' (D. Stork 2008, Zohm 2009) ITER finanzia anche un iniettore di prova a Padova (c/o RFX), ma non i suoi edifici, e poi rimangono a carico degli enti, tra l'altro: + modelli ed alcune prove di componenti e tecnologie + formazione PRIMA = Padova Research on ITER Megavolt Accelerator 26 m M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 6

7 Progetto edificio PRIMA-MITICA (cortesia P. Sonato, RFX) Superficie coperta 7050 m 2 Altezza edificio 26 m M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 7

8 2) EFFICIENZA DI NEUTRALIZZAZIONE E DI COMPONENTI Nel neutralizzatore le particelle del fascio cambiano carica per urto con un gas ivi introdotto, ad esempio deuterio D 2 : D + D D + e+ D D + D2 D + e+ D2 (2) La frazione di atomi di deuterio D 0 in uscita arriva teoricamente fino al 58 % del fascio di ioni negativi di deuterio D - introdotto; purtroppo il gas D 2 tende ad uscire dal neutralizzatore ed a causare perdite di fascio in altre regioni L neutralizer Nel disegno dell'iniettore di ITER per ragioni di compatezza si stima dunque che l'efficienza del neutralizzatore si riduce dal 58 % al 40 o 50% Per il futuro disegno dell'iniettore di DEMO si possono considerare i seguenti miglioramenti principali: 1) riduzione della divergenza del fascio 2) sostituzione del gas D 2 con vapori di litio (efficienza 62%) o con un plasma (efficienza teorica 85%) M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 8

9 2.1) SORGENTE RF DI IONI 50 cm "driver" bobina rf flangia estrazione fascio Esempio di sorgente a radiofrequenza con una sola bobina rf (IPP, Garching), avvolta sul cilindro corrispondente alla zona di "driver" (vedi Antoni, RFX, 2004) flangia estrazione fascio "driver" 50 cm Disegno della sorgente per SPIDER e MITICA (vedi P. Sonato, RFX, 2009) con adattamenti; si notino gli 8 cilindri di driver ed i condensatori rf L'ottimizzazione della sorgente puo' permettere di aumentare l'efficienza del sistema NBI (vedi app. B.2) condensatore M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 9

10 3) SCENARI DI POSSIBILI OTTIMIZZAZIONI TECNOLOGICHE ED EFFICIENZA L' efficienza complessiva η N del sistema NBI e' il rapporto tra l'energia del fascio ed l'energia elettrica prelevata dalla rete potenza fascio media neutri (3) η N = potenza media prelevata* * include la quota parte dei consumi (o riutilizzi) dell'impiantistica presumibilmente condivisa dai sistemi del reattore, come il trattamento dei fluidi di raffreddamento etc. La condizione per una produzione netta di energia e η Q η > 1 (4) dove N C Q e' il rapporto tra la potenza termica totale # prodotta del reattore e la potenza del riscaldamento ausiliario ed η C l'efficienza di conversione da energia termica ad energia elettrica (al meglio 0.46 con elio gas come fluido di lavoro). # Nota: includendo le reazioni n+li ed n+be nella parete del reattore (vedi Senato 2009, p 52), nonche' il contributo del fascio NBI M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 10

11 Valutazione di η N (efficienza sistema iniettore di neutri) Caso A (NBTF, ITER) : Dal disegno attuale, assumendo la peggior divergenza del fascio (7 mrad) e margini tipici sulle ingegnerizzazioni Caso B ( ITER,DEMO) : Con alcuni sviluppi modellistici e tecnologici Caso quasi Teorico : Ragionevoli limiti fisici (vedi appendice C per dettagli; NBTF e' l'installazione di prova per l'iniettore di fasci neutri ora chiamata PRIMA-MITICA ) Tali efficienze vanno considerate (oltre che col necessario errore del 15 % ca) anche in relazione al Q del reattore, che e il parametro piu incerto e la cui valutazione sperimentale e l obiettivo principale di ITER M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 11

12 Dal rendimento dei sistemi di riscaldamento (nelle varie ipotesi) e dalla formula (4) possiamo infatti dedurre il minimo Q necessario per la produzione di energia elettrica, secondo la formula Q > 1 η η N esemplificata nella seguente tabella (vedi Zohm 2009 per stime piu' dettagliate e grafici) C (5) A- A+ B- B+ Teor. Conversione energia termica ad elettrica Efficienza (inclusi errori +/- 15%) 15% 20% 22% 29% 44% Minimo Q necessario per produzione energia elettrica netta E evidente che un Q di almeno 10 circa a funzionamento continuo (o quasi continuo) e richiesto per un utilizzo per produzione di energia elettrica M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 12

13 4) CONCLUSIONI L'iniezione di fasci di particelle neutre (NBI) rappresenta un metodo molto valido di riscaldamento del plasma. Il primo obiettivo dei fasci neutri (verificabile con PRIMA-MITICA a Padova) e' la fornitura di 16 MW di fascio neutri per iniettore per ITER L'ottimizzazione dell'efficienza dei sistemi NBI si adegua allo sviluppo del tokamak nelle fasi ITER, DEMO, etc. e richiede competenze sia acceleratoristiche sia ingegneristiche (presenti in INFN e RFX). Alcuni principi e prospettive di tale ottimizzazione sono state qui descritti.* *con dettagli nelle appendici seguenti M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 13

14 5.1) APPENDICE A Sezione d'urto (barn) Energia D incidente (kev) Sezione d'urto di deuterio contro trizio; 1 barn e' l'area (10-28 m 2 ) di un quadrato con lato un milionesimo di milionesimo di centimetro M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 14

15 5.2) APPENDICI B.1: DETTAGLI EFFICIENZA DI NEUTRALIZZAZIONE Nel neutralizzatore le particelle del fascio (sottolineate) cambiano carica secondo le reazioni atomiche (non nucleari) dove H puo essere H o D L neutralizer D - D 0 D + x Frazione di fascio f N neutralizzato in funzione di x = Lneutralizer densita media gas 1 m m -3 dove L neutralizer (circa 4 m) e' la lunghezza del neutralizzatore M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 15 f N

16 Vista la limitazione imposta a L neutralizer (circa 4 m) dallo spazio dell'edificio di ITER, la densita media del gas risulta 0.4 x m -3, (cioe' 0.2 Pascal); per limitare la diffusione del gas fuori dal neutralizzatore, si devono inserire dei pannelli intermedi, il che causa delle perdite di fascio (che riducono l'efficienza dal 58% al % circa, vedi caso A) pannelli intermedi Schema flussi gas nell'iniettore, figura da Per mitigare questi problemi si potrebbe o aumentare L neutralizer, o (come allo studio per DEMO ed oltre) usare invece del gas D 2 dei vapori di Litio od un plasma. M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 16

17 APPENDICE B.2) SORGENTE RF DI IONI Le sorgenti di ioni negativi D - sono basate su plasmi molto freddi (se paragonati ai plasmi di fusione) 1) Grazie all'introduzione di Cesio in piccole quantita', la produzione di D- passa tipicamente da 40 A/m 2 a 200 A/m 2 (la specifica di ITER). 2) Gli elettroni purtroppo coestratti con i D - vengono deviati e fermati sulla prima grglia di accelerazione, a 10 kev circa Schema concettuale di una sorgente di ioni negativi ICP (inductively plasma coupled): la regione 1 vicina alla bobina rf e' detta ''Driver'', mentre nella regione 2 detta filtro un campo magnetico rallenta il movimento degli elettroni. Per chiarezza, i fasci di D- ed e- sono disegnati separatamente. M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 17

18 La sorgente e' dunque un componente prevedibilmente soggetto a continue ottimizzazioni; anche se direttamente rappresenta un modesto consumo di potenza (1 o 2 MW per produrre* 60 A di ioni D - ), alcuni parametri del fascio ivi prodotto influenzano i consumi dei componenti successivi. In particolare sono da minimizzare: 1) p pressione di lavoro 2) divergenza del fascio 3) percentuale di alone del fascio 4) frazione di elettroni coestratti Una intensa attivita' di simulazione numerica e di modellizzazione della sorgente e dell'estrazione del fascio e' dunque in corso su scala mondiale, come pure a RFX e a INFN-LNL M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 18

19 5.3) APPENDICE C (dettagli stime consumi sorgente e sistema NBI) Caso A (NBTF, ITER) : Dal disegno attuale, assumendo la peggior divergenza del fascio (7 mrad) e margini tipici sulle ingegnerizzazioni Caso B ( ITER, DEMO) : Con alcuni sviluppi modellistici e tecnologici (minori tempi morti, economie nella criogenia, tecniche di raffreddamento efficienti), tipica divergenza del fascio (5 mrad) Caso quasi Teorico: Ragionevoli limiti fisici e sviluppi spinti (riutilizzo acque calde secondo ciclo di Carnot, ottimizzazione divergenza del fascio a 3 mrad, eliminazione del gas residuo nel condotto NBItokamak e/o nuovi mezzi di neutralizzazione, come i vapori di Li) Nota alla riga S1: la potenza rf necessaria nella sorgente e' per ora definita sulla base di considerazioni prudenziali e sperimentali; comunque l'impatto di ipotesi piu ottimistiche (vedi colonna Teor) sull'efficienza complessiva e' piccolo. M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 19

20 Nota alla riga A13: le perdite variano fortemente a seconda della percentuale di raffreddamento fornita da torri di raffreddamento o da gruppi frigoriferi (piu' stabili, meno efficenti); inoltre vanno considerate anche altre esigenze (isolamento della sorgente di ioni, deionizzazione, dispersioni del calore) M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 20

21 Elenco di presentazioni tecniche e relazioni citate Antoni 2004 = V. Antoni "Il progetto dell iniettore di neutri per ITER" 9 Nov. 2004, seminario ad INFN-LNL (64 slides) Fubiani 2008= G. Fubiani et al., Phys. Rev. ST-AB, 11, (2008) Report DDD5.3 ="Design Description Document (DDD 5.3) NEUTRAL BEAM HEATING & CURRENT DRIVE (NB H&CD) SYSTEM", Iter Report 53 DDD 29 del (176 pagine) Senato 2009= XVI Legislatura Senato della Repubblica Commissioni permanenti 7a e 10a "INDAGINE CONOSCITIVA SULLE RICERCHE ITALIANE RELATIVE ALLA FUSIONE NUCLEARE-RELAZIONE CONCLUSIVA" Roma, maggio 2009 (104 pagine) Sonato 2009 = P.Sonato, "PRIMA - MITICA - SPIDER: the NB R&D activities for ITER in Padova", intervento al CCNB Nov. 2009, Garching (33 slides). Stork 2008, " Perspectives on Heating and Current Drive for DEMO", intervento al CCNB Nov. 2008, Padova (41 slides). Zohm 2009 =H. Zohm, "CCNB Meeting ", intervento al CCNB Nov. 2009, Garching (9 slides). M. Cavenago,'Riscalmento...neutralizzate', Roma, 22/01/10 21

22 Seconda parte del talk al gruppo 5 INFN Firenze (09/02/10, M. Cavenago) Cenni sulle linee principali di ricerca per le sorgenti di ioni negativi (NIO2BEAM) La simulazione dell'estrazione del fascio (figura B) dal plasma e' argomento di notevole complessita', in particolare per la presenza di elettroni coestratti (figura A) (nostro codice simulazione BYPO18; il nome significa polarizzazione B y del campo magnetico, versione 18) M. Cavenago, seconda parte talk a gr. 5 09/02/10 Firenze 1

23 Per migliorare sia le simulazioni sia i modelli analitici dobbiamo conoscere la corrente estratta j + lungo l'asse z, cioe' perpendicolarmente al campo magnetico; in presenza di collisioni, tale corrente soddisfa l'equazione dove con j - la corrente che torna indietro Abbiamo gia' pubblicato gia' alcuni risultati preliminari, anche con modelli piu' semplici La presenza di eq. integrodifferenziali spero manifesti chiaramente quanto manchi nei codici di simulazioni esistenti e le prospettive di ulteriori sviluppi (e/o relazioni con metodi Monte Carlo) M. Cavenago, seconda parte talk a gr. 5 09/02/10 Firenze 2

24 Per verificare i codici di simulazioni abbiamo bisogno di un buon misuratore di emittanza e di una versatile sorgente di prova (NIO1) In figura, NIO1 (Negative Ion Optimization step 1), progetto concettuale; notate la modularita' M. Cavenago, seconda parte talk a gr. 5 09/02/10 Firenze 3

25 I nostri codici di simulazioni tengono anche (approssimativamente) in conto la compensazione di carica spaziale (un plasma secondario che facilita il trasporto del fascio nel 'drift tube', la zona tra acceleratore e neutralizzatore) Questo suggerisce di includere l'elettrodo addizionale REP nella PA, l'ultima griglia accelerante In figura i risultati di BYPO18 per u=-eφ/t nel 'drift tube' M. Cavenago, seconda parte talk a gr. 5 09/02/10 Firenze Schema di principio delle alimentazioni di NIO1 4

26 Fast Emittance Scanner (tipo di Allison: vista, elettronica, dettaglio testa di misura) M. Cavenago, seconda parte talk a gr. 5 09/02/10 Firenze 5

27 Prove di plasmi a radiofrequenza at Legnaro M. Cavenago, seconda parte talk a gr. 5 09/02/10 Firenze 6

28 Collisioni molecolari rilevanti per il modulo aggiuntivo di BYPO (da M. Cavenago, P. Veltri, E. Gazza et al., Comsol conference 2009); si noti che nel lavoro sui database dei processi molecolari dobbiamo tenere conto dei diversi livelli vibrazionali tra H 2 e D 2 M. Cavenago, seconda parte talk a gr. 5 09/02/10 Firenze 7